MEMS와 ECM: 마이크 기술 비교

웨어러블부터 홈 어시스턴트에 이르기까지 점점 더 많은 장치가 마이크를 사용하여 거의 모든 소리를 정확하게 포착합니다. 마이크 구성에 가장 널리 사용되는 기술 중 두 가지는 각각 사용 사례가 풍부한 초소형 전자 기계 시스템(MEMS) 마이크와 일렉트릿 콘덴서 마이크(ECM)입니다. 이 기사에서는 두 기술의 기본 사항을 검토하고, 차이점을 비교하며, 각 솔루션의 장점을 살펴봅니다.

MEMS 마이크

인쇄 회로 기판(PCB)에 배치된 MEMS 부품으로 구성되며 기계적인 덮개로 보호되는 MEMS 마이크는 장치에 소리가 들어올 수 있도록 케이스에 작은 구멍이 가공되어 있습니다. 이 구멍의 배치에 따라 구멍이 상단 덮개에 있으면 마이크는 상단 포트로 정의되고 구멍이 PCB에 있으면 하단 포트로 정의됩니다. MEMS 부품은 기계식 다이어프램과 반도체 다이에 조립된 실장 구조를 가지는 경우가 많습니다.

그림 1: 일반적인 상단 포트 MEMS 마이크 구조. (이미지 출처: Same Sky)

MEMS 다이어프램은 커패시터를 구성하며 음압파를 통해 다이어프램이 움직입니다. 일반적으로 MEMS 마이크에는 MEMS의 변화하는 정전 용량을 전기적 신호로 변환하는 오디오 프리앰프 역할을 하는 두 번째 반도체 다이가 포함됩니다. 아날로그 출력 신호가 우선되는 경우에는 오디오 프리앰프의 출력을 사용자에게 제공할 수 있습니다. 하지만 디지털 출력 신호가 필요하다면 오디오 프리앰프와 동일한 다이에 아날로그 디지털 컨버터(ADC)가 포함됩니다. 펄스 밀도 변조(PDM)는 MEMS 마이크에서 디지털 인코딩에 사용되는 일반적인 형식이며 하나의 데이터 회선과 클럭으로 통신이 가능합니다. 또한 데이터의 단일 비트 인코딩 덕분에서 수신기에서 디지털 신호를 디코딩하기가 더 간편합니다.

그림 2: 왼쪽 - 아날로그 MEMS 마이크의 응용 회로도. 오른쪽 - 디지털 MEMS 마이크의 응용 회로도(이미지 출처: Same Sky)

일렉트릿 콘덴서 마이크

일렉트릿 콘덴서 마이크(ECM)는 그림 3처럼 구성되어 있습니다.

그림 3: 일렉트릿 콘덴서 마이크의 기본 구성(이미지 출처: Same Sky)

ECM에서 일렉트릿 다이어프램은 전도성 플레이트 근처에 배치된 고정 표면 전하를 가진 소재이며, MEMS 마이크와 마찬가지로 유전체를 형성하는 공간으로 커패시터가 생성됩니다. 음압파로 일렉트릿 다이어프램이 움직이면 정전 용량 값이 변경되고 이에 따라 커패시터를 통과하는 전압이 달라집니다(ΔV = Q/ΔC(Q = 고정 전하)). 이러한 커패시터 전압의 변화는 마이크 하우징의 JFET에 의해 증폭 및 버퍼됩니다. JFET는 일반적으로 외부 부하 저항기 및 외부 응용 제품 회로에 채택된 DC 차단 커패시터가 포함된 공통 소스 구성으로 설계됩니다.

그림 4: ECM의 응용 회로도(이미지 출처: Same Sky)

장점과 절충점

ECM 마이크나 MEMS 마이크 간에 선택할 때는 여러 사항을 고려해야 합니다. 최근의 MEMS 마이크 기술은 여러 장점 덕분에 빠르게 시장 점유율을 확장하고 있습니다. 예를 들어, 공간이 제한된 응용 분야의 솔루션을 찾는 사람은 MEMS 마이크의 작은 포장 크기와 아날로그 및 디지털 회로를 모두 MEMS 마이크 조립품에 포함하여 PCB 면적과 부품 비용을 절감할 수 있다는 장점에 주목할 것입니다.

또한 아날로그 MEMS 마이크의 비교적 낮은 출력 임피던스와 디지털 MEMS 마이크의 출력 덕분에 전기적 잡음이 심한 환경에서 사용되는 응용 제품에 적합합니다. 마찬가지로 진동이 심한 환경에서 MEMS 마이크를 사용하면 기계적 진동으로 발생하는 원치 않는 잡음의 수준을 낮출 수 있습니다. 게다가 반도체 기술과 오디오 프리앰프의 추가로 인해 더 적합하고 온도에 안정적인 성능 특성을 보이는 MEMS 마이크를 생산할 수 있으므로 다중 마이크 어레이 응용 분야에도 적합합니다. 제조 공정 중 MEMS 마이크는 리플로 납땜 온도 프로파일도 견딜 수 있습니다.

MEMS 마이크의 상승세에도 불구하고 일렉트릿 콘덴서 마이크는 여전히 여러 응용 분야에 적합한 옵션으로 남아 있습니다. 여러 레거시 설계에 ECM이 사용된 것을 고려하면 간단한 설계 업그레이드에는 ECM을 계속 사용하는 편이 엔지니어에게 가장 간편한 솔루션일 수 있습니다. 또한 ECM은 설계자에게 전선, 핀, 납땜 패드, SMT 및 스프링 접점을 포함한 종단 유형을 가진 부가적인 실장 유연성을 제공합니다. 먼지와 습기가 문제인 경우에는 침투 보호(IP) 등급이 더 높은 ECM 솔루션이 실제 크기가 더 크기 때문에 공급하기가 더 쉽습니다. 또한 균일하지 않은 공간 감도가 필요한 응용 분야에는 단방향 또는 잡음 차단 방향성 ECM 제품이 있습니다. 작동 전압 범위가 넓기 때문에 느슨하게 조정되는 전압 레일을 사용하는 응용 분야에도 적합합니다.

적절한 마이크 선택

결국 마이크 기술의 선택은 프로젝트의 제약 조건에 따라 달라집니다. MEMS 마이크는 여러 고유한 장점 때문에 인기가 갈수록 높아지고 있지만 ECM 역시 포장 및 방향성 옵션의 다양성으로 인해 다양한 응용 분야에서 여전히 사용되고 있습니다. 하지만 기술 선택과 별개로, 전자 부품 제조업체 Same Sky는 계속해서 광범위한 마이크 제품을 개발 및 공급하여 오디오의 요구 사항에 관련하여 선택의 폭을 넓혀주고 있습니다.