Джефри С. Нью

Микрофоны на основе технологии MEMS для поверхностного монтажа

Технология MEMS (Micro Electro Mechanical Systems - электромеханические микросистемы) - это изготовление электромеханических устройств методами полупроводниковой технологии. Традиционно на кремниевой подложке создаются проводящие дорожки для создания электрических соединений внутри микросхем. В дополнение к этому, MEMS преобразует кремний в механически движущиеся части. За последнее десятилетие использование этого процесса в производстве все более расширяется. Например, автомобильный рынок использует MEMS-акселерометры как датчики аварий для срабатывания защитных подушек безопасности. На базе MEMS-технологии фирмы Knowles Acoustics выпустила микрофоны SiSonic в конструктивном исполнении для поверхностного монтажа.

Как работает MEMS-микрофон?

Совершенствование процесса MEMS привело к созданию миниатюрного дешевого микрофона с высокими параметрами. В некоторых приложениях такой прибор обеспечивает определенные преимущества над традиционными электретными микрофонами (ECM). Путем нанесения и травления полупроводникового материала на кремниевой подложке формируется конденсатор, являющийся основой микрофона. Как и обычный электретный микрофон, MEMS-микрофон состоит из гибкой диафрагмы, жесткой подложки и демпфирующего отверстия с электрическим зарядом на подложке. Диафрагма находится в непосредственной близости от подложки, образуя конденсатор. Под воздействием звукового давления диафрагма движется, при этом изменяется емкость между ней и подложкой. Эти изменения измеряются и выводятся в виде электрического сигнала.

Если отвлечься от процесса формирования кремния, то основное различие между ECM и кремниевым микрофоном заключается в том, как поддерживается заряд на подложке. В ECM заряд подложки формируется в процессе изготовления. Если по какой-либо причине заряд уменьшится или исчезнет, то динамический отклик микрофона быстро деградирует. Чаще всего деградация вызывается перегревом. По этой причине ECM-микрофоны не применяются при температуре свыше 85 градусов и не могут быть припаяны в процессе автоматического поверхностного монтажа. Кремниевый микрофон после изготовления не имеет заряда. Заряд при напряжении 12 В закачивается в подложку с помощью КМОП-схемы. Микросхема поддерживает этот заряд, когда микрофон активирован.

Традиционно электретные микрофоны используются в беспроводных приложениях, поскольку обеспечивают высокую чувствительность благодаря гибкой диафрагме большого размера (обычно 6 мм). Если уменьшать размер ECM-микрофона, его чувствительность очень быстро падает. Микрофоны для поверхностного монтажа фирмы Knowles Acoustics обеспечивают высокую чувствительность (-42 дБВ) даже с диафрагмой диаметром 0,5 мм. Это обеспечивается благодаря запатентованной свободно плавающей диафрагме. Малый размер диафрагмы обеспечивает значительное снижение размеров и стоимости, поскольку тысячи микрофонов могут быть сделаны из одной кремниевой пластины.

Выбор корпуса

Конструкции корпусов кремниевых микрофонов должны удовлетворять многим требованиям: иметь малые размеры, низкую стоимость, высокую степень воспроизводимости при производстве, гибкость при изменении дизайна. Корпус должен также обеспечивать решение типичной для портативных устройств проблемы - защиты от электромагнитных наводок. Разработанный корпус отвечает не только всем указанным требованиям, но даже превышает некоторые из них. Микрофон в сборке (КМОП + MEMS) заключен в легко собираемый корпус на металлической плате для создания эффекта клетки Фарадея. На подложке смонтированы фильтрующие конденсаторы для защиты от наводок. Такой подход также обеспечивает определенную гибкость конструкции для того, чтобы менять размер корпуса, обеспечить возможность извлечения микрофонного кубика, использования влагозащитной крышки, установки заказной КМОП ИМС с фильтрами, усилителем сигнала и АЦП, а также изменения размера или места акустического порта в случае изменения функций микрофона.

Корпус выдерживает температуру до 100 градусов в непрерывном режиме и может быть подвергнут нагреванию в процессе пайки в типичных для линий поверхностного монтажа условиях. Если необходимо, можно расширить диапазон температур работы и хранения свыше 100 градусов путем использования высокотемпературного материала подложки. С данным корпусом микрофон обеспечивает плоскую частотную характеристику в звуковом диапазоне от 100 Гц до 10 кГц.

Следует заметить, что после напайки на плату микрофон не должен подвергаться промывке. Если производитель промывает плату, то возникает риск попадания раствора в акустическую часть. Некоторые производители вс╦ ещ╦ промывают свои платы после пайки для удаления излишков флюса. Этого можно избежать на линиях высокопроизводительной сборки, на которых используется флюс, не требующий очистки.

Какие проблемы решает кремниевый микрофон?

Кремниевые микрофоны фирмы Knowles Acoustics предназначены для поверхностного монтажа. Поскольку традиционный микрофон не может быть припаян в стандартном процессе пайки на линии, были разработаны различные методы ручной установки, например:

• ручная пайка на печатную плату;
• ручная пайка к гибким проводникам, которые присоединяются к золоченым контактам на печатной плате;
• ручная установка не впаиваемого микрофона с помощью проводящей гибкой втулки с последующим прижатием к плате;
• ручная установка не впаиваемого микрофона в штырьковый разъем с прижатием к плате;
• ручная установка не впаиваемого микрофона в подпружиненную чашечку с прижатием к плате.

Ни один из перечисленный подходов не является идеальным. В примере с ручной пайкой микрофон необходимо дополнительно тестировать для того, чтобы убедиться, что в процессе пайки он не был поврежден. В силу своей природы, пайка не на линии увеличивает стоимость производства. Кроме того, выход годных изделий в таком процессе меньше 100%, иначе не требовалось бы тестирование после пайки. Это означает переделку или отбраковку печатной платы.

Микрофон Knowles Acoustics мал по размерам. По сравнению с 6-мм микрофоном, кремниевому микрофону требуется более чем на 20% меньше места на передней стороне платы. Поскольку он предназначен для поверхностного монтажа, то использует только переднюю сторону платы. Обычный же микрофон ECM устанавливается в отверстие, поэтому занимает место на обеих сторонах платы. Кремниевый микрофон имеет также на треть меньшую высоту, чем стандартные 2,2 мм у используемого в настоящее время микрофона.

По сравнению с другими схемами подключения микрофона без пайки через разъемы, выигрыш в использовании места оказывается ещ╦ большим. Кремниевый микрофон требует на 40% меньше места и не более половины высоты современных микрофонов. Кроме того, микрофон Emkay позволяет устранить дополнительную деталь - разъем. Наконец, микрофон с ручной установкой не всегда имеет надежный электрический контакт. При этом сигнал от микрофона будет слабым, и произойдет потеря чувствительности.

Кремниевый микрофон Knowles Acoustics очень устойчив к воздействию окружающей среды. Он может противостоять температуре до 100 градусов, в то время как микрофоны по существующей технологии не могут противостоять температуре свыше 85 градусов. Превышение этой температуры может привести к потере микрофоном ECM своего заряда и чувствительности. Далее, кремниевый микрофон высоко устойчив к ударам. Микрофоны ECM известны своими отказами при повторяющихся ударах. Кремниевый микрофон разработан так, что в состоянии противостоять ударам до 5000g. Наконец, чувствительность микрофона к вибрациям зависит от массы диафрагмы микрофона. В кремниевом микрофоне масса диафрагмы намного меньше, чем в стандартном микрофоне, поэтому он не в такой степени подвержен действию вибраций. В портативных устройствах типа сотовых телефонов, PDA и ноутбуках вибрации могут оказывать большой эффект на качество акустики.

Оптимальные области применения кремниевых микрофонов

Сотовые и WAP-телефоны, PDA, ноутбуки и аудиоаппаратуру логично считать основным массовым рынком. Эти приборы выпускаются в большом объеме и именно для них выгодно применение кремниевых микрофонов поверхностного монтажа. Производители этих товаров затрачивают внушительные суммы на дополнительные детали, внепоточную сборку и ручную работу.

Для этих же производителей весьма существенна и экономия места. Разработчики продолжают увеличивать функциональность, одновременно снижая размеры. Хорошим примером служат ПДА. Внутри типичного ПДА вс╦ место буквально заполнено и, если изготовитель захочет добавить туда микрофон, то сделать это с EMC-микрофоном будет гораздо труднее, чем с кремниевым.

Температурный диапазон, устойчивость к ударам и чувствительность к вибрациям являются проблемой большинства портативных приборов. Когда люди оставляют сотовый телефон в автомобиле, стоящем на солнце, температура внутри кабины легко превышает 85 градусов, явно за границей допустимого диапазона для обычного микрофона ECM, и возникает проблема с надежностью. Не так уж редко мобильные телефоны роняют на асфальт. Большинство аппаратов подвергаются таким ударам хотя бы раз, а некоторые и многократно. Наконец, вибрации постоянно сопровождают все портативные приборы. Влияние всех этих воздействий может быть существенно ослаблено с использованием кремниевых микрофонов.