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MEMS麦克风助力打造新型折叠手机

上网日期: 2005年09月28日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:MEMS? 微机电系统? MEMS麦克风? 折叠手机?

随着科技与潮流的演进,新一代的手机朝着轻薄却多任务的方向前进,使得手机里每个组件的空间也相对被压缩。越来越多的折叠式手机面市,显示了折叠式的手机已经蔚为风潮。由于折叠式手机的厚度正好为两倍的实际机身厚度,所以手机组件的高度即决定了手机的厚度。

其中一个独立而关键的组件即是麦克风。有些手机在设计时便必须配合麦克风而特别改变机壳的造型,或是其机板(PCB)的设计。譬如最常见的小型电容式麦克风的尺寸为4mm高,1.5mm直径(不含外加的橡胶气密垫圈),这已经接近现行手机设计中(最大)与电容式麦克风本身(最小)的极限,但新型手机的设计已经无法满足于这样的尺寸限制了。

微机电式(MEMS)麦克风

下一代的麦克风必定是属于微机电式(MEMS)的。所谓的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems),即是利用集成电路科技将微型机械与电子组件集成于硅晶面板的表面。对麦克风而言,即是将背极板(Back Plate)与振膜(Diaphragm)筑于硅晶面板上,并以适当的电路连结。接着利用化学蚀刻的技术将振膜平整而单纯的置于其基底(Substrate)上,使其可随声音做完全的自由振动(Freely Vibration)。而振动的振膜与背极板之间形成的电场(也可说电容值)变化即产生电路上的电子信号。

图1:微机电式麦克风结构示意图。

微机电式麦克风拥有半导体制成而超越电容式麦克风的优点。例如,由楼氏电子公司(Knowles Acoustics)所研发的微机电式硅晶麦克风SiSonic即透过一组电泵(Charge Pump)组件提供背极板与振膜之间稳定的电场,同时使得麦克风的电源独立出来,不至于受到不稳定或着含有噪声的电源干扰。另外,微机电式麦克风采用预极式运作,因此不会像电容式麦克风般随着驻极于背极板上电荷的变化而变化(电容式麦克风背极板上的驻极电荷易随着湿度与时间做变化,微机电式麦克风则在每次激活时利用电源重新产生稳定的电场)。微机电式麦克风的输出信号几乎不随电源的变化而变化。而由于其振膜的质量极轻,所以对外部振动的敏感度极低。同时,因为其包装结构的设计特性,使其在内部电路的延展应用上有很大的空间。像是放大电路,模拟数字转换与其它的应用都可以直接与其形成单一的麦克风包装。

轻薄型手机的适合选择

微机电式麦克风有两个独特的性质使得它成为轻薄型手机的绝佳选择:极小的体积以及可耐受回焊炉(Reflow Oven)的高温。

微机电式麦克风与一般电容式麦克风其中一个最显著的差异即是体积。微机电式麦克风的背极板与振膜大约是一般电容式麦克风十分之一的大小。而这仅仅第一代微机电式麦克风的大小即已经大约是电容式麦克风能达到的最小体积。随着微机电式麦克风科技的日趋成熟,不可讳言的微机电式麦克风将会是未来手机的最佳选择。

图2:4 mm电容式与微机电式麦克风背极板与振膜大小的比较(典型的电容式麦克风中,背极板与振膜的间距为40 μm,而微机电式麦克风则为4 μm)。

另一个主要的差异就是微机电式麦克风可耐受回焊炉的高温烧烤(Reflow Profile)。此一特性也使得许多工程师直接将微机电式麦克风称为回焊式麦克风(Reflow Microphones)。除此之外,它包装的设计也符合自动化取置(Automatic Pick-and-Place)装置的规格,使得手机制造商在生产组装时能省下相当可观的成本。

典型手机线路设计均直接将组件配置于按键之后(亦即机板正面为按键,按键下为手机组件)。而对于轻薄型手机而言,组件囿于空间限制必须配置于机板上相对于按键的反侧(亦即机板正面仅有按键,手机组件置于机板背面)。可是为达到最佳的收音效果,麦克风的收音孔最佳位置是在接近声源位置(使用者的嘴边),亦即是手机正面的按键下方,以期达到最短的声传路径设计。为同时满足这两个需求,我们将麦克风的收音孔设计于麦克风的底部,收音孔的周围配置焊接区(Solder Pads),利用焊锡与机板自然形成一坚实的收音路径,称之为底部收音式麦克风(Bottom-Port Microphone)。接着机板正面利用一个简单的气密垫圈与手机正面机壳的收音孔结合,如此即形成最短的收音路径,且同时将麦克风在手机中所需空间降至最低(在机板正面可说不需要任何空间)。因此,手机设计者可以有更多的空间可利用,无需对麦克风以及其收音路径造成的限制作任何的考量。

图3:利用底部收音式麦克风可将机板正面高度的需求降至最低。

结语

微机电科技已彻底改变麦克风在手机中的设计概念。由于其体积较传统电容式麦克风小,可与其它组件一起利用回焊锡炉组装的特性,使得它在现在日益轻薄的手机设计理念中日趋重要。而其简易的自动组装与其可随着新需求置入新功能集成电路(IC)的特性,更让它自然而然的成为手机设计时的最佳选择。微机电式麦克风将在新型手机设计中成为必然的主流。

作者:楼氏电子公司






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