Microfoane cu montare pe suprafaţă

23 OCTOMBRIE 2003

Microfoanele realizate în tehnologia MEMS oferă proiectanţilor noi orizonturi
de Jeffrey S. Niew, Knowles Acoustics

Inginerii sunt puşi în faţa unor numeroase încercări la proiectarea de produse electronice în jurul tradiţionalelor microfoane condensator electret (ECM). Knowles

Modalitatea de transport a microfoanelor Knowles Acoustics

Acoustics a dezvoltat un microfon cu montare pe suprafaţă bazat pe tehnologia MEMS care depăşeşte multe dintre obstacolele existente. în multiple aplicaţii microfonul SiSonic reprezintă o soluţie uşoară de proiectare şi conduce la scăderea costurilor de fabricaţie, fiind în acelaşi timp echivalent sau chiar mai bun din punct de vedere al performanţelor decât tradiţionalele ECM.
Produsele MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) folosesc procesele de fabricaţie robuste din industria semiconductoarelor pentru a crea o gamă largă de dispozitive electronice mai mici, mai fiabile şi mai ieftine. Pe scurt, MEMS reprezintă fabricaţia de structuri electromecanice cu ajutorul tehnologiei semiconductoarelor. în mod tradiţional, în dispozitivele semiconductoare se creează structuri electrice/electronice care conduc la realizarea circuitelor integrate. în contrast cu aceasta, MEMS transformă siliciul în elemente mecanice în mişcare. în ultimul deceniu acest proces a devenit extrem de util pentru multiple ramuri industriale. De exemplu, industria automobilelor foloseşte accelerometre MEMS pentru comanda airbag-urilor.

Cum lucrează microfonul MEMS?
Recente dezvoltări în cadrul proceselor MEMS au condus la fabricaţia de microfoane condensator ieftine, performante şi miniaturizate. în anumite aplicaţii microfonul MEMS oferă avantaje clare în raport cu microfoanele ECM tradiţionale. Pornind de la wafer-ul de siliciu materialele semiconductoare sunt depuse sau eliminate pentru realizarea unui condensator.

Microfonul MEMS prezintă o structură de elemente practic similară cu cea a microfonului cu electret convenţional. Diafragma flexiblă este în imediata vecinătate a armăturii fixe, formând un condensator. Când presiunea sunetului acţionează asupra diafragmei, aceasta se deplasează, modificând capacitatea dintre armături şi generând la ieşire un semnal electric.

Marea diferenţă dintre un microfon ECM şi unul fabricat în siliciu este legată de modul cum sarcina este menţinută pe armătura fixă. La ECM sarcina pe această armătură este introdusă (la tensiuni de 200 – 300V) în procesul de fabricaţie. Dacă din anumite motive sarcina se reduce sau se elimină, răspunsul dinamic al microfonului se degradează în mod rapid. în general acest lucru este cauzat de prezenţa în zonă a unei călduri excesive.
Acesta este motivul pentru care microfoanele ECM nu trebuie să lucreze la peste 85°C şi nu pot fi lipite pe placa de circuit imprimat prin procesele automate clasice de lipire a SMD-urilor. Un microfon realizat din siliciu nu are o sarcină iniţială la ieşirea din fabrică. Printr-o tensiune de 12V o sarcină electrică este “pompată” pe armătura fixă printr-un circuit CMOS. Chip-ul menţine această sarcină atâta timp cât microfonul este activat.
Microfoanele cu electret tradiţionale folosite în aplicaţii wireless portabile prezintă o sensibilitate mare datorită diafragmelor de mari dimensiuni (tipic 6 mm). Cu cât microfoanele ECM sunt de dimensiuni mai reduse, cu atât ele pierd mai mult din sensibilitate. Microfoanele SMD de la Knowles Acoustics menţin înalta sensibilitate (-42 dBV) cu toate că diafragma este de doar 0,5mm în diametru (funcţionarea se bazează pe o invenţie cu privire la realizarea unei diafragme cu flotaţie liberă). Dimensiunea redusă a diafragmei conduce la o miniaturizare şi o ieftinire a produsului deoarece mii de microfoane pot fi realizate dintr-un singur wafer de siliciu.

Problema încapsulării – o provocare a specialiştilor în tehnologie

Microfoane MEMS

Cerinţele de proiectare pentru capsula microfonului MEMS sunt într-o continuă schimbare în vederea obţinerii de microfoane mai mici, mai ieftine, cu o bună reproductibilitate la fabricaţia în masă, precum şi cu o flexibilitate corespunzătoare pentru a se adapta la noile proiecte. Mai mult, capsula trebuie să ofere protecţie la perturbaţiile de tip EMI (Electro-Magnetic Interference). Capsula dezvoltată de firma Knowles Acoustics îndeplineşte toate cerinţele, depăşind aşteptările în multiple cazuri. Ansamblul microfon (CMOS şi MEMS) este încapsulat în cadrul unor materiale compozite metalizate la suprafaţă pentru a crea o cuşcă Faraday. Condensatoarele de filtrare sunt montate pe substrat pentru protecţie la EMI. Această abordare oferă de asemenea flexibilitate de proiectare la schimbarea dimensiunilor capsulei, integrarea unei protecţii la umiditate utilizând circuite CMOS cu filtre, amplificatoare de semnal, convertoare A/D sau modificarea dimensiunii sau poziţiei portului acustic pentru creşterea performanţelor microfonului. Această capsulă lucrează la temperaturi de până la 100°C în mod continuu şi poate rezista la căldura degajată în timpul procesului de lipire de tip reflow în cadrul unei linii de producţie SMT tipice. Dacă un client solicită temperaturi mai înalte, Knowles Acoustics poate extinde domeniul temperaturilor de lucru şi stocare peste 100°C prin utilizarea de materiale de înaltă temperatură pentru substrat. încapsulat astfel, microfonul MEMS pe bază de siliciu produce un răspuns plat în domeniul audio de la 100Hz la 10kHz.
Trebuie menţionat că microfonul nu ar trebui să fie trecut prin procesul de spălare a plăcii după reflow deoarece există riscul ca soluţia de spălare să pătrundă în portul acustic. Unii clienţi încă îşi spală plăcile de cablaj imprimat după lipire în vederea eliminării fluxului în exces. Această practică a fost eliminată în liniile de asamblare PCB de mare volum prin utilizarea unor fluxuri de tip “no clean”.

Ce probleme trebuie să rezolve microfoanele pe siliciu?
Microfonul MEMS produs de Knowles Acoustics este de tip SMD. Deoarece microfoanele tradiţionale nu puteau fi lipite prin procesul reflow standard, au fost dezvoltate procese şi tehnici off-line în vederea asamblării manuale.

Ca exemple, se pot aminti:
lipire manuală pe PCB;
lipire manuală a microfonului pe un circuit flexibil, utilizând contacte aurite pe suportul flexibil pentru ataşarea la PCB-ul principal;
conectarea manuală a microfonului la un conector elastomeric şi interconectarea cu PCB prin presare;
introducerea manuală a microfonului în accesorii speciale şi interconectarea cu PCB prin presare.

Microfoane Knowles Acoustics

Trebuie spus că nici o abordare nu este ideală. în cazul lipirii manuale a microfonului, acesta trebuie testat acustic pentru a se avea siguranţa că nu a apărut nici o defecţiune a microfonului din cauza căldurii din cadrul procesului de lipire. Prin natura ei, lipirea “off-line” creşte costurile de fabricaţie. Multe din activităţile manuale implică suplimentar proceduri de rework asupra plăcii.
Microfonul pe siliciu de la Knowles Acoustics are dimensiuni reduse. Comparat cu microfoanele prezentând 6mm în diametru, acesta face o economie de spaţiu de mai mult de 20% pe faţa cu componente a plăcii, numită uzual “top”. Deoarece microfonul este SMD, el este plasat doar pe o singură faţă, spre deosebire de microfoanele clasice ECM care sunt dispozitive cu montare prin inserţie (THD). Mai mult, microfonul pe siliciu are o înălţime cu 30% mai mică decât microfoanele standard de 2,2mm utilizate astăzi în aparatura electronică.

În plus, microfonul Knowles Acoustics elimină o componentă importantă: conectorul. Se cunoaşte că introducerea manuală a microfonului în conector nu conduce totdeauna la o conexiune electrică fiabilă. Aceasta este o problemă importantă deoarece microfoanele produc un semnal neamplificat, de nivel redus.
Microfonul pe siliciu de la Knowles Acoustics este robust şi poate suporta temperaturi de până la 100°C. Microfoanele clasice nu pot depăşi temperatura de 85°C. Peste acest prag ECM pot să îşi piardă sarcina electrică şi sensibilitatea. în plus, microfonul pe siliciu este deosebit de rezistent la şocuri mecanice, avantaj major deoarece este cunoscut faptul că cele de tip ECM se defectează în cazul unor şocuri repetate. Microfonul pe siliciu este proiectat să reziste la un nivel ridicat de şocuri de până la 5.000Gs. Sensibilitatea la vibraţii a microfoanelor este datorată masei diafragmei. Deoarece microfonul pe siliciu are o diafragmă de masă mult mai redusă decât cel standard acesta fiind relativ puţin afectat de vibraţii. în aplicaţii portabile, cum ar fi telefoanele celulare, PDA-urile (PDA – Personal Digital Assistant), Palm-urile sau laptop-urile, vibraţiile pot avea un efect major asupra performanţelor acustice.

Aplicaţii optime pentru microfonul pe siliciu
Telefoanele celulare, PDA-urile, Palm-urile, laptop-urile, WAP-urile (WAP – web enabled phone) sau alte dispozitive audio reprezintă piaţa ţintă a microfoanelor MEMS prezentate în acest articol. Acestea sunt aplicaţii de mare volum care beneficiază din plin de avantajul acestui tip de microfoane SMD. Se evită astfel costurile adiţionale şi deloc de neglijat ale producătorilor de astfel de echipamente, costuri asociate prezenţei de componente suplimentare, procese off-line sau activităţi manuale. În interiorul acestor dispozitive spaţiul reprezintă o problemă esenţială. Fabricanţii continuă să crească funcţionalitatea scăzând în acelaşi timp dimensiunile. Un bun exemplu este un PDA. Interiorul său este uzual configurat, din punct de vedere geometric, la maximum şi în cazul în care fabricantul doreşte să adauge microfoane, unul de tip ECM va fi semnificativ mai dificil de încorporat decât unul MEMS.
Domeniul de temperatură, rezistenţa la şoc şi sensibilitatea la vibraţii afectează performanţele celor mai multe aparate electronice portabile. Când cineva lasă telefonul celular în maşină în timpul unei zile de vară iar ferestrele sunt închise, temperatura din habitaclu poate depăşi uşor 85°C, peste valoarea acceptată de microfoanele ECM, fapt ce poate conduce la potenţiale defectări ale acestui tip de microfon şi, în mod sigur, la scăderea fiabiliăţii. Nu trebuie omis nici neplăcutul eveniment de a scăpa jos un aparat electronic portabil. Majoritatea aparatelor portabile suferă de astfel de şocuri din când în când. în final, dar nu în cele din urmă, solicitarea continuă la vibraţii a aparaturii portabile poate afecta fiabilitatea microfoanelor ECM dar nu o afectează pe cea a microfoanelor MEMS pe siliciu.

Pentru mai multe informaţii puteţi contacta:
Yvonne O’Brien
Yvonne.OBrien@knowles.com
www.knowlesacoustics.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre