原创 硅MIC的工作原理

在2004年，消费性电子产品诸如：行动电话、数字式个人助理(PDA)、数字相机以及MP3播放器等，已使用超过十亿组麦克风。这些产品大部份均使用传统的电容式麦克风(ECM)，而由于这种麦克风不耐高温的特性，生产时需要搭配各种不同零件并加以人工组装。有鉴于此，楼氏电子(Knowles Acoustics)率先推出一种优于传统电容式麦克风特性，以微机电(MEMS)技术为主的硅晶麦克风－SiSonic。SiSonic具有耐高温与适用于无铅制程的特性，使其成为自动化生产的最佳选择。
微机电(MEMS)核心技术与漂浮式(free-floating)振膜
为达到大量生产消费性电子产品稳定表现的需求，SiSonic的设计采用微机电技术为核心。同时，楼氏电子为了稳定音质并减少失真，导入漂浮式(free-floating)振膜的技术。如下图一，在整张振膜只保留一个供传导电荷所需的接点。
图一：漂浮式(free-floating)式振膜，利用微机电蚀刻技术在整张振膜上只留下一个接点，其周围有36个支撑柱。
SiSonic麦克风的振膜利用周围的36个支撑柱为支撑，而非传统的黏贴方式。因而，其振膜依靠在微机电蚀刻结构上仍可自由移动。振膜的厚度仅有一微米，有效直径为560微米。在11伏特的驱动电压下产生的静电场造成振膜与背极板(back plate)间分离的距离为4微米，并产生0.5微微法拉(pF)的电容值。图二为微机电结构设计的剖面图。
图二：SiSonic麦克风微机电结构设计剖面图
在所有其它的变量都固定之情形下，剩下的只有振膜的厚度与振膜与支撑柱之间的距离。因此，麦克风的灵敏度可简单的由改变支撑柱的蚀刻来控制。
互補金屬氧化半導體(CMOS)线路
SiSonic麦克风的互補金屬氧化半導體(CMOS)线路包括了：偏压电源、低阻抗放大器(整流器)。偏压电源供给振膜11伏特的电源(如同高阶电容式麦克风的原理)。由于没有任何的电荷存于其中，因此即便处于高温的环境下也不影响其灵敏度；这也是表面固定式组件(SMD)的必要条件。 电压整流器可在电源变化时提供稳定的电源给麦克风，在1.5到5伏特范围内变化的电源将不造成麦克风灵敏度任何的变化。在电源因不同原因造成的调变情形下(例如射频调变)整流器仍将提供稳定的电源。SiSonic的電源供應抑制率(Power Supply Rejection Ratio)为-30dB；相较于传统电容式麦克风的-2dB而言有相当大的优势。 
图三：在微机电印模(MEMS die)上互補金屬氧化半導體(CMOS)线路包括了偏压电源、低阻抗放大器(整流器)。
SiSonic麦克风的封装技术
封装技术是SiSonic麦克风设计上的一大挑战。除了体积大小与其成本考量之外，稳定且高良率的生产技术更是困难但必要的因素。底层的印刷线路板(PCB FR4)周围包含了各个接点，上方的导电墙壁必须与下方的印刷线路版完全密合，并于墙角内侧加上导电银胶，使得封装形成一个完整的防护面。此封装可抵抗摄氏100度的恒温，以及自动化生产时通过锡炉的标准环境(摄氏260度，30秒)。
图四：微机电冲模(MEMS die)与互補金屬氧化半導體(CMOS)线路(黑胶覆盖者)与滤波电容器在印刷线路板(PCB FR4)上的排列组合
性能表现与技术资料
SiSonic麦克风在测试中表现出与传统电容式麦克风同样的性能。尽管其振膜面积只比最先进的4厘米电容式麦克风小4%，其标准自身噪音却仅有37dB。SiSonic麦克风的灵敏度中心值为-42dBV(0dB=1V/Pa)；图五为其典型的频率响应图(从10Hz到10kHz)。
图五：SiSonic麦克风典型的频率响应图(10Hz到10kHz)
由于SiSonic麦克风振膜的轻量化及其周围有限的空间设计，使其对振动的敏感度极低。由图六可看出SiSonic麦克风(直接固定于PCB上)与标准6厘米电容式麦克风(有/无橡胶护罩)在振动噪音灵敏度上的比较。
图六：SiSonic麦克风(黑色线，直接固定于PCB上)与标准6厘米传统电容式麦克风(灰色线，无橡胶护罩；淡灰色线，有橡胶护罩)在振动噪音灵敏度
实验结果显示传统电容式麦克风在加上橡胶护罩后仅仅只有改善频率为1 KHz以下的振动噪音灵敏度；在2~5 KHz的频段反而由于共振频率的缘故产生了一个特别明显的谐振；而这个频段正好落在人类语音频带的上半部。SiSonic麦克风则明显表现的比传统电容式麦克风来的好(优于无橡胶护罩约10dB；有橡胶护垫的6dB以上)。
结语
楼氏电子所研发的SiSonic硅晶麦克风，由于其为表面固定式组件(SMD)与可过标准锡炉(reflowable)的特性，使其成为大量生产消费性电子产品的最佳选择。除了可完全自动生产组装所带来的成本降低外，其低震动灵敏度的特性使其可应用于所有的手持式电子设备；例如：手机、数字式个人助理(PDA)、数字相机以及MP3录放音机等。在每次开关机(供电)后SiSonic麦克风便重新提供稳定的灵敏度与频率响应。SiSonic的高電源供應抑制率(Power Supply Rejection Ratio)能将电源受不同调变信号所造成的影响降至最低；此一技术在新世代多功能手机的设计上更将显其重要性。