隨著科技與潮流的演進,新一代的手機朝著輕薄卻多工的方向前進,使得手機裡每個元件的空間也相對被壓縮。越來越多的折疊式手機面市,顯示了折疊式的手機已經蔚為風潮。由於折疊式手機的厚度正好為兩倍的實際機身厚度,所以手機元件的高度即決定了手機的厚度。
影響手機厚度的獨立而關鍵元件即是麥克風。有些手機在設計時便必須配合麥克風而特別改變機殼的造型,或是其機板(PCB)的設計。譬如最常見的小型電容式麥克風的尺寸為4mm高、1.5mm直徑(不含外加的橡膠氣密墊圈),這已經接近現行手機設計中(最大)與電容式麥克風本身(最小)的極限,但新型手機的設計已經無法滿足於這樣的尺寸限制了。
下一個世代的麥克風必定是屬於微機電式(MEMS)的。所謂的微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems),即是利用積體電路科技將微型機械與電子元件集成於矽晶面板的表面。對麥克風而言,即是將背極板(Back Plate)與振膜(Diaphragm)築於矽晶面板上,並以適當的電路連結。接著利用化學蝕刻的技術將振膜平整而單純地置於其基底(Substrate)上(如圖1),使其可隨聲音做完全的自由振動(Freely Vibration)。而振動的振膜與背極板之間形成的電場(也可說電容值)變化即產生電路上的電子信號。
微機電式麥克風擁有半導體製成而超越電容式麥克風的優點。例如,由樓氏電子公司(Knowles Acoustics)所研發的微機電式矽晶麥克風SiSonic即透過一組電泵(Charge Pump)元件提供背極板與振膜之間穩定的電場,同時使得麥克風的電源獨立出來,不至於受到不穩定或著含有雜訊的電源干擾。另外,微機電式麥克風採用預極式運作,因此不會像電容式麥克風般隨著駐極於背極板上電荷的變化而變化,因為電容式麥克風背極板上的駐極電荷易隨著濕度與時間做變化,而微機電式麥克風則在每次啟動時,利用電源重新產生穩定的電場。微機電式麥克風的輸出信號幾乎不隨電源的變化而變化。而由於其振膜的質量極輕,所以對外部振動的敏感度極低。同時,由於包裝結構的設計特性,使其在內部電路的延展應用上有很大的空間。像是放大電路,類比數位轉換與其他的應用都可以直接與其形成單一的麥克風包裝。
微機電式麥克風有兩個獨特的性質使得它成為輕薄型手機的絕佳選擇:極小的體積以及可耐受迴焊爐(Reflow Oven)的高溫。
微機電式麥克風與一般電容式麥克風其中一個最顯著的差異即是體積。微機電式麥克風的背極板與振膜大約是一般電容式麥克風十分之一的大小,(如圖2)。而這僅僅是第一代微機電式麥克風的大小即已經大約是電容式麥克風能達到的最小體積。隨著微機電式麥克風科技的日趨成熟,不可諱言地,微機電式麥克風將會是未來手機的最佳選擇。
另一個主要的差異就是微機電式麥克風可耐受迴焊爐的高溫燒烤(Reflow Profile)。此一特性也使得許多工程師直接將微機電式麥克風稱為迴焊式麥克風(Reflow Microphones)。除此之外,它包裝的設計也符合自動化取置(Automatic Pick-and-Place)裝置的規格,使得手機製造商在生產組裝時能省下相當可觀的成本。
典型手機線路設計均直接將元件配置於按鍵之後(即機板正面為按鍵,按鍵下為手機元件)。而對於輕薄型手機而言,元件囿於空間限制必須配置於機板上相對於按鍵的反側(即機板正面僅有按鍵,手機元件置於機板背面)。而為達到最佳的收音效果,麥克風的收音孔最佳位置是在接近聲源位置(使用者的嘴邊),意即手機正面的按鍵下方,以期達到最短的聲傳路徑設計。為同時滿足這兩個需求,我們將麥克風的收音孔設計於麥克風的底部,收音孔的周圍配置焊接區(Solder Pads),利用焊錫與機板自然形成一堅實的收音路徑,稱之為底部收音式麥克風(Bottom-Port Microphone)。接著機板正面利用一個簡單的氣密墊圈與手機正面機殼的收音孔結合,如此即形成最短的收音路徑,且同時將麥克風在手機中所需空間降至最低,因為在機板正面可說不需要任何空間(如圖3)。因此,手機設計者可以有更多的空間可利用,毋需對麥克風以及其收音路徑造成的限制作任何的考量。
微機電科技已徹底改變麥克風在手機中的設計概念。由於其體積較傳統電容式麥克風小,可與其他元件一起利用迴焊錫爐組裝的特性,使得它在現在日益輕薄的手機設計理念中日趨重要。而其簡易的自動組裝與其可隨著新需求置入新功能積體電路(IC)的特性,更讓它自然而然的成為手機設計時的最佳選擇。微機電式麥克風將在新型手機設計中成為主流。