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Hosiden KRM5603 - MEMS-Mikrofon

Hosiden KRM5603

Hosiden KRM5603

Das KRM5603 ist ein MEMS-Mikrofon der japanischen Firma Hosiden. Auf der Firmenwebsite werden folgende Kennwerten beworben:
Abmessungen: 3,5 × 2,65 × 0,98 mm
Empfindlichkeit: -34dB
Stromverbrauch: 680µA
SNR: 65dB
Verzerrung: 1,5% bei 125dBSPL

Besonders hingewiesen wird auf die geringer Toleranz der Empfindlichkeit von +/-1dB. Das Mikrofon besitzt einen PDM-Ausgang, der digital verarbeitet oder relativ leicht über eine Tiefpassfilterung in einen Analogwert zurückgewandelt werden kann.

Der Aufbau basiert auf einem Interposer. Diese kleine Platine wird von einem Metalldeckel abgedeckt. Die Öffnung für den Schalleintritt befindet sich auf der Unterseite des Packages. Es existieren alternative Varianten mit einer Öffnung im Metalldeckel.

 

Hosiden KRM5603

Ein genauer Blick durch die Schalleintrittsöffnung lässt bereits eine Wabenstruktur und eine Art kleines Loch erkennen.

 

Hosiden KRM5603 Aufbau

Hosiden KRM5603 Aufbau

Der aufgelötete Metalldeckel lässt sich nur schlecht mechanisch entfernen ohne die Bauteil im Inneren zu beschädigen. Starkes Erhitzen lässt zwar den Interposer degenerieren, ermöglicht es aber den Metalldeckel relativ einfach abzunehmen.

Der Baustein enthält ein Die, das das eigentliche MEMS-Mikrofon darstellt und ein weiteres Die, dass die Signalverarbeitung realisiert. Das MEMS-Mikrofon ist genau über der Bohrung im Interposers platziert, so dass Druckschwankungen darin aufgenommen werden. Außerdem befindet sich im Gehäuse ein Keramikkondensator. Ob dieser Kondensator die Versorgungsspannung puffert oder eine spezielle Aufgabe wahrnimmt lässt sich nicht herausfinden.

 

Hosiden KRM5603 ASIC

Das Die zur Verarbeitung der Signale ist mit vier Bonddrähten an das MEMS-Mikrofon angebunden. Üblicherweise handelt es sich dabei um ein Massepotential, ein Biaspotential und zwei differentielle Signalleitungen. Die enge Führung der rechten Bonddrähte und die symmetrisch erscheinende Schaltung auf dem Die lassen vermuten, dass es sich dabei um das differentielle Nutzsignal handelt. Das linke Bondpad könnte das Massepotential darstellen, da um das daneben liegende Bondpad eine größere Struktur erkennbar ist, die zur Erzeugung des Biaspotentials genutzt werden könnte. Die anderen Schaltungsblöcke lassen sich nicht sicher zuordnen. Es handelt sich üblicherweise um einen Verstärker, einen Analog-Digital-Wandler und eine nicht unerhebliche Signalverarbeitung.

 

Hosiden KRM5603 Mikrofon

Auf der Oberseite des anderen Dies befindet sich das runde, schallempfindliche Element. Es handelt sich üblicherweise um eine Membran, die von zwei luftdurchlässigen Gitterelektroden umgeben ist. Bewegt sich die Membran auf Grund der Schalldruckwellen, so erhöht sich die Kapazität zwischen der Membran und der einen Elektrode, während sich die Kapazität zwischen der Membran und der anderen Elektrode reduziert.

Rechts unten ist relativ klar das Massepotential zu erkennen, das massiv das Die kontaktiert. Die drei folgenden Bondpads kontaktieren die drei Schichten des Mikrofons. Die Übegänge von der Metalllage zur gewünschten Schicht zeigen unterschiedliche Tiefen. Demnach kontaktiert das Bondpad oberhalb des Massepotential die mittlere Membran und überträgt folglich das Biaspotential. Die oberen Bondpads scheinen die Schichten oberhalb und unterhalb der Membran zu kontaktieren, was zur angenommenen Funktionsweise passen würde.

Die Funktion der Kontaktierung in der linken oberen Ecke lässt sich nicht endgültig klären. Die Metalllage scheint hier alle drei Ebenen zu verbinden. Es könnte sich um einen Überspannungsschutz handeln, schließlich erhöht sich die Spannung eines geladenen Kondensators, wenn der Abstand seiner Elektroden sich vergrößert. Eine starke Druckwelle könnte so durchaus eine Spannungsspitze erzeugen, die das Potential hat die Auswerteelektronik zu beschädigen.

Das Loch in der Mitte der Membran dient vermutlich dem Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinneren und der Umgebung.
Rechts oberhalb des Lochs ist die äußerst dünne Membran leicht beschädigt.

 

Hosiden KRM5603 Mikrofon Detail

Die Löcher in der oberen Elektrode sind gerade noch zu erkennen.

 

Hosiden KRM5603 Mikrofon

Die sehr dünne Membran reißt sehr schnell. Die Überreste der Membran zeigen noch einmal etwas deutlicher den Aufbau: Oben und unten befindet sich eine Gitterelektrode. Zwischen den beiden Elektroden ist eine Membran platziert, die sich abhängig vom Schalldruck minimal bewegt.

 

Hosiden KRM5603 Mikrofon

Seitlich betrachtet scheint das Die aus zwei Teilen zu bestehen. 

 

Hosiden KRM5603 Mikrofon Detail

Auf der Unterseite des Dies befindet sich eine schlichte, zylindrische Öffnung, die ungefähr den Durchmesser der Membran hat. Hier sind die Löcher der unteren Elektrode zu erkennen.

 

Hosiden KRM5603 Mikrofon Detail

Der Zylinder ist auf der Innenseite absolut glatt. Da keine Kante der zwei Silizium-Dies zu erkennen ist, muss der Zylinder zuletzt in das Die eingearbeitet worden sein. Es stellt sich die Frage warum überhaupt zwei Dies notwendig waren. Am wahrscheinlichsten erscheint es, dass für eine optimale Druckwellenausbreitung und -wechselwirkung eine gewisse Membranhöhe notwendig ist, die sich mit den üblichen MEMS-Herstellungsprozessen nicht vereinbaren lässt. Die naheliegendste Lösung ist es dann die Membran auf einem dünnen Wafer aufzubauen und danach auf einen weiteren Wafer zu befestigen. Den Zylinder von der Rückseite her an der richtigen Stelle heraus zu ätzen dürfte nicht einfach gewesen sein.

 

Hosiden KRM5603 Größenvergleich

Der Größenvergleich mit einer CR2032-Knopfzelle zeigt wie klein das Mikrofon ist.

 

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