CN106341764B

CN106341764B - 微机械声转换器装置以及相应的制造方法

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Publication number: CN106341764B
Application number: CN201510530178.1A
Authority: CN
Inventors: C·谢林; B·施泰因; R·舍本; M·斯顿伯; T·卢茨
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2020-12-01
Anticipated expiration: 2035-07-10
Also published as: CN106341764A

Abstract

本发明涉及一种微机械声转换器装置和一种相应的制造方法。所述微机械声转换器装置包括具有前侧和背侧的衬底，其中衬底具有在背侧和前侧之间延伸的贯通开口，以及具有构造在前侧上的具有线圈轴线的线圈装置，所述线圈轴线基本上平行于前侧延伸，其中线圈装置至少部分跨越贯通开口。此外设置磁体装置，其如此设置，使得通过所述磁体装置可以产生穿过线圈装置的轴向磁通量。所述线圈装置具有绕组装置，所述绕组装置至少具有由低维的导电材料层构成的第一绕组区段，其中线圈装置如此构造，使得其能够感应地检测和/或产生声。

Description

微机械声转换器装置以及相应的制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机械声转换器装置以及一种相应的制造方法。

背景技术

尽管原则上可应用于任何微机械声转换器装置、例如扬声器和麦克风，但是本发明和本发明所基于的问题借助基于硅的微机械麦克风装置来阐述。

微机械麦克风装置通常具有集成在一种MEMS芯片上的声转换器装置，以便将声能转换成电能，其中可以通过声能偏转的第一电极与固定的、打孔的第二电极容性地共同作用。第一电极的偏转通过第一电极前方和后方的声压的差确定。如果偏转发生变化，则通过第一电极和第二电极构成的电容器的电容发生变化，这可以测量技术地检测出。

长久以来，已经已知带式麦克风。它们借助感应的工作原理工作，其中膜片的偏转引起穿过线圈装置的磁通量的变化，这又在线圈装置中感应出电压。

通过感应出相应于所感应的电压的电流，取消产生和调节容性的作用原理的高运行电压的必要性，这通过产生高压的电路部件的取消引起功率消耗的明显降低和成本降低。

与容性的作用原理相比，由此得到多个优点。因此，能够实现带式麦克风的方向相关性，因为存在作为压差式麦克风运行的可能。由于其小的功率消耗，感应的原理能够实现永久接通功能性和唤醒的功能性。灵敏度借助带长度和带数量来标度，而不是如在容性的原理中那样借助偏转面积来标度。因此，在没有性能损耗的情况下不能使容性的MEMS麦克风变小。此外，由于有振动能力的材料的小的质量，所以存在增大的机械稳健性。

由US 6,434,252 B1和WO 2006/047048 A2已知带式麦克风，其中位于磁场中的带通过声波引起振动，由此在带中感应出电压。

US 8,031,889 B2公开了一种微型化的带式麦克风，其具有低的灵敏度，因为线圈构造在一个平面中并且仅仅通过垂直方向上的偏转分量感应出电压。

发明内容

本发明创造一种声转换器装置和相应的制造方法，其中，所述声转换器装置具有：具有前侧和背侧的衬底，其中，所述衬底具有在所述背侧和所述前侧之间延伸的贯通开口；构造在所述前侧上的具有线圈轴线的线圈装置，所述线圈轴线平行于所述前侧延伸，其中，所述线圈装置至少部分跨越所述贯通开口；磁体装置，其如此设置，使得通过所述磁体装置能够产生穿过所述线圈装置的轴向磁通量；其中，所述线圈装置具有绕组装置，所述绕组装置具有至少第一绕组区段，所述第一绕组区段由低维的导电材料层构成，其中，第二绕组区段与所述第一绕组区段连接，所述第二绕组区段垂直于所述前侧延伸，其中，第三绕组区段与所述第二绕组区段连接，所述第三绕组区段与所述前侧平行地与所述第一绕组区段间隔开地延伸；其中，所述线圈装置如此构造，使得其能够感应地检测和/或产生声。

优选的扩展方案是在下面说明。

发明优点：

本发明创造一种非常省电的、微型化的且灵敏的微机械声转换器装置。所述声转换器装置具有低的电流消耗，因为不发生有源的运行。根据本发明的微机械声转换器装置尤其适于具有唤醒功能的永久接通应用。能够实现更小的声转换器装置，因为标度方法区别于容性的作用原理的标度方法。由于低维的能导电的带材料的小的质量能够实现大的动态范围。

通过在带的静止位置附近放置可磁化的层的可能性，在带的偏转时大的磁通量和因此穿过线圈装置的大的磁通量变化能够实现穿过线圈装置的大的磁通量。所使用的新式的低维材料能够在同时高的断裂应力时实现最小的刚性。此外，低维材料的小的质量密度也能够实现非常大动态的测量范围、尤其直至高频率。

根据一种优选的扩展方案，低维的导电材料是一维或二维的。所述材料能够不易折断且高弹性地构造。

根据另一种优选的扩展方案，从以下组中选择低维的导电材料：石墨烯、硅烯、碳纳米管、碳纳米带、五氧化二钒、二硫属化物(Dichalkogenide)、尤其二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛、二硫化钼。可以好地控制所述材料的析出过程(Abscheidungsprozesse)。

根据另一种优选的扩展方案，线圈装置的第一绕组区段是条带状的并且跨越贯通开口

因此，能够覆盖大的区域并且达到相应的高的灵敏度。为了达到尽量高的灵敏度，带上的空气泄漏应当尽可能少，即具有一个共同的流体流入孔的两个带之间的间距必须尽可能小，并且带应当完全横向跨越流体流入孔。

根据另一种优选的扩展方案，贯通开口上的第一绕组区段基本上平行于前侧。这提供通过所出现的声压的最大的可偏转性。

根据另一种优选的扩展方案，第一绕组区段延伸直至到贯通开口在前侧上的外围中。因此，能够设置稳定的固定。

根据另一种优选的扩展方案，将第一绕组区段施加在跨越贯通开口的膜片区域上。这提高滞止压力(Staudruck)并且因此提高动态。膜片区域可以由低维的不能导电的材料、例如六角氮化硼构成。

根据另一种优选的扩展方案，第二绕组区段与第一绕组区段连接，它们基本上垂直于前侧延伸，其中第三绕组区段与第二绕组区段连接，它们基本上与前侧平行地与第一绕组区段间隔开地延伸。这种几何学可以有利地制造。

根据另一种优选的扩展方案，第二和第三绕组区段由与低维的导电材料不同的材料制造。例如支持稳定性的刚性的金属适合于此。

根据另一种优选的扩展方案，第三绕组区段具有用于声穿过的穿孔。因此，能够降低第一绕组区域后方的滞止压力。

根据另一种优选的扩展方案，衬底借助其背侧安装在具有承载开口的承载部上，其中所述承载开口与贯通开口流体连通，其中在前侧上在承载部上安置盖部，所述盖部限定封闭的背侧容积。所述背侧容积减小不期望的衰减效果。

根据另一种优选的扩展方案，所述磁体装置以线圈轴线的方向布置在衬底上的前侧上并且被磁化。这种布置能够简单地制造并且提供穿过线圈的大的磁通量。

根据另一种优选的扩展方案，所述磁体装置以线圈轴线的方向集成在盖部的壁中。这降低制造耗费。

根据另一种优选的扩展方案，背侧上的贯通开口具有空腔和与所述空腔连接的贯通孔(Durchgangsloch)。因此，可以构成适合的前侧容积以提高灵敏度。

附图说明

以下借助在附图中示出的实施例进一步阐述本发明。

附图示出：

图1a)-c)：根据本发明的第一实施方式的微机械声转换器装置的示意图，即图1a)是第一垂直剖面图，图1b)是沿着线条A-A'的第二垂直剖面图，图1c)是俯视图；

图2：根据本发明的第二实施方式的微机械声转换器的示意性垂直剖面图；

图3：根据本发明的第三实施方式的微机械声转换器的示意性垂直剖面图。

具体实施方式

在附图中，相同的参考标记表示相同或功能相同的元件。

图1a)-c)示出根据本发明的第一实施方式的微机械声转换器装置的示意图，即图1)是第一垂直剖面图，图1b)是沿着线条A-A'的第二垂直剖面图，图1c)是俯视图。

在图1a)-c)中，参考标记1表示具有前侧VS和背侧RS的衬底，其例如由半导体材料(例如硅)、玻璃或者陶瓷构成。衬底1具有在背侧RS和前侧VS之间延伸的贯通开口K、FZ，所述贯通开口在所述背侧上包括空腔K和与所述空腔连接的贯通孔FZ。这种衬底几何学能够通过已知的背侧蚀刻借助相应的蚀刻停止层构造。

例如由氧化物构成的绝缘层I位于前侧VS上在贯通孔FZ的外围中。在所述绝缘层I上方构造具有线圈轴线X的线圈装置SA，所述线圈轴线基本上平行于前侧VS延伸，其中所述线圈装置SA跨越贯通开口K、FZ的贯通孔FZ。所述线圈装置具有绕组装置，所述绕组装置具有多个绕组W1、W2、W3、W4，它们具有第一绕组区段N1、N2、N3，所述第一绕组区段由至少一个低维的导电材料层构成。

所述低维的导电材料例如是石墨烯、硅烯、五氧化二钒、碳纳米管、碳纳米带、二硫属化物、尤其二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛、二氧化钼等。

所述第一绕组区段N1、N2、N3固定在前侧VS上在绝缘层I上并且几乎完全覆盖贯通孔FZ，除各个绕组W1、W2、W3、W4之间的小的间隙S1、S2、S3以外。

第二绕组区段VA与第一绕组区段N1、N2、N3连接，它们基本上垂直于前侧VS延伸，而第三绕组区段HA与第二绕组区段VA连接，它们基本上与前侧VS平行地与第一绕组区段N1、N2、N3间隔开地延伸。由此，限定线圈装置SA的开口O。第二和第三绕组区段VA、HA的材料由与低维的导电材料不同的材料、例如金属、如镍制造。这种线圈几何学可以通过与牺牲层过程结合的沉积过程来制造。

在线圈装置SA在线圈轴线X方向上的纵向端部处构造永磁体区域M1、M2，它们产生穿过线圈装置SA的轴向磁通量F。所述永磁体区域M1、M2可以通过相应的永磁材料或者铁磁材料的沉积和随后的结构化来制造。

如果声SC通过贯通开口K、FZ，则第一绕组区段N1、N2、N3可以通过所述声SC偏转，并且在线圈装置SA中感应出相应的电压，其分接到与线圈装置SA的端部连接的连接盘P1、P2上。在本实施例中，第一、第二和第三绕组区段N1、N2、N3、VA、HA条带状地构造，以便它们能够以小的间隙S1、S2、S3覆盖大的区域。这提高声转换器装置的灵敏度。

相应的分析处理ASIC没有示出并且例如也可以集成在所述衬底上或者集成在分离的芯片中。

图2示出根据本发明的第二实施方式的微机械声转换器装置的示意性垂直剖面图。

在根据图2的第二实施方式中，衬底1根据第一实施方式构型，其中线圈装置SA仅仅示意性示出并且安置在具有承载开口TL的承载部TR上，其中所述承载开口与所述贯通开口流体连通，使得声SC可以从外部通过承载开口TL和贯通开口K、FZ到达线圈装置SA。在承载部TR上的前侧VS上安置盖部D，所述盖部在前侧VS上限定封闭的背侧容积BV。这种背侧容积BV有利于降低不期望的衰减效果。同样，在线圈轴线X的方向上示出永久磁化。

在所述实施方式中，磁体装置M1'、M2'以线圈轴线X的方向集成在盖部D的壁DW中，例如通过相应的铁磁材料的嵌入。

附加地在第二实施方式的衬底1中示出与衬底1的前侧上的键合区域B的贯通接通DK，所述贯通接通可以用于建立与承载部TR的电连接。

图3示出根据本发明的第三实施方式的微机械声转换器装置的示意性垂直剖面图。

在根据图3的第三实施方式中，绝缘层标记有参考标记1'。所述绝缘层在贯通开口K、FZ的贯通孔FZ上构造膜片区域M，所述膜片区域跨越贯通孔FZ。在所述实施方式中，第一绕组区段N1、N2、N3由所述膜片区域M承载，其中膜片区域M可以通过声SC偏转。因此，对于声SC可以产生更大的滞止压力。在所述实施方式中，绕组W2'、W3'的第三绕组区段HA'附加地设置有用于声通过的穿孔L1至L6，这减小在膜片部分M后方构成的滞止压力，从而提高动态。

否则，第三实施方式与第一实施方式相同地构造。

尽管以上根据优选实施例完整地阐述了本发明，但其并不局限于此，而是能够以多种方式方法调整。

所示出的几何学和材料尤其仅仅是示例性的并且可以根据应用几乎任意改变。

尽管在以上的实施方式中磁体装置由铁磁材料组成，但其并不局限于此，而是也可以通过电磁性线圈装置来实现。

本发明并不局限于麦克风，而是可以应用于其他声转换器、例如扬声器。

Claims

1.一种微机械声转换器装置，其具有：

具有前侧(VS)和背侧(RS)的衬底(1)；

其中，所述衬底(1)具有在所述背侧(RS)和所述前侧(VS)之间延伸的贯通开口(K，FZ)；

构造在所述前侧(VS)上的具有线圈轴线(X)的线圈装置(SA；SA')，所述线圈轴线平行于所述前侧(VS)延伸，其中，所述线圈装置(SA；SA')至少部分跨越所述贯通开口(K，FZ)；

磁体装置(M1，M2；M1'，M2')，其如此设置，使得通过所述磁体装置能够产生穿过所述线圈装置(SA；SA')的轴向磁通量(F)；

其中，所述线圈装置(SA；SA')具有绕组装置(W1，W2，W3，W4；W1'，W2'，W3'，W4')，所述绕组装置具有至少第一绕组区段(N1，N2，N3)，所述第一绕组区段由低维的导电材料层构成，其中，第二绕组区段(VA)与所述第一绕组区段(N1，N2，N3)连接，所述第二绕组区段垂直于所述前侧(VS)延伸，其中，第三绕组区段(HA；HA')与所述第二绕组区段(VA)连接，所述第三绕组区段与所述前侧(VS)平行地与所述第一绕组区段(N1，N2，N3)间隔开地延伸；

其中，所述线圈装置(SA；SA')如此构造，使得其能够感应地检测和/或产生声(SC)。

2.根据权利要求1所述的微机械声转换器装置，其中，所述低维的导电材料是一维或二维的。

3.根据权利要求1或2所述的微机械声转换器装置，其中，从以下组中选择所述低维的导电材料：石墨烯、硅烯、碳纳米管、碳纳米带、五氧化二钒、二硫属化物、二氧化钼。

4.根据权利要求1或2所述的微机械声转换器装置，其中，所述第一绕组区段(N1，N2，N3)是条带状的并且跨越所述贯通开口(K，FZ)。

5.根据权利要求4所述的微机械声转换器装置，其中，所述第一绕组区段(N1，N2，N3)在所述贯通开口(K，FZ)上与所述前侧(VS)平行地延伸。

6.根据权利要求4所述的微机械声转换器装置，其中，所述第一绕组区段(N1，N2，N3)延伸直至到所述贯通开口(K，FZ)在所述前侧(VS)上的外围中。

7.根据权利要求5或6所述的微机械声转换器装置，其中，所述第一绕组区段(N1，N2，N3)施加在跨越所述贯通开口(K，FZ)的膜片区域(M)上。

8.根据权利要求1或2所述的微机械声转换器装置，其中，所述第二和第三绕组区段(VA；HA，HA')由与所述低维的导电材料不同的材料制造。

9.根据权利要求1或2所述的微机械声转换器装置，其中，所述第三绕组区段(HA')具有用于声通过的穿孔(L1-L6)。

10.根据权利要求1或2所述的微机械声转换器装置，其中，所述衬底(1)借助其背侧(RS)安置在具有承载开口(TL)的承载部(TR)上，其中，所述承载开口(TL)与所述贯通开口(K，FZ)流体连通，其中，在所述前侧(VS)上在所述承载部(TR)上安置盖部(D)，所述盖部限定封闭的背侧容积(BV)。

11.根据权利要求1或2所述的微机械声转换器装置，其中，所述磁体装置(M1，M2)以线圈轴线(X)的方向布置在所述衬底(1)上的前侧(VS)上。

12.根据权利要求10所述的微机械声转换器装置，其中，所述磁体装置(M1'，M2')以所述线圈轴线(X)的方向集成在所述盖部(D)的壁(DW)中。

13.根据权利要求1或2所述的微机械声转换器装置，其中，所述贯通开口(K，FZ)在所述背侧(RS)上具有空腔(K)和与所述空腔连接的贯通孔(FZ)。

14.根据权利要求3所述的微机械声转换器装置，其中，所述二硫属化物是二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛。

15.一种用于制造微机械声转换器装置的方法，所述方法具有以下步骤：

提供具有前侧(VS)和背侧(RS)的衬底(1)；

构造在所述背侧(RS)和所述前侧(VS)之间延伸经过所述衬底(1)的贯通开口(K，FZ)；

构造在所述前侧(V)上的具有线圈轴线(X)的线圈装置(SA；SA')，所述线圈轴线平行于所述前侧(VS)延伸，其中，所述线圈装置(SA；SA')至少部分跨越所述贯通开口(K，FZ)，其中，所述线圈装置(SA；SA')具有绕组装置(W1，W2，W3，W4；W1'，W2'，W3'，W4')，所述绕组装置具有至少第一绕组区段(N1，N2，N3)，所述第一绕组区段由至少一个低维的导电材料层构成，其中，第二绕组区段(VA)与所述第一绕组区段(N1，N2，N3)连接，所述第二绕组区段垂直于所述前侧(VS)延伸，其中，第三绕组区段(HA；HA')与所述第二绕组区段(VA)连接，所述第三绕组区段与所述前侧(VS)平行地与所述第一绕组区段(N1，N2，N3)间隔开地延伸；

布置磁体装置(M1，M2；M1'，M2')，通过所述磁体装置能够产生通过所述线圈装置(SA；SA')的轴向磁通量(F)；

其中，如此构造所述线圈装置(SA，SA')，使得所述线圈装置能够感应地检测和/或产生声(SC)。