DE10026474A1 - Wandler mit halbleitender Membran - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wandler mit einer Membran, insbesondere einen elektroakustischen Wandler mit einer Membran (4), wie insbesondere ein Mikrofon, einen Lautsprecher oder einen Kopfhörer. Um solche Wandler konstruktiv einfacher gestalten zu können und eine bessere Langzeitstabilität und eine größere Feuchteunempfindlichkeit zu erreichen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Membran (4) wenigstens teilweise aus halbleitendem Material hergestellt ist. Dadurch wird erreicht, dass die Membran neben der eigentlichen mechanischen Funktion auch weitere Funktionen übernehmen kann, indem beispielsweise Verstärkerelemente (42) oder andere elektronische Bauelemente (43-47) auf und/oder in der Membran integriert sind. Die Erfindung kann vorteilhaft auch bei anderen Wandlern, wie beispielsweise elektrodynamischen, elektromagnetischen oder orthodynamischen Wandlern und bei Sensoren, die entsprechende Membranen aufweisen, eingesetzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wandler mit einer Membran, insbesondere einen elektroakustischen Wandler wie beispielsweise ein Mikrofon oder einen Lautspre­ cher. Daneben betrifft die Erfindung auch als Sensoren eingesetzte Wandler, wie beispielsweise einen Beschleunigungssensor oder einen Dehnungsmesssensor.

Kapazitive elektroakustische Wandler, insbesondere Mikrofone, Lautsprecher und Kopfhörer, bestehen meist aus einer oder zwei feststehenden Gegenelektroden und einer beweglichen, schwingfähigen Membran. Ein solches Mikrofon ist beispiels­ weise aus der DE 197 42 249 A1 bekannt. Die Membran besteht dabei zumeist aus Metall oder einer mit einer elektrisch leitfähigen Schicht bedampften Kunst­ stofffolie.

Kapazitive Mikrofone weisen einen direkt dem elektroakustischen Wandler zugeord­ neten Verstärker auf. Zur Erzielung eines möglichst niedrigen Rauschens, einer störsicheren Übertragung und einer niedrigen unteren Übertragungsfrequenz muss der Verstärker einen sehr hohen Eingangswiderstand haben. Meist wird ein erster Verstärker in Impedanzwandlerschaltung mit einer Verstärkung kleiner oder gleich 1 betrieben. Zur sicheren elektrischen Übertragung wird noch ein zweiter Ver­ stärker nachgeschaltet, der die eigentliche Verstärkung übernimmt und das Signal aufbereitet.

Bei kapazitiven Wiedergabewandlern wie einem Lautsprecher oder einem Kopfhörer ist zum Betrieb eine hohe Signalspannung notwendig. Für einen effektiven Betrieb ist es deshalb sinnvoll, den Verstärker so nahe wie möglich an den kapazitiven elektoakustischen Wandler zu bringen. Ein solcher kapazitiver Wiedergabewandler ist beispielsweise aus der DE 43 29 991 A1 bekannt.

Zum verzerrungsarmen Betrieb benötigen kapazitive Wandler eine statische Vor­ spannung. Diese muss entweder aus der Versorgungsspannung des Wandlers gewonnen werden oder im Falle eines Elektretwandlers (z. B. eines Elektretmikro­ fons) in eine elektretisierbare Schicht eingeprägt werden.

Ein Beispiel für Kondensatormikrofone nach dem Niederfrequenzbetrieb ist das TLM 103 der Firma Georg Neumann, bei dem der Impedanzwandler und Verstärker in unmittelbarer Nähe des elektroakustischen Wandlers angeordnet ist. Eine andere Ausführungsform sind Elektretmikrofone, z. B. das K6-System der Firma Senn­ heiser. Dabei sind der elektroakustische Wandler und der Impedanzwandler in einem gemeinsamen Kapselgehäuse angeordnet, während der nachfolgende Ver­ stärker in einem zweiten Gehäuse untergebracht ist. Diese Trennung ist jedoch nicht zwingend; es gibt eine Vielzahl anderer Elektretmikrofone, bei denen sich sowohl der Impedanzwandler als auch der Vorverstärker in einem gemeinsamen Mikrofongehäuse befinden.

Allen bekannten Ausführungsformen gemeinsam ist der hohe konstruktive Auf­ wand, der sowohl die richtige Dimensionierung des Impedanzwandlers als auch den mechanischen Aufbau betrifft. Insbesondere ist auf extrem hochohmige Isolierung zu achten, aber ebenso auf Feuchteunempfindlichkeit, Auswahl des Kontaktmater­ als, so dass möglichst wenig Rauschen entsteht, und der Auswahl der Leiter­ platten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen langzeitstabilen, feuch­ teunempfindlichen Wandler zu schaffen, der mit geringerem konstruktionstechni­ schem Aufwand hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Membran wenig­ stens teilweise aus halbleitendem Material hergestellt ist. Dabei können nur ein­ zelne Bereiche der Membran, z. B. eine oder beide Oberflächen oder bestimmte Randbereiche aus halbleitendem Material bestehen, oder es kann auch die Mem­ bran komplett aus halbleitendem Material hergestellt sein. Bei einer nur teilweise aus halbleitendem Material bestehenden Membran kann die Membran selbst gegenüber den bekannten Membranen weitgehend unverändert bleiben und aus den üblichen Materialien hergestellt sein, wobei dann eine Halbleiterschicht bei­ spielsweise aufgedampft sein kann.

Die aus halbleitendem Material bestehenden Teile der Membran können auf verhält­ nismäßig einfache Weise mit bekannten Methoden der Mikromechanik hergestellt werden. Insbesondere die im Bereich der Herstellung von Halbleiterbauelementen gewonnenen Erkenntnisse und die Möglichkeiten, immer feinere Strukturen her­ stellen zu können, können vorteilhaft bei der Herstellung der halbleitenden Teile der Membran verwendet werden. Bevorzugt werden die halbleitenden Teile der Mem­ bran erfindungsgemäß aus Silizium oder einer Siliziumverbindung hergestellt. In Betracht kommen jedoch auch spezielle Kunststoffe mit Halbleitereigenschaften, die zunehmend für die Herstellung einfacher Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, oder bionische Materialien mit Halbleitereigenschaften, wobei die Auswahl des Materials unter Berücksichtigung der eigentlichen Funktion der Membran, z. B. Schwingungsfähigkeit oder Dehnfähigkeit, erfolgen kann.

Neben der mechanischen Funktion, die die Membran bei den bekannten Wandlern ausschließlich hat, nämlich eine äußere Einflussgröße wie einen mechanischen Druck, eine Bewegung oder eine Dehnung in eine elektrische Messgröße umzuwan­ deln, kann die Membran erfindungsgemäß auch weitere Funktionen übernehmen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb minde­ stens ein elektronisches Halbleiterbauelement unmittelbar auf oder in der Membran, beispielsweise im Randbereich oder im Befestigungsbereich der Membran, inte­ griert. An den gewünschten Stellen wird die Membran bei der Herstellung mit halbleitendem Material versehen. Diese Integration erfolgt bei der Herstellung der Membran nach den bekannten Verfahren der Herstellung von Halbleiterbauelemen­ ten. So können beispielsweise Verstärker, Impedanzwandler, Elemente zur Signal­ verarbeitung, Speicherelemente, Sende- und/oder Empfangselemente wie z. B. Antennen, Analog-Digital-Wandlerelemente oder sonstige Bauelemente in die Membran integriert sein. Dies ist zunehmend möglich aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung derartiger Bauelemente und der Beherrschung der entsprechenden Herstellungsverfahren.

Bevorzugt sind alle für die Verarbeitung und Übertragung des von dem Wandler erzeugten oder vom Wandler zu verarbeitenden elektrischen Signals notwendigen Bauelemente auf oder in der Membran integriert, so dass nur noch wenige oder gar keine Verbindungsleitungen von der Membran zu anderen Bauteilen des Wandlers erforderlich sind. Wenn beispielsweise auf der Membran ein kompletter Hoch­ frequenzsender angeordnet ist, ist der Aufbau einer drahtlosen Verbindung zu einem Empfänger möglich, der außerhalb des Wandlers angeordnet ist. Wenn auf Verbindungsleitungen gänzlich verzichtet werden kann, können auch störende Totkapazitäten, wie sie beispielsweise aufgrund der Drahtverbindungen in einem Miniaturmikrofon besonders störend auftreten und dessen Übertragungseigen­ schaften stark beeinträchtigen, weitgehend oder gänzlich vermieden werden.

Neben elektroakustischen Wandlern kommen auch andere Wandler wie elektrody­ namische, elektromagnetische oder orthodynamische Wandler für den Einsatz der Erfindung in Betracht. So können beispielsweise die Membran bei einem Beschleunigungssensor, wie er zur Auslösung des Airbags in einem Pkw eingesetzt wird, oder der Dehnungsmessstreifen in einem Dehnungsmesssensor aus halbleitendem Material hergestellt sein, in das bereits bei der Herstellung weitere elektronische Bauelemente integriert werden. Der Einfluss dieser Integration elektronischer Bauelemente in die Membran auf die eigentliche Funktion der Membran hängt dabei davon ab, wieviele Elemente in die Membran integriert werden und in welcher Strukturgröße der Halbleiter-Strukturen die Elemente integriert sind. Dabei ist zu erwarten, dass bei der derzeit bereits geringen und zunehmend noch weiter sinken­ den Strukturgröße der Einfluss nur gering oder gar nicht mehr feststellbar sein wird.

Die mechanischen und die halbleitenden Eigenschaften der Membran sollten durch geeignete Ausgestaltung und Anordnung der halbleitenden Elemente und der Membran selbst weitestgehend entkoppelt werden, wobei bevorzugt die mechani­ schen Eigenschaften der Membran im Vordergrund stehen sollten. Durch geeignete, insbesondere mechanische, Differenzstrukturen kann es möglich sein, halbleitende Elemente so auszugestalten und anzuordnen, dass sich deren negative Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Membran weitestmöglich oder gänzlich kompensieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Mikrofonkapsel,

Fig. 2 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Membran und

Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungs­ gemäßen Kondensatormikrofonkapsel.

In Fig. 1 ist in Explosionsdarstellung eine Mikrofonkapsel eines an sich bekannten Mikrofons gezeigt, bei dem die Erfindung bevorzugt eingesetzt werden kann. Die dargestellte Mikrofonkapsel besteht aus einem Kapselgehäuse 1, einem Schutz 2, einer Membran 4, welche auf einem gelochten Träger 3 liegt, einer Gegenelektrode 5 sowie einem durch eine Abstandsfolie 6 von der Gegenelektrode 5 getrenntem Laufzeitglied 7. An das Laufzeitglied 7 schließt sich ein unteres Gehäuseteil 8 an. Durch einen Schraubring 9 mit Außengewinde lassen sich die vorgenannten Mikro­ fonkapselbestandteile nach Einbringung in das Kapselgehäuse 1 in diesem fixieren. Die grundsätzliche Funktionsweise und die Konstruktion eines Mikrofons mit einer Mikrofonkapsel sind in der bereits genannten DE 197 42 249 A1 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich verwiesen wird.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Membran 4, die in einem solchen Mikro­ fon eingesetzt werden kann, ist beispielhaft in Fig. 2 gezeigt. Die Membran 4 selbst ist dabei aus halbleitendem Material, z. B. aus Silizium, in Form einer dünnen schwingfähigen Scheibe ausgestaltet. Die Scheibe ist dabei so dünn, dass die eigentliche Funktion der Membran als schwingfähige Elektrode in dem kapazitiven elektroakustischen Wandler nur geringfügig oder überhaupt nicht beeinflusst wird. Sowohl im zentralen Befestigungsbereich 40 als auch im Randbereich 41 der Membran sind dabei verschiedene symbolhaft dargestellte Halbleiterbauelemente in bzw. auf der Membran 4 integriert. So sind im zentralen Befestigungsbereich 40 mehrere Speicherelemente 43 in Form von Halbleiterspeichern (z. B. Kernspeichern) angeordnet zur Speicherung eines Programms zur Verarbeitung von Daten oder zur Speicherung von Daten. Im Randbereich 41 sind mehrere Verstärkerelemente 42 angeordnet zur Verstärkung und/oder Impedanzwandlung. Weiter sind im Randbe­ reich 41 ein Wandlerelement 44 zur Analog-Digital-Wandlung, eine Signalver­ arbeitungseinheit 45, ein Hochfrequenzsendeelement 46 und eine Antenne 47 als Hochfrequenzsender angeordnet. Diese elektronischen Bauelemente 42 bis 47 können bei der Herstellung der Membran mit Hilfe von Verfahren, wie sie aus dem Bereich der Herstellung herkömmlicher Halbleiterbauelemente wie Halbleiterspeicher oder Mikroprozessoren bekannt sind, bereits in die Membran 4 integriert werden. Auch die Verdrahtung der einzelnen Elemente miteinander wird bei der Herstellung der Membran 4 bereits integriert.

Durch die erfindungsgemäße Integration zahlreicher elektronischer Bauelemente in die Membran 4 können die entsprechenden Bauelemente außerhalb der Membran, die sonst beispielsweise auf einer kleinen Platine in dem Mikrofon angeordnet sind, entfallen. Damit entfallen auch störende Verbindungsleitungen von der Membran 4 zu diesen externen Elementen, die beispielsweise bei sehr kleinen Mikrofonen zu störenden Totkapazitäten führen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist somit hinsichtlich des Konstruktionsaufwandes günstiger, und es lassen sich langzeit­ stabilere und feuchteunempfindlichere Wandler schaffen.

Neben den bereits genannten elektronischen Bauelementen können weitere Bauele­ mente wie Filterelemente, Elemente zum EMV-Schutz, Digital-Analog-Wandler oder sonstige elektronische Bauelemente, die in einem entsprechenden Wandler benötigt werden und die sich auf oder in einer Halbleiterschicht herstellen lassen, auf oder in der Membran vorgesehen sein.

Es ist nicht zwingend, dass alle elektronischen Bauelemente auf der Oberfläche oder in einer Schicht der Membran angeordnet sind, sondern die Elemente können auch in unterschiedlichen Schichten oder auf Vorder- und Rückseite der Membran angeordnet sein. Bei einem Mikrofon sind jedoch die hochohmigen elektronischen Bauelemente eines Impedanzwandlers oder Verstärkers bevorzugt auf der der Gegenelektrode zugewandten Seite der Membran angeordnet, da bei dieser Anord­ nung ein größerer Feuchtigkeitsschutz gewährleistet ist.

Der Befestigungsbereich 40 bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform kann auch an andere Stelle oder an mehreren Stellen der Membran angeordnet sein, was im Wesentlichen von den geforderten akustischen Eigenschaften der Membran abhängt. Je nach gewünschter Sendefrequenz können auch die ganze Membran oder Teile der Membran als Antenne dienen.

Weiter kann vorgesehen sein, dass die Membran nicht komplett aus halbleitendem Material hergestellt ist, sondern im Wesentlichen aus einem üblichen Material wie beispielsweise Metall oder Kunststoff, und dass nur teilweise Bereiche aus halbleidem Material vorgesehen sind. So könnte beispielsweise eine halbleitende Schicht auf die Oberfläche einer solchen Membran aufgedampft sein, in die dann die halbleitenden Bauelemente integriert werden. Diese Ausführungsmöglichkeiten ergeben sich auch für alle anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In Fig. 3 ist im Querschnitt eine an sich bekannte Mikrofonkapsel 10 mit zwei Membranen bekannt, bei der ebenfalls die Erfindung bevorzugt eingesetzt werden kann. Die Mikrofonkapsel 10 weist ein Gehäuse 11 auf, welches mit einer Kontakt­ platte 21 verbunden ist. Im vorderen Bereich der Mikrofonkapsel 10 weist das Gehäuse 1 l eine Schalleinlassöffnung 17 - auch Sprachloch genannt - auf, durch welche Schall in den inneren Vorraum der Mikrofonkapsel 10 gelangen kann. Diese ist als kreisrundes Loch im Zentrum des äußeren, vorderen Gehäusebereichs eingelassen. Innenseitig liegt im Randbereich des Gehäuses eine Silikondichtung 14, beispielsweise als Ring. Der Vorraum 16 wird durch eine zweite Membran 18 begrenzt. Diese Membran 18 liegt an der Vorderseite eines Membranrings 13 an, an dessen Hinterseite die erste Membran 19 angeordnet ist. Vorzugsweise sind sowohl die zweite als auch die erste Membran 18, 19 am Membranring 13 ange­ klebt. An die erste Membran 19 schließt sich ein Abstandsring 12 an, welcher als Abstandshalter zur Gegenelektrode 20 dient, welche ebenfalls am Abstandsring 12 anliegt. Die kleine Öffnung 15 dient als Druckausgleich, damit die erste Membran 19 bei Luftdruckschwankungen nicht an die Gegenelektrode 20 anklatscht, was zu Wiedergabebeeinträchtigungen, Beschädigungen oder gar zur Zerstörung der Mikrofonkapsel führen kann. Auf der Gegenelektrode ist - nicht dargestellt - eine Elektretfolie als Elektretschicht angebracht.

Auch bei einer solchen Mikrofonkapsel mit einem Doppelmembransystem können auf einer oder auf beiden Membranen 18, 19 ein oder mehrere elektronische Bauelemente angeordnet sein. Dazu ist die entsprechende Membran wiederum aus halbleitendem Material ausgestaltet. Hinsichtlich der Art der elektronischen Bauele­ mente, deren Anordnung und deren Herstellung gilt das in Verbindung mit Fig. 1 und Fig. 2 Gesagte, weshalb hier auf weitere Erläuterungen diesbezüglich ver­ zichtet wird.

Bevorzugt wird die Erfindung verwendet bei elektroakustischen Gebern wie den gezeigten Mikrofonen. Einsatz kann die Erfindung aber auch bei elektroakustischen Sendern (Aktoren) wie Lautsprechern und Kopfhörern finden. Darüber hinaus kann die Erfindung auch bei anderen Wandlern wie elektrodynamischen, elektromagneti­ schen oder orthodynamischen Wandlern oder sonstigen Aktoren die beschriebenen Vorteile bringen. Auch Sensoren mit entsprechenden Membranen, wie beispiels­ weise Dehnungsmesselemente mit Dehnungsmessstreifen als Membranen, Be­ schleunigungsaufnehmer, Drehratengeber oder Drehmesselemente können durch den Einsatz der Erfindung vorteilhaft ausgestaltet werden.

Claims (17)

1. Wandler mit einer Membran, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran wenigstens teilweise aus halbleiten­ dem Material hergestellt ist.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als halbleitendes Material Silizium, eine Siliziumver­ bindung, halbleitender Kunststoff oder bionisches Material verwendet wird.

3. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf oder in der Membran mindestens ein elektroni­ sches Bauelement, insbesondere ein Halbleiterbauelement, integriert ist.

4. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder in der Membran ein Verstärkerelement zum Betrieb des Wandlers angeordnet ist.

5. Wandler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder in der Membran mehrere Verstärker angeordnet sind und dass die Verstärker in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten.

6. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder in der Membran Bauelemente zur Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandlung angeordnet sind.

7. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder in der Membran Bauelemente zur Signalverarbeitung und/oder Speicherung von Programmen zur Signalverarbeitung, insbesondere ein digitaler Signalprozessor, angeordnet sind.

8. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder in der Membran Speicherelemente angeordnet sind.

9. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder in der Membran Sende- und/oder Empfangselemente, insbesondere eines Hochfrequenzsenders und/oder Hoch­ frequenzempfängers, angeordnet sind.

10. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder in der Membran Bauelemente zum Schutz des Wandlers vor elektromagnetischer Strahlung angeordnet sind.

11. Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsleitungen zu den auf und/oder in der Membran integrierten Bauelementen, insbesondere zur Spannungszuführung, Signalableitung und/oder Signalzuführung, über Befestigungen der Membran und/oder spezielle Kontaktierungen auf der Membran, insbesondere Bondungen, erfolgen.

12. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein elektroakustischer Wandler, ins­ besondere ein kapazitiver elektroakustischer Wandler, wie insbesondere ein Mikro­ fon, oder ein Wiedergabewandler, wie insbesondere ein Lautsprecher oder Kopfhö­ rer, ist.

13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein kapazitiver Wandler ist und dass elektronische Bauelemente zur Erzeugung einer statischen Vorspannung auf und/- oder in der Membran oder auf einer Gegenelektrode des Wandlers angeordnet sind.

14. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein kapazitiver Wandler ist und dass hochohmige elektronische Bauelemente eines Impedanzwandlers oder Verstärkers auf der einer Gegenelektrode des Wandlers zugewandten Seite der Membran angeordnet sind.

15. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein elektrodynamischer, elektromagneti­ scher oder orthodynamischer Wandler ist.

16. Wandler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein Sensor ist, insbesondere ein Be­ schleunigungssensor, Drehratengeber, Drehmessgeber oder Dehnungsmesssensor, oder in einem Sensor verwendet wird.

17. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen vollständig aus halbleitendem Material besteht.