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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitives, mikromechanisches
Mikrofon nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kapazitive,
mikromechanische Mikrofone sind häufig so aufgebaut, dass sie
eine frei aufgehängte
Membran aufweisen, welche durch auftreffenden Schall wie z.B. Sprache,
Musik und Geräusche
in Schwingung versetzt wird. Sie bildet eine erste Elektrode eines
gemeinsam mit einer steifen Gegenelektrode ausgebildeten Mikrofonkondensators.
Die Kapazitätsänderung
aufgrund der Schalleinwirkung auf die Membran wird als elektrisches
Signal abgegriffen und ausgewertet.
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Um
einen Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite der Membran zu ermöglichen
und ausreichende Empfindlichkeit, Frequenzgang und Dämpfungsverhalten
des Mikrofons zu ermöglichen, ist
der Raum zwischen der Membran und der Gegenelektrode nicht abgeschlossen,
sondern über Öffnungen
mit einem Druckausgleichsvolumen, einem sogenannten Rückvolumen,
verbunden. Dieses erlaubt einen Druckausgleich mit der Atmosphäre um das Dämpfungsverhalten
des Mikrofons über
einen gewünschten
Frequenzbereich abstimmen zu können.
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An
einem solchen Aufbau wird es als nachteilig empfunden, dass zur
Ausbildung eines solchen Druckausgleichsvolumens der hinter der
steifen Gegenelektrode liegende, rückseitige Bereich eines Wavers
bearbeitet werden muss. Als Bearbeitungsverfahren sind z.B. Trench,
hierbei handelt es sich um chemisch-mechanische siliziumoberflächenbearbeitende
Verfahren oder KOH-Ätzen
(Kaliumhydroxid-Ätzen)
bekannt, um einen Zugang zur Membranrückseite für den Druckausgleich zu schaffen.
Solche auch als Bulk-Mikro-Mechanische-Prozesse (BMM) bezeichnete
Verfahren sind jedoch aus Zeit- und Kostengründen nicht optimal für die Herstellung
extrem hoher Stückzahlen
geeignet.
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Aufgabe und Vorteile der
Erfindung:
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Mikrofon
der eingangs dargelegten Art zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den
Unteransprüchen
sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung angegeben.
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Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung ein kapazitives, mikromechanisches
Mikrofon nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist dabei
ein Druckausgleichsvolumen in einer Ebene mit einem zwischen einer
Mikrofonmembrane und einer Gegenelektrode ausgebildeten Membranvolumen
ausgebildet. D.h. dass zumindest ein Teil des Druckausgleichsvolumens
sich seitlich von ihm erstreckend angeordnet ist.
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Das
Mikrofon weist also unter Zugrundelegung einer dreidimensionalen
Körperform
(Länge/Breite/Höhe) schichtweise übereinanderliegende Ebenen
auf. Die Grundschicht bildet beispielsweise ein Substrat, in welchem
eine Vertiefung ausgebildet ist, in der wiederum in schichtweisem
Aufbau weitere Mikrofonkomponenten, wie eine Isolationsschicht, eine Gegenelektrode,
ein Membranvolumen und eine Membran übereinander angeordnet sind.
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Dieser
Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ausbildung
des Druckausgleichs- oder sogenannten Rückvolumens für ein derartiges kapazitives,
mikromechanisches Mikrofon nicht zwangsweise auf der Rückseite
einer steifen Gegenelektrode, einer sogenannten "Silicon backplate" erforderlich ist, um eine gute Leistungsfähigkeit
des Mikrofons zu erzielen, sondern dass auch mit einem an einer
anderen Stelle ausgebildeten Druckausgleichsvolumen derartige Effekte
zu erzielen sind.
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Aus
dieser ersten Erkenntnis ergibt sich die zweite Erkenntnis, nämlich dass
insbesondere im Hinblick auf extrem hohe Stückzahlen, wie sie beispielsweise
im Handymarkt gefordert werden, kostengünstige Oberflächen Mikro
Mechanische (OMM) Prozesse gut geeignet sind, um solche mikromechanischen
Mikrofone herzustellen. Neben den geringeren Kosten wirken sich
gegenüber
den BMM-Prozessen auch vergleichsweise reduzierte Verfahrenszeiten
positiv auf die Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofons aus.
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Insbesondere
ist es auch bei solchen Ausführungsformen
eines kapazitiven, mikromechanischen Mikrofons möglich, das Druckausgleichsvolumen
mit einer Druckausgleichsöffnung
zu verbinden. Über
eine solche Druckausgleichsöffnung
kann das Rückvolumen
direkt oder indirekt mit der Atmosphäre oder auch einem externen
Druckausgleichsvolumen verbunden werden.
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Wahlweise
kann dabei die Druckausgleichsöffnung,
bezogen auf die Mikrofonmembrane, an der Oberfläche des Mikrofons und/oder
auch zu einer Seite des Mikrofons hin ausgebildet sein. Diese Anordnung
kann z.B. von der Anforderung an das Dämpfungsverhalten, die Empfindlichkeit
des Mikrofons oder auch von anderen Parametern abhängig sein,
wobei auch eine kombinierte Anordnung der Druckausgleichsöffnung sowohl
an der Oberfläche als
auch an einer oder mehreren Seiten des Mikrofons möglich ist.
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Zur
weiteren Verbesserung der Eigenschaften des Mikrofons kann das Druckausgleichsvolumen
auch mit einem Dämpfungskanal
verbunden sein.
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Auch
die Ausbildung eines Nebenvolumens, welches mit dem Druckausgleichsvolumen
verbunden ist, wird als vorteilhaft angesehen. Auch damit sind sowohl
hinsichtlich der Empfindlichkeit als auch hinsichtlich eines gewünschten
Dämpfungsverhaltens
präzise
Abstimmmöglichkeiten
für das
Mikrofon gegeben. Je nach Anforderungen an das Mikrofon kann der
Dämpfungskanal
in einer Flussrichtung der durch die Membran zum schwingen gebrachten
Luftsäule
krümmungsfrei
oder gekrümmt,
gebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet sein. Selbstverständlich sind
aus Kombinationen solcher Dämpfungskanalausführungen
möglich,
um eine bestimmte Performance des Mikrofons zu erreichen.
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Eine
weitere Einflussnahme auf die Performance des Mikrofons ist durch
die Formgebung des Nebenvolumens möglich, für welches ebenfalls gilt, dass
dieses entweder krümmungsfrei
oder gekrümmt,
gebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet sein kann.
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Im
Weiteren sind natürlich
auch Kombinationsmöglichkeiten
einzelner und mehrerer solcher Ausführungen von Dämpfungskanälen und
Nebenvolumina sowie natürlich
auch des Druckausgleichsvolumens zur Erzielung bestimmter Mikrofoneigenschaften
möglich.
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Der
entscheidende Vorteil der Erfindung liegt also in der Realisierung
des Druckausgleichs- oder Rückvolumens
in einer Ebene mit dem Membranvolumen, und der damit einhergehenden Möglichkeit, das
Mikrofon mittels einer OMM-Opferschicht-Technologie zu realisieren, um einen
Druckausgleich zur Atmosphäre
zu schaffen.
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, darauf
bezugnehmenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 und 2 eine
schematische Schnitt- bzw. Draufsicht auf einen Aufbau eines kapazitiven, mikromechanischen
Mikrofons;
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3 und 4 eine
gegenüber
der Ausführungsform
aus den 1 und 2 abgewandelte
Ausführungsform;
und
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5 bis 8 weitere
Draufsichten auf weitere abgewandelte Ausführungsformen kapazitiver, mikromechanischer
Mikrofone.
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Im
Detail zeigen nun die 1 und 2 den Aufbau
eines kapazitiven, mikromechanischen Mikrofons auf der Basis eines
Substrats 9, welches vorzugsweise ein Si-Substrat 9 ist.
Bei der Herstellung des Mikrofons wird auf dem Si-Substrat 9 eine Vertiefung
durch selektvies Entfernen der Opferschicht ausgebildet, deren Oberfläche mit
einer Isolationsschicht 11 überzogen wird. Die Vertiefung
kann bei Verwendung von porösem
Silizium auch in das Substrag 9 hinein ausgebildet werden.
Auf dieser Isolationsschicht 11 wird eine elektrisch leitende
Schicht für
die Gegenelektrode 3 abgeschieden und strukturiert. Hierbei
kann es sich z.B. um hochdotiertes LPCVD Si (= Low Pressure Chemical
Vapor Deposition) handeln.
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Um
einen Ausgleich für
den durch Schalleinwirkung auf die Membran und dadurch hervorgerufene
Schwingungen der Membran sich ändernden
Luftdruck im Druckausgleichsvolumen 5 des Mikrofons zu
schaffen, ist dieses Druckausgleichsvolumen mit einer Druckausgleichsöffnung 6 verbunden.
Insbesondere besteht mittels einer solchen Druckausgleichsöffnung 6 die
Möglichkeit
das Druckausgleichsvolumen 5 mit der Atmosphäre zu verbinden.
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Die
Druckausgleichsöffnungen 6 entsprechend
der Ausführungsform
nach den 1 und 2 sind zur
Vorderseite des Mikrofons hin ausgerichtet, also zu der Seite hin,
an welcher auch die Membran 1 angeordnet ist. In einer
davon abweichenden Ausführungsform
nach den 3 und 4 sind die
Druckausgleichsöffnungen 6 zur
Seite des Mikrofonkörpers
hin ausgebildet. Beide Ausführungsformen
haben demnach unterschiedliche Dämpfungseigenschaften,
wobei zur Abstimmung des Mikrofons auf ein bestimmtes Dämpfungsverhalten
auch Mischformen solcher Anordnungen bezüglich der Druckausgleichsöffnungen 6 möglich sind.
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Erfindungsgemäß kann nun
das Druckausgleichs- bzw. Rückvolumen 5 in
einer Ebene mit dem Membranvolumen 2 zwischen einer dünnen, schallempfindlichen
Mikrofonmembran 1 und einer Gegenelektrode 3 ausgebildet
werden.
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Eine
weitere Möglichkeit
für die
Abstimmung des Mikrofons liegt in der Formgebung von Dämpfungskanälen 4,
die in der Ausführungsform
nach den 1 und 2 das zwischen
der Mikrofonmembran 1 und der Gegenelektrode 2 ausgebildete
Membranvolumen 2 mit dem Rückvolumen 5 verbinden.
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Weitere
Möglichkeiten
die Empfindlichkeit und das Dämpfungsverhalten über den
gewünschten Frequenzbereich
des Mikrofons abzustimmen, sind in den Ausführungsformen nach den 5 bis 8 dargestellt.
Insbesondere steht hierzu ein Nebenvolumen 5A mit dem Druckausgleichsvolumen 5 in
Verbindung. Hierzu ist ein die beiden Volumina 5, 5A verbindender
Dämpfungskanal 4 in
einer Flussrichtung krümmungsfrei
ausgebildet. In einer demgegenüber abgewandelten
Ausführungsform
ist es aber auch denkbar, dass der Dämpfungskanal in einer Flussrichtung
gekrümmt,
gebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet ist. Dies gilt auch für das Nebenvolumen 5A,
wie dies beispielhaft in den 5 bis 8 gezeigt
ist.
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Somit
sind Einflussnahmen auf die Empfindlichkeit und das Dämpfungsverhalten
des Mikrofons über
Parameter, wie Elektrodenabstand, Membranaufhängung und -Steifigkeit, Anzahl,
Querschnitt, Länge
und Lage der Druckausgleichsöffnungen,
Größe und Form
des Rückvolumens,
sowie die Gestaltung des Druckausgleichs zur Atmosphäre auch durch
einen Oberflächen-mikromechanischen
Herstellungsprozess zur Ausbildung eines Mikrofon-Rückvolumens
in einer Ebene mit dem zwischen der Mikrofonmembran 1 und
der Gegenelektrode 3 ausgebildeten Membranvolumen 2 möglich.
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Zur
Kontaktierung der dünnen,
schallempfindlichen Mikrofonmembran 1 und der Gegenelektrode 3 kann
ein elektrischer Abgriff der Kapazität über Kontaktpads 8 erfolgen,
die niederohmig mit den beiden Elektroden 1 und 3 über die
Leitungen 7 verbunden sind.
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In
der 8 sind zusätzlich
noch Stabilisierungsstege bzw. -Pfosten 10 dargestellt.
Mit diesen ist es möglich
sowohl das Druckausgleichsvolumen 5 als auch das Nebenvolumen 5A positiv
zu beeinflussen, indem Schwingungen von größeren Begrenzungsflächen gedämpft oder
gänzlich
eliminiert werden. Durch die Ausbildung eines Nebenvolumens 5A besteht
weiterhin der Vorteil, dass auf ein großvolumiges Rückvolumen
bei gleichzeitigem Erhalt günstiger
Dämpfungseigenschaften
verzichtet werden kann, da durch eine geeignete Dimensionierung,
wie Länge
und Querschnitt, gleiche oder zumindest ähnliche Eigenschaften für das Mikrofon
erzielbar sind.
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Die
Herstellung des erfindungsgemäßen, kapazitiven,
mikromechanischen Mikrofons kann z.B. folgende Prozessschritte umfassen:
- – Abscheidung
einer Isolationsschicht (z.B. SiO2, SiN) zur elektrischen Isolierung
der Gegenelektrode 3 gegen das Substrat 9;
- – Abscheidung
und Strukturierung einer elektrisch leitenden Schicht (als Gegenelektrode);
- – Realisierung
einer Kaverne mittels Opferschichttechnik (beispielsweise sind als
Opferschicht SiO2, poly-Si oder auch SiGe
geeignet). Eine Erzeugung der Kaverne durch Hilfsschichten aus porösem Silizium
wie in WO 03/016203 ( DE 101
38 759 A1 ) beschrieben, ist ebenfalls denkbar.
- – Realisierung
einer Membran, die als obere, bewegliche Elektrode dient bzw. eine
Schicht enthält,
die als Elektrode dient.
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Mögliche weitere Ausführungsformen:
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- – Ein
erweitertes, größeres Rückvolumen
ließe sich
durch einen komplexeren Schichtaufbau realisieren, bei dem eine
größere, untere
Kaverne als Rückvolumen
dient (seitlich oder nach oben entlüftet), die nach oben durch
eine (perforierte, dicke) Membran/Platte angeschlossen wird, die auch
als Gegenelektrode dient. Darüber
kann dann der beschriebene Schichtaufbau folgen.
- – Falls
erwünscht,
kann an die Druckausgleichsöffnungen
auch ein externes Rückvolumen
angeschlossen werden, das in verschiedenen Materialien ausgebildet
werden kann, die durch eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik
mit der Silizium-Komponente verbunden werden.