DE102005043690A1

DE102005043690A1 - Mikromechanisches Mikrofon

Info

Publication number: DE102005043690A1
Application number: DE102005043690A
Authority: DE
Inventors: Ralf Reichenbach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2005-09-14
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: DE102005043690B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Mikrofon, mit einer Mikrofonmembran (3), welche auf einem Substrat (10) angeordnet ist, mit einem zwischen der Membran und dem Substrat ausgebildeten Membranvolumen (8), mit einem unterhalb des Membranvolumens (8) ausgebildeten Rückvolumen (9) und mit einem Be- und Entlüftungskanal (2) für wenigstens eines der beiden Volumen (8, 9). Sie zeichnet sich dadurch aus, dass eine Öffnung (12) des Be- und Entlüftungskanals (2) oberhalb einer Rückseite (R) des Substrates (10) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Mikrofon nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zum Aufbau mikromechanischer Mikrofone werden häufig Substrate verwendet, wie sie z.B. auch zur Herstellung von Mikrochips bekannt sind. Die Substrate, z.B. Siliziumwafer, werden zur Herstellung der einzelnen Mikrofonkomponenten verschiedenen Prozessschritten ausgesetzt. Unter anderem müssen die Substrate dabei mit der Vorderseite, also der Seite an der später die Membran ausgebildet ist, auf sogenannte "Chucks" aufgebracht und an diesen fixiert werden. Diese sind jedoch nicht immer vollkommen sauber. Trotz aufwendiger Schutzmaßnahmen bei der Fixierung des Substrats während dieser Rückseitenprozessierung, wird immer wieder ein erhöhtes Partikelkontaminationsrisiko für die dem Chuck zugewandte Seite des Substrats festgestellt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung:

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen strukturellen Aufbau für ein mikromechanisches Mikrofon vorzuschlagen, der eine verbesserte Prozessführung zur Herstellung eines mikromechanischen Mikrofons ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüche sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben. Demnach betrifft die vorliegende Erfindung ein mikromechanisches Mikrofon, mit einer Mikrofonmembran, welche auf einem Substrat angeordnet ist, mit einem zwischen der Membran und dem Substrat ausgebildeten Membranvolumen, mit einem unterhalb des Membranvolumens ausgebildeten Rückvolumen und mit einem Be- und Entlüftungskanal für wenigstens eines der beiden Volumen. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass eine Öffnung des Be- und Entlüftungskanals oberhalb einer Rückseite des Substrates ausbildet ist.

Mit einem derart strukturell aufgebauten Mikrofon ist es möglich, die Öffnung des Be- und Entlüftungskanals entweder direkt zur Vorderseite des Mikrofons und/oder auch zu einer Stirnseite des Mikrofons bzw. des Substrates hin ausgerichtet auszubilden.

Unter der Vorderseite des Substrats wird hier jene Seite des Substrats verstanden, auf welcher die mikromechanischen Strukturen des mikromechanischen Mikrofons ausgebildet werden. Die Stirnseiten des herzustellenden Mikrofons, die rund oder eckig sein kann, verbinden die Vorderseite mit der Rückseite des Mikrofons.

Im schichtweisen Aufbau der mikromechanischen Strukturen ist im Innersten des Mikrofons an der Vorderseite des Substrats das Rückvolumen 9 ausgebildet, z.B. durch einen Ätzprozess, und gegenüber dem darüber liegend angeordneten Mikrofonvolumen durch eine Trennschicht 5 räumlich abgetrennt.

Je nach Ausführungsform des mikromechanischen Mikrofons und gewünschtem Frequenzgang kann diese Trennschicht einen oder mehrere Durchlässe aufweisen, die einen Luftaustausch zwischen dem von der Membran mit Schalldruck beaufschlagten Membranvolumen und dem Rückvolumen ermöglicht. Weitere Einflussnahmen auf den Frequenzgang bzw. auf die Dämpfung des mikromechanischen Mikrofons sind durch die Anzahl und/oder durch die Formgebung der in der Trennschicht angeordneten Durchlässe möglich. Weitere diesbezügliche Einflussnahmen sind über die Anzahl und/oder über die Formgebung sowie auch über die Verbindung der Be- und Entlüftungskanäle zwischen dem jeweiligen Volumen und der Umgebungsluft möglich.

In einer ersten Ausführungsform kann der Entlüftungsweg des Mikrofonvolumens z.B. durch das Rückvolumen hindurch über zumindest einen, vorzugsweise jedoch mehrere Be- und Entlüftungskanäle zur Umgebungsluft verlaufen. Dabei kann, je nach gewünschtem Dämpfungsverhalten, die Trennschicht, wie oben angeführt, eine oder mehrere Durchlässe für den Luftaustausch zwischen Membran- und Rückvolumen aufweisen. Denkbar ist es aber auch, dass in einer davon abgewandelten Ausführungsform die Trennschicht luftundurchlässig ausgebildet ist, und entsprechend ihrer Elastizität und des davor liegenden Luftpolsters im Membranvolumen einen gegenüber der ersten Ausführungsform abgewandelten Frequenzgang aufweist.

In einer weiteren Ausführungsform ist es ebenfalls denkbar, dass sowohl das Rückvolumen als auch das Membranvolumen jeweils mindestens über einen entsprechend des gewünschten Frequenzgangs ausgebildeten Be- und Entlüftungskanal mit der Umgebungsluft verbunden sind.

Eine weitere davon abweichende Ausführungsform ist beispielsweise dahingehend möglich, dass das Rückvolumen über das Membranvolumen und über entsprechend ausgebildete Be- und Entlüftungskanäle mit der Umgebungsluft verbunden ist. Es ist aber auch denkbar, dass das Rückvolumen bei Fehlen entsprechender Verbindungen ein vollkommen abgetrenntes, in flächiger Verbindung zum Membranvolumen stehendes Luftpolster ausbildet.

Ein derartiger Strukturaufbau eines mikromechanischen Mikrofons ermöglicht weiterhin die Wahl der den Schalldruck auf die Membran signalisierenden, und in ein elektrisches Signal umwandelnden Mittel, wie z.B. piezoelektrische Elemente oder kapazitive, elektrische Elemente.

Piezoelektrische Elemente können sowohl in der Membran als auch in der, in diesem Fall als Zwischenmembran ausgebildeten Trennschicht eingebracht werden. Entsprechend des gewünschten Signalverhaltens des mikromechanischen Mikrofons können die Signale der beiden Schichten, Membran und Zwischenmembran, entweder getrennt oder auch gemeinsam ausgewertet bzw. weiterverarbeitet werden.

Eine weitere Ausführungsform verwendet aufgebrachte und strukturierte Metallschichten als Elektrodenmaterial. Bezüglich der kapazitiven Ausführungsform eines mikromechanischen Mikrofons wird es bevorzugt, wenn die Membran und die als Zwischenmembran ausgebildete Trennschicht ein kapazitives Element ausbilden. Insbesondere durch die separate Ausbildung eines Teils des kapazitiven, elektrischen Elementes an der Zwischenmembran kann ein derartig aufgebautes Mikrofon ein gutes Signal liefern. Dies liegt unter anderem darin begründet, dass über die gesamte Fläche der Zwischenmembran eine gleichmäßige Dotierung zur Erzeugung einer Elektrode möglich ist. Weiterhin kann durch die separate Ausbildung dieser Schicht eine sehr homogene Schichtdicke erzeugt werden, die über ihre gesamte wirksame Fläche im Wesentlichen auch ein homogenes Schwingungsverhalten und eine damit einhergehende hohe Signalstabilität aufweist.

Insgesamt kann also mit diesem erfindungsgemäßen, strukturellen Aufbau eines mikromechanischen Mikrofons sichergestellt werden, dass alle Verfahrensschritte von der Vorderseite des als Träger dienenden Substrats möglich sind. Damit entfällt die Notwendigkeit einer Fixierung des Substrats von der Vorderseite, und im Weiteren auch die damit einhergehende Kontaminierungsgefahr für die empfindliche Vorderseitenoberfläche bzw. die darauf aufgebrachten Strukturen.

Weiterhin geht mit diesem strukturellen Aufbau der Vorteil einher, dass verschiedene Herstellungsverfahren der Oberflächenmikromechanik zur Ausbildung eines derartigen strukturellen Aufbaus eines mikromechanischen Mikrofons anwendbar sind. So kann beispielsweise bei einem Herstellungsverfahren Siliziumoxid als Opfermaterial vorgesehen sein, und bei einem anderen beispielsweise Polysilizium, so dass je nach geforderter Strukturgröße bzw. -auflösung das eine oder das andere Verfahren angewendet werden kann.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgend darauf bezugnehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 bis 4 einen schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Mikrofons in verschiedenen Drauf sichten und Schnittdarstellungen.
Im Einzelnen zeigt die 1 eine schematische Draufsicht auf eine beispielhafte Ausführungsform eines mikromechanischen Mikrofons M. In dieser Draufsicht ist das Mikrofon M durch eine Membranschicht 1 abgedeckt, in deren Mitte innerhalb einer gestrichelten Umrandung eine Membran 3 ausgebildet ist. Zwischen der Membran 3 und einem darunter liegenden Substrat 10 sind ein Membranvolumen 8 und ein Rückvolumen 9 (3 und 4) ausgebildet. Wenigstens eines dieser Volumen 8, 9 ist mittels Be- und Entlüftungsmittel zur Gestaltung des dynamischen Verhaltens des mikromechanischen Mikrofons mit der Umgebungsluft verbunden.
Im vorliegenden Beispiel sind diese Be- und Entlüftungsmittel Be- und Entlüftungskanäle 2, 11, die erfindungsgemäß eine oberhalb einer Rückseite R des Substrats 10 ausgebildete Öffnung 12 aufweisen. In der dargestellten Ausführung führt diese Öffnung 12 den Be- und Entlüftungskanal in einem Bereich der Vorderseite V des Substrats nach außen.
Ein derartiger struktureller Aufbau hat den Vorteil, dass das Substrat 10 zur Durchführung aller zur Herstellung des Mikrofons erforderlichen Prozessschritte nur von seiner unempfindlichen Rückseite R her fixiert werden muss. Eine Festsetzung des Substrats mit der empfindlichen Vorderseite V ist nicht erforderlich. Damit entfällt erfindungsgemäß ein Partikelkontaminierungsrisiko für die Vorderseite des Substrates bzw. für die darauf aufzubringenden Strukturen des mikromechanischen Mikrofons. Damit sind auch alle Verfahren zur Herstellung des mikromechanischen Mikrofons geeignet, die das Substrat nur von der Vorderseite V her bearbeiten.
Neben der hier beispielhaft dargestellten Ausführungsform der Be- und Entlüftungskanäle 2, 11 mit einer Öffnungsrichtung zur Vorderseite V des Mikrofons sind auch Öffnungsrichtungen im Bereich einer Stirnseite des Substrats bzw. des mikromechanischen Mikrofons denkbar. Weitere Details des mikromechanischen Mikrofons M gehen aus den 2 bis 4 hervor.
Die 2 zeigt wiederum eine Draufsicht entsprechend der Darstellung in der 1, jedoch mit verschiedenen Ausschnitten in den einzelnen übereinander angeordneten Schichten des Mikrofonaufbaus. Die 3 und 4 zeigen die Schnittdarstellungen A-A bzw. B-B in der 2.
Die Membranschicht 1 liegt auf einer Schicht 7 auf, deren Kontur dem außerhalb der Membran 3 liegenden Flächenbereich der Membranschicht 1 in der 1 entspricht. Unter der Schicht 7 ist eine weitere Schicht 6 angeordnet, die in ihren Konturen der Schicht 7 entspricht. Diese beiden Schichten 6, 7 begrenzen das zwischen der Membran 3 und dem Substrat 10 liegende Membranvolumen 8 und das Rückvolumen 9 in deren Seitenbereichen.
Das Rückvolumen 9 dient zur Abstimmung des dynamischen Verhaltens des Mikrofons M. Es wird mittels einer Trennschicht 5 vom Membranvolumen 8 abgetrennt. Das Rückvolumen 9 ist, entsprechend der Darstellung in 4, durch die Schichten 6, 5, 7, 1 über einen Be- und Entlüftungskanal 11 mit dem Be- und Entlüftungskanal 2 und damit mit der Umgebungsluft verbunden.
Für bestimmte Anforderungen an das dynamische Verhalten des mikromechanischen Mikrofons M kann es weiter vorteilhaft sein, wenn die Trennschicht 5 einen Durchlass 4 zwischen dem Membranvolumen 8 und dem Rückvolumen 9 für Luft aufweist. Dies insbesondere dann, wenn eine Entlüftung des Membranvolumens durch das Rückvolumen über Be- und Entlüftungskanäle 11, 2 zur Umgebungsluft hin vorgesehen ist. Durch entsprechende Wahl der Anzahl und/oder der Formen solcher Durchlässe 4 und Be- und Entlüftungskanäle 2, 11 ist eine vielfältige Einflussnahme auf das dynamische Verhalten des Mikrofons möglich.
Dieser Strukturaufbau des mikromechanischen Mikrofons bietet eine große Gestaltungsfreiheit. So kann die Trennschicht 5 im Weiteren beispielsweise als Zwischenmembran 5 ausgebildet sein, deren Signale, je nach Anwendungsfall, separat oder wahlweise auch in Verbindung mit den Signalen der Membran 3 ausgewertet bzw. weiterverarbeitet werden können.
Je nach vorgesehenem Einsatzzweck kann das Mikrofon als piezoresistives oder auch als kapazitives Mikrofon ausgebildet sein.
Zur Ausbildung eines piezoresistiven Mikrofons können beispielsweise in die Membran 3 und gegebenenfalls auch in die Zwischenmembran 5 Piezowiderstände durch Diffusion oder durch Implantieren hergestellt sein. Vorzugsweise sind diese in der Form einer Brückenschaltung miteinander verbunden. Der auf die Membran wirkende Schalldruck erzeugt im Anwendungsfall eine Verstimmung der Brücke und damit ein entsprechend abgreifbares Mikrofonsignal.
In einer bevorzugten Ausführungsform eines kapazitiven Mikrofons können beispielsweise die Membran 3 und die Zwischenmembran 5 eine veränderliche Kapazität ausbilden. Insbesondere durch die getrennte Ausbildung der Zwischenmembran 5 kann diese Kapazität während des Herstellungsverfahrens, z.B. durch entsprechende Dotierung, sehr genau an die ihr zugedachten Anforderungen angepasst werden. Das Ergebnis ist eine schallempfindliche Kapazität, die den Abgriff eines einerseits empfindlichen und andererseits möglichst signalgetreuen Signals ermöglicht.

Claims

Mikromechanisches Mikrofon, mit einer Mikrofonmembran (3), welche auf einem Substrat (10) angeordnet ist, mit einem zwischen der Membran und dem Substrat ausgebildeten Membranvolumen (8), mit einem unterhalb des Membranvolumens (8) ausgebildeten Rückvolumen (9) und mit einem Be- und Entlüftungskanal (2) für wenigstens eines der beiden Volumen (8, 9), dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnung (12) des Be- und Entlüftungskanals (2) oberhalb einer Rückseite (R) des Substrates (10) ausgebildet ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (12) des Be- und Entlüftungskanals (2) an der Vorderseite (V) des Mikrofons (M) ausgebildet ist.
Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (12) des Be- und Entlüftungskanals (2) an einer Stirnseite (13) des Mikrofons (M) ausgebildet ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Trennschicht (5) zwischen dem Membranvolumen (8) und dem Rückvolumen (9) vorgesehen ist.
Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (5) einen Durchlass (4) zwischen dem Membranvolumen (8) und dem Rückvolumen (9) für Luft umfasst.
Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (5) als Zwischenmembran (5) ausgebildet ist.
Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennschicht (5) ein piezoresistives Element umfasst.
Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) ein piezoresistives Element umfasst.
Mikrofon nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (3) und die Trennschicht (5) ein kapazitives, elektrisches Element ausbilden.