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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer mikromechanischen Struktur zum Empfang
und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem die Struktur
zumindest teilweise umgebenden Medium gemäß dem Anspruch 1.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 21 660 A1 ist ein mikromechanischer
kapazitiver Wandler sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben
bekannt, bei dem eine bewegliche Membran und ein elektrisch leitfähiges Flächenelement
in einer Trägerschicht
angeordnet ist, wobei das elektrisch leitfähige Flächenelement von Perforationsöffnungen durchdrungen
ist. Hierbei ist es nachteilig, dass ein solcher akustischer Wandler
keinerlei Möglichkeit
zur Abstimmung desselben aufweist, wenn dieser einmal hergestellt
ist.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße mikromechanische Struktur
zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen bzw.
das Verfahren zum Empfang und/oder Erzeugung von akustischen Signalen in
einem eine erfindungsgemäße Struktur
zumindest teilweise umgebenden Medium haben dem gegenüber den
Vorteil, dass eine sehr vielseitig verwendbare mikromechanische
Struktur zur Verfügung
gestellt wird, die auf diese Weise sehr kostengünstig herstellbar ist. Mit
einfachen Mitteln ist es hierdurch möglich, eine Verbesserung der
akustischen Eigenschaften der mikromechanischen Struktur dadurch
zu bewirken, dass die mikromechanische Struktur nach ihrer Herstellung
abgestimmt werden kann und diese Abstimmung ggf. auch nachträglich noch
geändert
werden kann. Besonders bevorzugt ist, dass die Abstimmungsmittel
zur Ausübung
einer elektrostatischen Kraft direkt oder indirekt auf die Aufhängung der Membran
vorgesehen sind. Hierdurch ist es mit einfachen und etablierten
Technologien möglich,
die Abstimmungsmittel derart auszuführen, dass eine einfache und
präzise
Abstimmung der mikromechanischen Struktur möglich ist. Ferner ist es erfindungsgemäß bevorzugt,
dass die Abstimmungsmittel derart vorgesehen sind, eine Kraft im
Wesentlichen in der Haupterstreckungsebene der Membran auf die Aufhängung auszuüben. Hierdurch
ist eine weitgehende Entkopplung der für Abstimmungszwecke auf die
Membran ausgeübten
Kräfte
von den von den akustischen Signalen auf die Membran ausgeübten Kräfte möglich, weil
die letzteren im Wesentlichen senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung
wirksam. Die Abstimmung der mikromechanischen Struktur kann daher
erheblich besser und über
einen größeren Bereich
sowie mit einer höheren
Genauigkeit erfolgen. Erfindungsgemäß ist es besonders bevorzugt,
dass durch die Ausübung
der Kraft eine Drehung der Membran um eine auf die Haupterstreckungsebene
der Membran senkrechte Achse bewirkbar ist. Hierdurch bleibt die
Membran vorteilhafterweise bei unterschiedlichen Abstimmungseinstellungen
im Wesentlichen ortsfest bzw. lediglich verdreht.
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Erfindungsgemäß ist weiterhin
bevorzugt, dass die Abstimmungsmittel wenigstens teilweise als der
Teil der Aufhängung
vorgesehen sind. Hierdurch kann die Herstellung der mikromechanischen
Struktur weiterhin vereinfacht werden und damit kostengünstiger
gestaltet werden. Ferner ist es hierdurch möglich, die mikromechanische
Struktur kleiner auszuführen.
Ferner ist bevorzugt, dass die Abstimmungsmittel als Elektrodenstruktur
und besonders bevorzugt als kammartige Elektrodenstruktur vorgesehen
sind. Hierdurch ist es mit einfachen Mittel möglich, elektrostatische Kräfte zur
Abstimmung der mikromechanischen Struktur zu benutzen. Bei einer kammartigen
Ausführung
der Elektrodenstruktur ist es darüber hinaus möglich, die
Elektrodenstruktur besonders raumsparend auszuführen, so dass eine weitere
Miniaturisierung der Vorrichtung möglich ist, was darüber hinaus
auch die Kosten für
die erfindungsgemäße Struktur
reduziert. Erfindungsgemäß ist weiterhin
bevorzugt, dass die mikromechanische Struktur mittels eines einseitigen
Herstellungsverfahrens oder mittels eines zweiseitigen Herstellungsverfahrens
herstellbar vorgesehen ist. Unter einem einseitigem Herstellungsverfahren
wird hierbei eine Herstellung der mikromechanischen Struktur verstanden,
bei der lediglich auf einer Seite eines Wafers Bearbeitungsschritte
vorzunehmen sind. Unter einer zweiseitigen Herstellung der mikromechanischen Struktur
wird ein Verfahren verstanden, bei dem auf beiden Seiten des zu
verwendenden Wafers Herstellungsschritte ausgeführt werden müssen, beispielsweise Ätzschritte
oder dergleichen.
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Ziel
ist es, bei einem Mikrofondesign eine möglichst hohe Empfindlichkeit über den
hörbaren Frequenzbereich
zu erhalten. Ein großes
Problem hierbei liegt in der Regel darin, dass in Materialebenen,
in welchen eine Membran zur Detektion und/oder zur Erzeugung von
akustischen Signalen eingebracht werden soll, eine vergleichsweise
hohe Schichtspannung herrscht, was zur Folge hat, dass solche Membranen
viel zu steif angebunden sind und daher nur eine geringe Schallempfindlichkeit
erlauben. Diesem Problem zu begegnen, wurde bereits vorgeschlagen,
die Schichtspannungen während
der Herstellung der Schichten möglichst
zu verkleinern, wobei hierbei das Problem in den vergleichsweise großen Fertigungsschwankungen
hinsichtlich der Schichtspannung besteht. Bei der erfindungsgemäßen mikromechanischen
Struktur wird eine einfach herzustellende Aufhängungsform der Membran vorgesehen,
die fertigungs- und materialbedingten Schichtspannungen aus der
Membran möglichst
eliminiert. Diese Aufhängungsform
der Membran ist besonders geeignet zur Verwendung des einseitigen Herstellungsverfahrens
der mikromechanischen Struktur, weil bei einem einseitigem Herstellungsverfahren
eine rundum feste Einspannung der Membran nicht in Frage kommt,
weil für
das Entweichen der Luft zur Vorderseite hin vergleichsweise große Öffnungen
notwendig sind.
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Erfindungsgemäß ist weiter
bevorzugt, dass die mikromechansiche Struktur zusammen mit einer elektronischen
Schaltung monolithisch integriert vorgesehen ist. Hierdurch ist
es erfindungsgemäß besonders
vorteilhaft möglich,
die Ansteuerung der Abstimmungsmittel, d. h. insbesondere die Erzeugung der
elektrostatischen Kraft, mittels der elektrischen Schaltung gesteuert
vorzusehen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen
Struktur in Schnittdarstellung,
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2 eine
schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Struktur
in Schnittdarstellung und Draufsicht,
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3 eine
schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Struktur und
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4 bis 6 schematische
Darstellungen von Ausführungsvarianten
der erfindungsgemäßen Struktur.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In 1 ist
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform 10 einer
erfindungsgemäßen mikromechanischen
Struktur in Schnittdarstellung dargestellt. Die Struktur 10 weist
eine Membran 1 auf, die gemäß dem Bezugszeichen 1' (gestrichelte
Darstellung) auch ausgelenkt werden kann, wenn eine entsprechende
Kraft 12, insbesondere aufgrund von akustischen Signalen
oder dergleichen, auf die Membran 1 ausgeübt wird.
Unterhalb der Membran 1 befindet sich ein Spalt bzw. ein
Hohlraum 13, welcher über
Perforationskanäle 14 durch
eine perforierte Gegenelektrode eines Substratmaterials 16 zur
Rückseite
(in 1 unten) hin offen ist. Luft, welche sich in dem
Hohlraum 13 befindet, kann bei einem Auslenken der Membran 1 aufgrund
der Kraft 12 durch die Perforationskanäle 14 nach unten hin entweichen.
Zur Herstellung einer solchen mikromechanischen Struktur 10 muss
eine Prozessierung des Substratmaterials 16 von einer ersten
Seite (in 1 von oben her) durchgeführt werden
und zusätzlich eine
Prozessierung des Substratmaterials 16 von einer zweiten
Seite durchgeführt
werden, d. h. in der 1 von unten (vgl. Bezugszeichen 17).
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Die
Membran 1 ist gemäß der ersten
Ausführungsform
in einem Bereich 19 aufgehängt, wobei ein Bereich 18 eine
Art Rahmen zur Aufhängung
der Membran 1 bildet.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform 20 einer
erfindungsgemäßen mikromechanischen Struktur 20 dargestellt.
In der oberen Darstellung der 2 ist eine Schnittdarstellung
durch die zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Struktur 20 dargestellt,
während
dem im unteren Teil der 2 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Struktur 20 dargestellt
ist. Hierbei ist eine Schnittlinie AA sichtbar, entlang der der
Schnitt im oberen Teil der 2 zu denken
ist. Die zweite Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Struktur 20 zeichnet
sich dadurch aus, dass eine Prozessierung eines Substratmaterials 26 lediglich
von einer Seite (in 2, obere Darstellung, von oben)
erforderlich ist. Erkennbar ist in 2, dass
die Membran 1 wiederum eine gestrichelt dargestellte ausgelenkte
Position 1` einnehmen kann. Unterhalb
der Membran 1 ist wiederum eine Kavität bzw. ein Hohlraum 23 vorgesehen,
in welchem sich in der Regel Luft befindet, welche gemäß dem Pfeil 24 durch Öffnungen 22 zur
Vorderseite hin entweichen kann. Im Bereich der Öffnungen 22 sind Membranaufhängungen 29 schematisch
dargestellt, die die Membran 1 oberhalb der Kavität bzw. dem Hohlraum 23 halten.
Die Membranaufhängungen 29 werden
durch einen Rahmenbereich 28 des Substratmaterial 26 gehalten,
wodurch die Membran 1 stabil an der erfindungsgemäßen Struktur 20 angebunden
ist.
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In
der 3 ist eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Struktur
dargestellt, wobei diese erfindungsgemäße Struktur wohl gemäß der ersten
Ausführungsform 10 als
auch gemäß der zweiten
Ausführungsform 20 realisiert
sein kann. Bei der ersten Ausführungsform 10 müßte die
Aufhängung
der Membran 1 derart geändert
werden, dass keine allseitige Aufhängung vorliegt, sondern der
Bereich 19 durch Öffnungen
unterbrochen ist. Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Aufhängung der
Membran 1 liegt darin, dass an einem Aufhängungsrahmen 38,
welcher in der 1 dem Aufhängungsbereich 18 entspricht
und in der 2 dem Rahmenbereich 28 entspricht,
eine Aufhängung
der Membran 1 derart gebildet wird, dass mehrere Aufhängungsarme 30 vorgesehen
sind, die die Membran 1 oberhalb der in der 3 nicht
dargestellten Kavität
aufgehängt
halten. Für
den Fall, dass in der Materialschicht, welche die Aufhängungsarme 30 und/oder
die Membran 1 bildet, eine Druckspannung vorhanden ist,
erfolgt bei der Freilegung der Membran 1 und der dargestellten
s-förmigen
Ausführung der
Aufhängungsarme 30 eine
Drehung der Membran 1 in Richtung des Pfeil 31d.
h. im Uhrzeigersinn. Entsprechend würde bei einer Variante mit
einer Zugspannung in der Materialebene der Aufhängungsarme 30 eine
entgegengesetzte Drehung der Membran 1 erfolgen (nicht
dargestellt). Durch die Formgebung der Aufhängungsarme ist es daher erfindungsgemäß möglich, eine
Materialentlastung der Aufhängung
der Membran 1 herbeizuführen,
so dass eine hohe Schallempfindlichkeit möglich wird. Unterhalb der Membran 1 befindet
sich jeweils eine Gegenelektrode (der Einfachheit halber nicht dargestellt),
wodurch mit der ebenfalls als Elektrode (deren Isolierung ebenfalls
der Einfachheit halber nicht dargestellt ist) vorgesehenen Membran 1 eine
veränderliche
Kapazität
gebildet wird.
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In
den 4-6 sind schematische Darstellungen
von Ausführungsvarianten
der erfindungsgemäßen Struktur 10, 20 dargestellt.
In 4 ist zusätzlich
zu den Aufhängungsarmen 30 zwischen
dem Aufhängungsrahmen 38 und
der Membran 1 Abstimmungsmittel vorhanden, welche eine
Drehung der Membran 1 um ihre Hochachse bewirken können. Hierzu
ist beispielsweise eine erste Elektrode 41, eine zweite
Elektrode 42 und ein Angriffspunkt 45 für eine Abstimmungskraft
vorgesehen. Die Elektroden 41, 42 sind beispielhaft
jeweils vierfach vorgesehen und wirken jeweils auf einen unterschiedlichen
Angriffspunkt 45 bzw. Angriffsbereich 45 der Abstimmungskraft.
In 4 ist beispielhaft der Fall dargestellt, dass
eine elektrostatische Kraft 46 jeweils in Richtung zur
ersten Elektrode hin als Abstimmungskraft 46 ausgeübt wird,
so dass sich insgesamt eine Drehung der Membran 1 im Uhrzeigersinn
um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Hochachse ergibt,
welche senkrecht auf die Haupterstreckungsebene (in der Zeichenebene
der 4 befindlich) der Membran 1 vorgesehen
ist. Durch die Ausübung
der Abstimmungskraft 46 ist es erfindungsgemäß mittels der
zwischen den Elektroden 41, 42 angelegten elektrischer
Spannung möglich,
die Membran 1 entgegen oder mit ihrer Relaxationsbewegung
um ihre Z-Achse zu drehen. Setzt man eine Aufhängung mittels Aufhängungsarmen 30 mit
nicht linearen Federeigenschaften voraus, so lässt sich je nach focierter
Drehrichtung eine steifer oder weicher angebundene Membran 1 erzielen.
Damit lässt
sich die Resonanzfrequenz und damit der gesamte Empfindlichkeit-Frequenzgang
der erfindungsgemäßen Struktur 10, 20 und
damit des Mikrofons bzw. des akustischen Aktuators abstimmen. Somit
ist es möglich,
prozessbedingte Schwankungen – etwa
durch das Auftreten von materialinternen Spannungen – weiter
zu kontrollierten und im Betrieb flexibel auf unterschiedliche Anforderungen
zu reagieren. Unterschiedliche Kundenwünsche für beispielsweise den Empfindlichkeits-Frequenzgang
der Struktur 10, 20 können mit ein und demselben
Design der elektromechanischen Struktur 10, 20 bedient
werden. Auswirkungen von Temperaturschwankungen und/oder eine Langzeitdrift
können
durch eine ständige
Abstimmung bzw. eine ständige Änderung
der Abstimmen kompensiert werden. Erfindungsgemäß können – wie in 4 dargestellt – vier Anordnungen
der Abstimmungsmittel vorgesehen sein, wobei jedes Abstimmungsmittel die
erste Elektrode 41, die zweite Elektrode 42 und den
Angriffspunkt 45 umfasst. Genauso können aber auch lediglich zwei
oder drei oder auch mehr als vier Abstimmungsmittel vorgesehen sein.
Die Membran 1 kann hierbei im Wesentlichen entweder rund
oder eckig geformt sein oder eine andere Formgebung aufweisen.
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In 5 ist
eine Variante der erfindungsgemäßen Struktur 10, 20 dargestellt,
bei der die Aufhängungsarme 30 den
Angriffspunkt 45 bilden, so dass kein zusätzlicher
Angriffspunkt 45 an der Membran 1 notwendig ist
(so wie dies beispielsweise gemäß der Ausführungsvariante
gemäß 4 der
Fall ist). Auch hier ist wiederum der Aufhängungsarm bzw. die Aufhängungsarme 30 (wovon
in 5 lediglich ein Aufhängungsarm 30 dargestellt
ist) zwischen den Aufhängungsrahmen 38 und
der Membran 1 vorgesehen, wobei die Elektroden 41, 42 direkt
an dem Aufhängungsarm 30 angreifen
bzw. an diesem die Abstimmungskraft 46 ausüben.
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Entgegen
der in 4 dargestellten Variante mit zwei Elektroden pro
Abstimmungsmittel ist es hierbei erfindungsgemäß auch möglich, lediglich die erste
Elektrode 41 oder die zweite Elektrode 42 vorzusehen,
um lediglich eine Auslenkung der Membran 1 in Uhrzeigerrichtung
oder entgegen der Uhrzeigerrichtung durchführen zu können. Dies vereinfacht den
Aufbau der erfindungsgemäßen Struktur 10, 20.
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Weiterhin
ist es gemäß 6 auch
möglich, kammartige
Strukturen sowohl bei dem Angriffspunkt 45 als auch bei
den Elektroden 41, 42 vorzusehen. Auch hier ist
es möglich,
beispielsweise nur eine der Elektroden 41, 42 vorzusehen.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß auch möglich, die
Ausführungsvariante gemäß 4 mit
kammartigen Strukturen analog der 6 vorzusehen.
Die Kammstrukturen dienen erfindungsgemäß dazu, höhere Auslenkungen zu erzielen.