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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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Außerdem offenbart die
DE 10 2004 041 214 A1 einen elektroakustischen Wandler zur Erzeugung von akustischen Signalen in einem den elektroakustischen Wandler zumindest teilweise umgebenen Medium. Hierbei umfasst der elektroakustische Wandler eine Membran, welche über eine Membranaufhängung mit einer änderbaren Federsteifigkeit aufgehängt ist.
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Des Weiteren offenbart die
DE 102 05 585 A1 ein mikromechanisches Bauelement mit einer über Federn aufgehängten Membran.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Struktur zum Empfang und/oder zur Erzeugung von akustischen Signalen auf einfache, platzsparende und kostengünstige Weise bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bzw. ein Verfahren gemäß Anspruch 5 gelöst.
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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 gegenüber dem Stand der Technik 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 gemäß einer ersten Alternative vorgesehen, 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 gemäß der ersten Alternative vorgesehen, 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 sind gemäß einer zweiten Alternative die Abstimmungsmittel wenigstens teilweise als Teil der Aufhängung vorgesehen. 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 gemäß einer dritten Alternative vorgesehen, dass die Abstimmungsmittel 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 einseitigen 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 mikromechanische 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 Substratmaterials 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 31 d. 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 forcierter 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 Abstimmung 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.
