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Die Erfindung betrifft Module und Baugruppen und spezieller Module und Baugruppen mit mikro-elektromechanischen Mikrofonen.
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Module und Baugruppen können ein mikro-elektromechanisches Mikrofon enthalten. Typischerweise ist ein solches mikro-elektromechanisches Mikrofon in einem Gehäuse montiert, welches aus mehreren Komponenten aufgebaut ist, wobei eine Komponente des Gehäuses typischerweise aus einer Schaltungsplatine hergestellt ist. Auf diese Weise gehäuste mikro-elektromechanische Mikrofone werden dazu verwendet, Schall in elektrische Signale in Anwendungen umzuwandeln, für welche eine Miniaturisierung von besonderem Interesse ist.
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Aus der Druckschrift
WO 2005/086532 A2 sind mehrere Gehäuse für mikro-elektromechanische Mikrofone bekannt.
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Die Druckschrift
DE 600 03 199 T2 offenbart ein Kondensatormikrofon zur Oberflächenmontage auf gedruckten Leiterplatinen.
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Aus der Druckschrift
DE 103 03 263 A1 ist bekannt, ein mikro-elektromechanisches Mikrofon so in ein Gehäuse einzubringen, dass das Gehäusevolumen als Rückvolumen für da Mikrofon genutzt werden kann.
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Die Schrift
US 2006/0001055 A1 zeigt ein in ein Silizium-Substrat mit wannenförmiger Vertiefung eingelassenes LED-Modul.
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Eine Aufgabe der Erfindung kann darin gesehen werden, ein einfach herstellbares miniaturisiertes Modul bzw. eine solche Baugruppe mit einem mikro-elektromechanischen Mikrofon zu schaffen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Moduls aufzuzeigen. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Die begleitenden Zeichnungen sind einbezogen, um ein weitergehendes Verständnis der Ausführungsformen zu schaffen und sind in diese Beschreibung eingearbeitet und bilden einen Teil davon. Die Zeichnungen veranschaulichen Ausführungsformen und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, Prinzipien der Ausführungsformen zu erklären. Andere Ausführungsformen und viele der beabsichtigten Vorteile der Ausführungsformen werden leichter wahrgenommen, da sie unter Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen einander entsprechend, ähnliche Teile.
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1 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform;
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2 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß der ersten Ausführungsform mit einer zusätzlichen elektrischen Komponente, welche neben einem mikro-elektromechanischen Mikrofon montiert ist;
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3 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem Höhenausgleich zwischen einer zusätzlichen elektronischen Komponente und einem mikro-elektromechanischen Mikrofon;
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4 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer gehäusten zusätzlichen elektronischen Komponente;
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5 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei das mikro-elektromechanische Mikrofon neben einer akustischen Öffnung montiert ist;
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6 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform mit einem Höhenausgleich zwischen einer zusätzlichen elektronischen Komponente und einem mikro-elektromechanischen Mikrofon, wobei das mikro-elektromechanische Mikrofon neben einer akustischen Öffnung montiert ist;
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7 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer Abdeckung, welche die wannenförmige Vertiefung des Substrats verschließt;
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8 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer elektrischen Durchführung durch die wannenförmige Vertiefung des Substrats;
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9 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei sich die akustische Öffnung in einer Abdeckung befindet;
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10 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht einer Baugruppe gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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11 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht der Montage eines Kontaktfeldes einer wannenförmigen Vertiefung des Substrats mit einem Kontaktfeld einer Schaltungsplatine;
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12 veranschaulicht eine Draufsicht der Ausgestaltung der Kontaktfelder am Rand des Substrats des Moduls;
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13 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei sich eine akustische Öffnung in dem Substrat befindet;
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14 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei ein mikro-elektromechanisches Mikrofon flip-chip-montiert ist;
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15 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer dritten Ausführungsform, wobei ein mikro-elektromechanisches Mikrofon auf einer Abdeckung montiert ist;
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16 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer dritten Ausführungsform, wobei ein mikro-elektromechanisches Mikrofon auf einem Substrat montiert ist;
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17 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Moduls gemäß einer vierten Ausführungsform, wobei ein mikro-elektromechanisches Mikrofon in der wannenförmigen Vertiefung eines Substrats montiert ist und das Substrat mit einer Schaltungsplatine verschlossen ist;
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18 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Moduls, wobei ein durch Vergießen hergestelltes Kunststoff-Substrat Verwendung findet; und
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19 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines weiteren Verfahrens zur Herstellung eines Moduls, wobei ein durch Vergießen hergestelltes Kunststoff-Substrat Verwendung findet.
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In der folgenden Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen durch bildliche Darstellung spezifische Ausführungsformen dargestellt sind, durch welche die Erfindung praktisch umgesetzt werden kann. In diesem Zusammenhang werden die Richtung betreffende Ausdrücke, wie „oben”, „unten”, „vorne”, „hinten”, „vorderer”, „hinterer” etc. mit Bezug auf die Orientierung der Figuren verwendet. Da Komponenten der Ausführungsformen in einer Vielzahl unterschiedlicher Orientierungen angeordnet werden können, werden die die Richtung betreffenden Ausdrücke zum Zwecke der Veranschaulichung verwendet und sind in keiner Weise einschränkend. Es ist selbstverständlich, dass andere Ausführungsformen benutzt werden können.
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Es versteht sich, dass die Merkmale der hier beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, solange nicht anderes angegeben ist.
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Die im Folgenden beschriebenen Module und Baugruppen beinhalten Ausführungsformen eines mikro-elektromechanischen Mikrofons, welches Schall, z. B. im hörbaren Frequenzbereich, dynamisch in elektrische Signale umwandelt in Verbindung mit einem Substrat mit einer wannenförmigen Vertiefung. Das Substrat umfasst ein aus Kunststoff hergestelltes Vergussteil, welches beispielsweise durch Kompressionsverguss oder Spritzverguss hergestellt sein kann. Vergusstechniken bieten besonders sowohl eine hohe Gestaltungsvariabilität als auch niedrige Herstellungskosten.
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Metallstrukturen, welche als Kontaktelemente für auf dem Substrat aufgebrachte elektronische Komponenten dienen oder Leiterbahnen bilden, können auf der Oberfläche des Substrats erzeugt werden. Es sind verschiedene Techniken verfügbar, um solche in das Substrat integrierte Metallstrukturen zu erzeugen: ein zweikomponentiges Vergießen mit einer nachfolgenden galvanischen oder chemisch stromlosen Verstärkung der Leiterbahnen; eine Abscheidung von Keimschichten, welche nachfolgend ebenfalls galvanisch oder chemisch verstärkt werden oder eine Laser-Direktstrukturierung.
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Ein Heiß-Prägeverfahren kann dazu verwendet werden, die Metallstrukturen auf dem Substrat zu erzeugen. In diesem Verfahren schneidet ein Formstempel, welcher die spiegelverkehrte Leiterbahnstruktur trägt, die benötigten Leiterbahnen aus einer Kupferfolie und drückt sie auf das Kunststoffteil um ein Substrat mit den gewünschten Leitungselementen zu erzeugen.
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Metallisierte vergossene Substrate aus Polymeren sind unter dem technischen Ausdruck „vergossenes Verbindungsbauteil” (molded interconnect device) (MID) bekannt. Wenn in der folgenden Beschreibung der Ausdruck „Substrat” verwendet wird, kann es immer vorgesehen sein, dass dieses Substrat ein MID ist. Aufgrund ihrer inhärenten Gestaltungsvariabilität und strukturierten Metallisierung sind MIDs typischerweise imstande, die Funktionalitäten eines Gehäuses und eines elektrischen Kontaktträgers zu kombinieren.
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1 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Moduls 100, welches ein Substrat 101 und ein mikro-elektromechanisches Mikrofon 102 beinhaltet. Das Substrat ist aus einem Polymer hergestellt, welches durch eine der oben erwähnten Vergusstechniken hergestellt sein kann. Es hat eine wannenförmige Vertiefung 103 und trägt in seiner Vertiefung 103 das mikro-elektromechanische Mikrofon 102. Das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 ist ein Sensor, welcher z. B. aus Silizium hergestellt ist und imstande ist, Schall in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 kann in der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 untergebracht sein. Das mikro-elektromechanische Mikrofon 103 kann in einer relativ zur wannenförmigen Vertiefung 103 nach oben zeigenden Position oder in einer nach unten zeigenden Position montiert werden, welche auch als „flip-chip-montiert” bekannt ist. Das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 beinhaltet ein mechanisches Element, welches auf Kräfte wie akustische Signale anspricht und ein elektronisches Element wie eine Kapazität, um elektrische Signale zu erzeugen, welche gemäß der Betätigung des mechanischen Elements moduliert sind.
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Das Substrat 101 kann aus einem einzelnen integralen Teil hergestellt sein, welches durch eine Vergusstechnik, insbesondere durch Spritzvergießen, hergestellt ist. Das Substrat wird mit einer strukturierten Metallschicht (nicht dargestellt), wie oben beschrieben, versehen. Es ist möglich, das Substrat 101 aus mehr als einem Teil herzustellen. Dann kann jeder Teil, wie oben beschrieben, für sich mit einer Metallstruktur ausgestattet sein und die Teile können aneinander befestigt (z. B. gelötet) sein.
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In den folgenden Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile. 2 veranschaulicht ein Modul 100.1, welches im Vergleich zum Modul 100 der 1 detaillierter ist. Die wannenförmige Vertiefung 103 des Substrats 101 dieses Moduls 100 trägt zwei elektronische Elemente. Das erste Element ist das mikro-elektromechanische Mikrofon 102, welches in einer nach oben zeigenden Position in der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 montiert ist. Es bedeckt eine Öffnung in dem Substrat 101, welche eine akustische Öffnung 104 ist. Schall kann diese Öffnung 104 passieren, um die Membran 105 des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 zu erreichen. Die Öffnung 104 kann einen konstanten kreisförmigen Querschnitt haben, sie kann trichterförmig sein oder ihr Querschnitt kann einer speziellen Funktion, beispielsweise einer Exponentialfunktion, folgen. Das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 trägt eine Gegenelektrode 106, welche mit einer von der Spannung der Membran 105 verschiedenen Spannung betrieben wird.
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Das zweite Element ist eine zusätzliche elektronische Komponente 107, welche ebenfalls in einer nach oben zeigenden Position neben dem mikro-elektromechanischen Mikrofon 102 in der wannenförmigen Vertiefung 103 montiert ist. Die zusätzliche elektronische Komponente 107 kann eine integrierte Schaltung, wie eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit (ASIC)) sein und kann elektronische Komponenten wie Filter, Komparatoren, Verstärker, Zeitverzögerer, Entzerrer, logische Elemente oder Analog/Digital-Wandler beinhalten. Sie kann in analoger Technik ausgestaltet sein, um ausschließlich analoge Signale zu verarbeiten, oder sie kann in digitaler Technik ausgelegt sein, um analoge Signale des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 in digitale Signale umzuwandeln. Für den Fall, dass die integrierte Schaltung in digitaler Technik ausgestaltet ist, kann der Frequenzgang des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 durch Anwendung digitaler Filter in der integrierten Schaltung entzerrt werden. Für den Fall, dass analoge Technik verwendet wird, können zusätzliche diskrete nicht aktive Komponenten (nicht dargestellt) zur Signalformung bereitgestellt sein.
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Das Substrat 101 kann mindestens ein leitendes Element beinhalten, welches mit dem mikro-elektromechanischen Mikrofon 102 verbunden sein könnte. Das leitende Element kann eine elektrischen Durchführung und/oder eine Leiterbahn und/oder ein Kontaktfeld sein. Ferner kann eine Metallschicht, welche auf der inneren und/oder der äußeren Seite des Substrats 101 angebracht sein könnte, dazu verwendet werden, das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 oder die zusätzliche elektronische Komponente 107 abzuschirmen. Das Modul 100 kann Leiterbahnen 108 in der Vertiefung 103 tragen, welche sich entlang der Seitenwand 109 des Substrats 101 zum Rand 110 der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 erstrecken und dort in Kontaktfeldern 111 enden können. Die Leiterbahnen 108 können auch um die äußere Kante des Rands 110 verlaufen. Die Leiterbahnen 108 können z. B. durch Laser-Strukturierung oder eine andere Strukturierungstechnik strukturiert werden und können auf oben beschriebene Weise verstärkt werden.
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Die wannenförmige Vertiefung 103 des Substrats 101 kann auch Kontaktfelder 112 tragen, welche als Kontaktelemente zwischen Leiterbahnen 108, zusätzlichen elektronischen Komponenten 107 oder dem mikro-elektromechanischen Mikrofon 102 dienen. Die Verbindung zwischen Kontaktfeldern 112 und den zusätzlichen elektronischen Komponente 107 oder dem mikro-elektromechanischen Mikrofon 102 kann durch Drahtkontaktierungs-Techniken hergestellt werden. Drähte 113 werden von den Kontaktfeldern 112 zu den Feldern 115 der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 gezogen. Ebenso werden Drähte 114 von den Feldern 116 des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 zu den Felder 115 der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 gezogen. Kupfer, Gold oder Aluminium kann als Drahtmaterial verwendet werden. Keilkontaktierungs- oder Ballkontaktierungs-Techniken können verwendet werden, die Verbindungen der Drähte 113, 114 mit den Feldern 115, 116 herzustellen.
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2 veranschaulicht nur zwei elektronische Komponente in der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101, nämlich das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und die zusätzliche elektronische Komponente 107. Abhängig von den Anforderungen ist es auch möglich, keine oder mehr als eine zusätzliche elektronische Komponente 107 in der wannenförmigen Vertiefung 103 zu montieren. Wird spezieller lediglich das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 in der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 montiert, wird das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 mit den Kontaktfeldern 112 des Substrats 101 verbunden. Dies könnte durch Kontaktieren desselben mit Bonddrähten an das Substrat 101 durchgeführt werden oder es könnte in einer nach unten zeigenden Position durch Löten an die Kontaktfelder 112 montiert werden. Diese Kontaktfelder 112 sind über Leiterbahnen 108 mit Anschlüssen (nicht dargestellt) verbunden, welche auf der Außenseite des Substrats 101 angeordnet sind um eine Versorgungsspannung an das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 zu koppeln und die Signale des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 an elektronische Komponenten (nicht dargestellt) zu koppeln, welche außerhalb des Substrats 101 angeordnet sind.
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2 veranschaulicht, dass die Anordnung des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 neben der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 zu kompakten Modulen 100.1 mit niedriger Höhe führt. Die Höhe eines mikro-elektromechanischen Mikrofons kann z. B. ungefähr 0,4 mm sein, die Höhe der zusätzlichen elektronischen Komponente 107, welche eine integrierte Schaltung sein könnte, kann z. B. etwas kleiner sein, die Dicke der Vertiefung 103 kann ungefähr 0,2 bis 0,4 mm sein und die Gesamthöhe h eines Moduls 100 kann deshalb kleiner als 1 mm sein.
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In 3 ist ein etwas abgewandeltes Modul 100.2 der 2 veranschaulicht. Die Montage der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 auf einem Sockel 117 und die Montage des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 in einer Vertiefung 118 führt zu einer Ausgestaltung mit allen Feldern 115 und 116 der mindestens einen zusätzlichen elektronischen Komponente 107 und dem mikro-elektromechanischen Mikrofon 102 in einer Ebene, was in dem Drahtkontaktierungsprozess vorteilhaft ist.
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In 4 ist die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 107 des Moduls 100.3 unter Verwendung einer Vergussmasse 119 gehäust. Dies führt zu einem Schutz gegen Lichtstrahlung oder mechanische Einflüsse auf die Komponente 107 und die Bonddrähte. Die Vergussmasse 119 kann beispielsweise aus einem thermoplastischen Harz oder einem duroplastischen Kunststoff, z. B. Epoxidharz, hergestellt sein. Sie verkapselt typischerweise die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 107 und zumindest einen Teil der Drähte 113 und 114.
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In 5 ist das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 an die akustische Öffnung 104 in Modul 100.4 grenzend montiert. Der Schall kann die Öffnung 104 passieren, um die Membran 105 von der Rückseite 120 des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 zu treiben. Aufgrund des Antreibens des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 von der Rückseite 120 und aufgrund seiner nach oben zeigenden Montage auf der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 wird durch die Seitenwand 122 und die Membran 105 des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 ein kleines geschlossenes Rückvolumen 121 definiert.
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Diese Anordnung führt zu einem Schutz der Membran 105 gegen Teilchen.
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Ein etwas abgewandeltes Modul 100.5 des Moduls 100.4 (5) ist in 6 veranschaulicht, wobei das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und die zusätzliche elektronische Komponente 107 auf eine Weise in der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 montiert sind, dass ihre Felder (Pads) 115, 116 in einer Ebene positioniert sind. Zu diesem Zweck ist das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 in einer Vertiefung 118 montiert und/oder die zusätzliche elektronische Komponente 107 ist auf einem Sockel 117 des Substrats 101 montiert. Zusätzlich ist veranschaulicht, dass die zusätzliche elektronische Komponente 107 durch eine Vergussmasse 119 geschützt ist.
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Die Module 100, 100.1–5 könnten ferner eine Abdeckung 123 beinhalten, welche die wannenförmige Vertiefung 103 des Substrats 101 verschließt und ein geschlossenes akustisches Volumen für das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 formt. Wenn die Abdeckung 123 eine Folie 124 ist, welche leicht durch Schall angeregt werden kann, ist es möglich, Schall zur Membran 105 des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 zu übertragen, ohne eine akustische Öffnung 104, wie in 7 veranschaulicht, zu haben. Solche Module wie sie beispielhaft durch das Modul 100.6 erläutert sind, sind kompakt und luftdicht und deshalb perfekt gegen die Umwelt geschützt. Die Folie 124, welche eine Dicke von mehreren zehn bis mehreren hundert Mikrometer haben kann, kann durch einen leitenden Kleber an den Rand 110 der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 befestigt sein. Alle üblichen Kunststoffe wie Polypropylen, Polyvinylchloride, Polyäthylen, Polyäthylen-Terephthalat oder ähnliche können als Materialien für die Folie 124 verwendet werden.
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Um die Elemente in der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 gegen elektromagnetische Strahlung abzuschirmen, kann die Folie 124 und/oder das Substrat 101 zumindest teilweise leitend sein. Deshalb könnte die Folie 124 und/oder das Substrat 101 wenigstens teilweise mit einer Metallschicht 125, 126 beschichtet sein. Die Metallschichten 125, 126 müssen nicht die gesamte Oberfläche der Folie 124 und/oder des Substrats 101 bedecken, sondern sie können an geeigneten Stellen der Folie 124 und/oder des Substrats 101 angebracht sein, um die Elemente auf eine solche Weise zu schützen, dass elektromagnetische Wellen ausreichend gedämpft werden, wenn sie in die wannenförmige Vertiefung 103 des Substrats 101 eindringen. Deshalb könnte es ausreichen, die Folie 124 und/oder das Substrat 101 mit netzartigen oder scheibenartigen Mustern von Metallschichten 125, 126 zu beschichten. Vorzugsweise sollte die Folie 124 auf ihrer Außenseite beschichtet sein. Dann wird die Metallschicht 125 der Folie 124 an einigen Stellen um den Rand der Folie 124 gewickelt, um einen elektrischen Kontakt mit einem leitenden Kleber (nicht dargestellt) und mit einer Metallschicht 126 zu erreichen, welche sich über das Substrat 101 erstreckt.
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Solche Module 100.6 können mit ihrer Montageseite 150, auf welcher die Kontaktfelder 127 mit Kontaktfeldern auf einer Montageplattform, z. B. einer Schaltungsplatine (nicht dargestellt), verbunden sind, auf einer Schaltungsplatine montiert werden. Zu diesem Zweck werden die Signale des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 und/oder der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 mittels Leiterbahnen 108 übertragen, welche um die Seitenwand 109 der wannenförmigen Vertiefung 103 zu den auf der Montageseite 150 befindlichen Kontaktfeldern 127 verlaufen. An jenen Positionen, wo die Folie 124 die Leiterbahnen 108 kontaktiert, ist die Metallschicht 125 der Folie 124 nicht um den Folienrand gewickelt.
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Es ist auch möglich, die innere Seite der Folie 124 mit einer Metallschicht (in 7 nicht dargestellt) zu beschichten. In diesem Fall sollte verhindert werden, dass die Leiterbahnen 108 durch die Metallschicht 125 umgangen werden, so dass die Metallschicht nur Kontakt zu einer der Leiterbahnen 108 haben kann. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung eines nicht-leitenden Klebers an Positionen erreicht werden, wo ein Kontakt vermieden werden sollte. Es ist auch eine Durchführung der Leiterbahnen 108 in einem schmalen Abstand unter der Oberfläche des Randes 110 möglich, um Kontakt zwischen einer Folienmetallschicht mit einer Leiterbahn 108 zu vermeiden.
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Ein weiteres Modul 100.7 ist in der 8 veranschaulicht. Das Modul 100.7 der 8 ist dem Modul 100.6 der 7 ähnlich, aber muss nicht oder nur teilweise mit Leiterbahnen 108 ausgestattet sein, welche um eine Seitenwand 109 (7) verlaufen. Das Modul 100.7 ist mit mindestens einer in der Vertiefung 103 lokalisierten elektrischen Durchführung 128 ausgestattet, welche das Signal von der mindestens einen zusätzlichen elektronischen Komponente 107 zu der Leiterbahn 108 auf der Montageseite 150 des Substrats 101 koppelt. Die Durchführung 128 oder zusätzliche Durchführungen können dazu verwendet werden, an die Felder 116 des elektromechanischen Mikrofons 102 zu koppeln. Ebenso ist eine Kombination elektrischer Durchführungen 128 und Leiterbahnen 108, welche um die Seitenwand 109 des Substrats 101 verlaufen, möglich, um die Anschlüsse des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 und der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 zu externen Anwendungen zu kontaktieren.
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Da die in den 7 und 8 veranschaulichten Module 100.6, 100.7 beide eine dünne Folie 123 verwenden, um das durch das Substrat 101 und die Folie 123 definierte Volumen zu verschließen, können beide Module 100.6, 100.7 eine sehr kleine Höhe von weniger als 1,5 mm, spezieller 1,0 mm haben.
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Ein Modul 100.8 ähnlich denen der 7 und 8, welches eine feste Abdeckung anstelle der elastischen Folie verwendet, ist in der 9 veranschaulicht. Die Abdeckung 123 kann aus einem Polymer bestehen, welches aus einem vergossenen Polymer oder einem duroplastischen Kunststoff hergestellt sein kann. Um das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und/oder die zusätzliche elektronische Komponente(n) 107 zu schützen, kann die Abdeckung 123 mit einer Metallschicht (nicht dargestellt) beschichtet sein, sie kann mit Metallteilchen gefüllt sein oder sie kann aus einem Metall hergestellt sein. Die Abdeckung 123 umfasst eine akustische Öffnung 104, um den Schall passieren zu lassen. Die Dicke der Abdeckung 123 könnte ungefähr 0,1 bis 0,3 mm sein. Um eine dichte Montage des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 auf der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 zu erreichen, kann eine Dichtung 130 verwendet werden, welche einen Kleber beinhalten kann. Die Seitenwände 122 des auf diese Weise montierten mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 bilden ein kleines Rückvolumen 121. Das Modul 100.8 soll mit der Montageseite 150 auf einer Montageplattform z. B. einer Schaltungsplatine (nicht dargestellt) eines Kunden montiert werden. Die Signale des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 und/oder der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 sind mittels Leiterbahnen 108 um die Seitenwand 109 zu den Kontaktfeldern 111 auf der Montageseite 150 des Substrats 101 geführt.
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10 veranschaulicht eine Baugruppe 200, in welcher ein wie in den 1 bis 6 veranschaulichtes Modul 100, 100.1–5 auf einer Montageplattform, z. B. einer Schaltungsplatine 201, montiert ist. Die Baugruppe 200 umfasst ein Substrat 101, ein mikro-elektromechanisches Mikrofon 102 und die Montageplattform 201. Das Substrat 101 hat eine wannenförmige Vertiefung 103 und trägt in seiner Vertiefung 103 das mikro-elektromechanische Mikrofon 102. Das Substrat 101 ist auf eine Weise auf der Montageplattform 201 aufgebracht, dass die wannenförmige Vertiefung 103 durch die Montageplattform 201 verschlossen ist. Das Substrat 101 ist mit Kontaktfeldern 111 ausgestattet, welche sich an dem Rand 110 der wannenförmigen Vertiefung 103 befinden und welche an Kontaktfelder der Montageplattform 201 gelötet sind. Mit Ausnahme enger Lücken 129 (12) können die Kontaktfelder 111 einen fast geschlossenen Rahmen am Rand 110 der wannenförmigen Vertiefungen 103 bilden. 12 veranschaulicht einen möglichen Grundriss (footprint) einer Anordnung der Kontaktfelder 111 auf dem Rand 110. Somit wird durch das Löten der Kontaktfelder 111 an ihre Gegenfelder auf der Montageplattform 201, d. h. durch Bilden eines luftdichten Rückvolumens 204 der Baugruppe 200, eine fast luftdichte Ausgestaltung zwischen einem Modul 100, 100.1–5 und einer Montageplattform 201 erreicht. Typischerweise wird ein kleiner Abstand 203 zwischen den Kontaktfeldern benötigt, um sie zusammenzulöten. Die Verbindung der Kontaktfelder 111 mit ihren Gegenfeldern auf der Montageplattform 201 kann durch leitende Kleber erreicht werden.
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Der Abstand 203 vergrößert die Öffnungen über den Lücken 129 zwischen dem Substrat 101 und der Montageplattform 201 und verschlechtert somit die Dichtigkeit des Rückvolumens 204. Deshalb kann die Dichtigkeit durch eine spezielle Ausgestaltung des Substrats 101 oder der Montageplattform 201 verbessert werden, in welcher fußartige Sockel 205 (siehe 11) auf der Montageplattform 201 oder auf dem Rand 110 des Substrats 101 angebracht sind, um die Öffnungen über den Lücken 129 zu schließen. Solch eine Ausgestaltung führt zu einer Baugruppe 200 mit einem dichten und großen Rückvolumen 204 mit einem Fassungsvermögen von ungefähr 1 bis 4 mm3 oder sogar größer. Solche relativ großen Rückvolumina 204 verbessern die Leistung mikro-elektromechanischer Mikrofone 102, da sie in einer Frequenzbandbreite resultieren, welche zu niedrigen Frequenzen hin erweitert ist im Vergleich zu Frequenzbandbreiten, welche mit kleineren Rückvolumina unter z. B. 1 mm3 erreicht werden können.
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Es ist anzumerken, dass eine Modulabdeckung in den durch die 10 bis 12 veranschaulichten Baugruppen weggelassen ist, wo das offene Substrat 101 direkt auf der (z. B. Kunden-)Montageplattform 201 montiert ist. Deshalb kann eine sehr kleine Gesamthöhe der Baugruppe (Substrat 101 und Montageplattform 201) erreicht werden.
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13 veranschaulicht ein Modul 100.9, welches ähnliche Merkmale wie die Module 100, 100.1–5 der 1 bis 6 hat. Das Modul 100.9 ist an der wannenförmigen Vertiefung 103 durch eine Abdeckung 123 geschlossen. Hierbei ist die Montageseite 150 des Moduls der Abdeckung 123 zugewandt. Die Signale des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 und/oder der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 werden mittels Leiterbahnen 108 zu dem Rand 110 der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 übertragen. Das Substrat 101 kann zumindest teilweise mit einer Metallschicht 126 beschichtet sein, welche das Modul 100 gegen elektromagnetische Wellen schützt. Diese Metallschicht 126 kann mit einer der Leiterbahnen 108 verbunden sein. Aufgrund der Montage des Moduls 100.9 mit seiner Montageseite 150 auf eine Montageplattform (z. B. Schaltungsplatine, nicht dargestellt) muss die Abdeckung 123 nicht leitend sein, um elektromagnetische Wellen abzuschirmen. Vielmehr kann die Montageplattform mit einer abschirmenden Metallschicht ausgestattet sein.
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14 veranschaulicht ein Modul 100.10, welches die Montage des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 und der zusätzlichen elektronischen Komponente 107 in einer nach unten zeigenden Position auf der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 veranschaulicht. Es ist auch möglich nur eine von ihnen in einer nach unten zeigenden Position zu montieren. Natürlich ist diese Montageart auch auf alle in den 1 bis 9 veranschaulichten Module 100, 100.1–8 anwendbar. Für den Fall, dass das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 107 in einer nach unten zeigenden Position montiert sind, sind die Verbindungen zwischen dem mikro-elektromechanischen Mikrofon 102 und der mindestens einen zusätzlichen elektronischen Komponente 107 mittels Leiterbahnen 108 hergestellt. Wenn die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 107 in einer nach oben zeigenden Position (nicht dargestellt) montiert ist, können Bonddrähte von Feldern der mindestens einen zusätzlichen elektronischen Komponente 107 zu Kontaktfeldern gezogen werden, welche mittels Leiterbahnen 108 mit dem mikro-elektromechanischen Mikrofon 102 verbunden sind. Für den Fall, dass das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 nach unten zeigend montiert ist, passiert der Schall die akustische Öffnung 104, um zuerst die Gegenelektrode 106 und dann die Membran 105 des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 zu erreichen. Der an die Gegenelektrode 106 angrenzende Hohlraum ist durch die Verwendung z. B. eines Klebers 130 gegen das Rückvolumen 121 abgedichtet. Eine die Vertiefung 103 des Substrats 101 verschließende Abdeckung 123 kann dazu verwendet werden, ein luftdichtes Rückvolumen 121 zu bilden. Es ist anzumerken, dass die Verwendung dieser Abdeckung 123 nicht zwingend benötigt wird, da das Modul direkt auf eine Montageplattform 201 montiert werden kann, wodurch eine Abdichtung der Vertiefung 103 ebenfalls erreicht werden kann.
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15 veranschaulicht ein Modul 300.1 einer weiteren Ausführungsform, in welcher das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 104 auf einer Abdeckung 123 montiert sind. Die Abdeckung 123 ist aus einem vergossenen Polymer oder einem duroplastischen Kunststoff hergestellt und kann selbst ein MID sein (somit kann das Modul 300 aus zwei MIDs zusammengesetzt sein). Die Abdeckung 123 kann eine Metallschicht 125, Leiterbahnen 108, Anschlussfelder 111 und eine akustische Öffnung 104 beinhalten. Das Modul 300 kann mit seiner Montageseite 150 auf eine Montageplattform 201 montiert sein, z. B. einer Schaltungsplatine. Um die Signale an die Anschlussfelder der Montageseite 150 zu koppeln, können sie mittels Leiterbahnen 131 über die innere Oberfläche der Vertiefung 103 und elektrische Durchführungen 128 zu den Kontaktfeldern 127 auf der Montageseite 150 geführt werden oder sie können mittels Leiterbahnen 132 über die äußere Oberfläche des Substrats zur Montageseite 150 geführt werden.
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16 veranschaulicht ein dem Modul 300.1 der 15 ähnliches Modul 300.2, wobei die Kunststoffabdeckung 123 der 15 gegen eine Laminatstruktur 133 wie ein Stück einer Schaltungsplatine oder einem SBU (sequentiellem Aufbau (Sequential Build-UP)) Laminat ausgetauscht ist. Das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 107 sind auf die Laminatstruktur 133 montiert. Die Laminatstruktur 133 kann eine Metallschicht 134 enthalten, um das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und/oder die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 107 zu schützen. Das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 107 sind durch Bonddrähte 113, 114 mit der Laminatstruktur 133 verbunden. Die Laminatstruktur 133 ist durch Leiterbahnen 131 mit der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 verbunden. Die Laminatstruktur 133 ist mit einer elektrischen Durchführung 128 ausgestattet, um die Metallschicht 134 mit den Leiterbahnen 132 des Substrats 101 zu verbinden. Zusätzlich hat sie eine akustische Öffnung 104, um den Schall zu dem mikro-elektromechanischen Mikrofon 102 passieren zu lassen. Die Höhe solcher Module 300.1, 300.2 kann etwas größer als die der Module 100, 100.1–10 sein, da die Dicke des Substrats etwa 0,3 mm ist. Um mehr Platz für die Bonddrähte 113, 114 zwischen der Verbindung des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 und der wenigstens einen zusätzlichen elektronischen Komponente 107 oder zwischen der wenigstens einen zusätzlichen elektronischen Komponente 107 und der Laminatstruktur 133 zu erlauben, kann die wannenförmige Vertiefung 103 des Substrats mit einer Vertiefung 118 ausgestattet sein.
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17 veranschaulicht ein Modul 400, wobei die Vertiefung 103 des Substrats 101 durch eine Laminatstruktur 133 verschlossen ist. Somit ist das Modul 400 der 17 dem Modul 100.9 der 13 ähnlich, außer dass die wannenförmige Vertiefung 103 des Substrats 101 nicht durch eine Abdeckung 123 (vgl. 13) verschlossen ist, sondern durch eine Laminatstruktur 133, wie ein Stück einer Schaltungsplatine oder einem SBU (sequentieller Aufbau (Sequential Build-Up) Laminat. Die äußere Oberfläche der Laminatstruktur 133 ist die Montageseite 150 des Moduls 400. Ähnlich zur 16 ist das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 direkt über einer akustischen Öffnung 104 montiert, welche jedoch in der 17 in dem Substrat 101 bereitgestellt ist. Die Signale des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 und der mindestens einen zusätzlichen elektronischen Komponente 107 werden mittels Leiterbahnen 108 übertragen, welche über die innere Oberfläche der Seitenwände 109 der wannenförmigen Vertiefung 103 zu der inneren Metallschicht der Laminatstruktur 133 verlaufen. Die Laminatstruktur 133 hat elektrische Durchführungen 128, um die Signale zu Kontaktfeldern 111 der äußeren Oberfläche des Stücks einer Schaltungsplatine 133 zu führen. Für den Fall, dass die Laminatstruktur 133 eine Schaltungsplatine ist, kann sie eine einlagige oder eine mehrlagige Schaltungsplatine sein.
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Es ist anzumerken, dass Merkmale der Module und Baugruppen, welche beispielhaft in den 1 bis 17 veranschaulicht sind, kombiniert werden können, um zusätzliche Ausführungsformen bereitzustellen, solange solche Kombinationen nicht durch physikalische Beschränkungen ausgeschlossen sind. Ferner stellen alle hierin beschriebenen Module aufgrund der Verwendung eines vergossenen „dreidimensionalen” Kunststoffsubstrats 101 eine große Gestaltungsvariabilität bereit. Alle Module in welchen das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 über der akustischen Öffnung 104 angeordnet ist, stellen ein großes akustischen Rückvolumen (d. h. das Volumen hinter der Membran 105 von der akustischen Öffnung 104 ausgesehen) bereit.
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Dieses akustische Rückvolumen 121, 204 wird durch die Montage des Substrats 101 der 1, 2, 3, 4 oder 10 an seinem Rand auf eine Schaltungsplatine oder jede andere dichtende Montageplattform oder durch Schließen des Substrats 101 mit einer Abdeckung oder einer Laminatstruktur wie in den 9 und 13 bis 17 veranschaulicht erzeugt. In diesen Fällen wirkt die Membran 105 des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 einem luftdichten Volumen (das heißt dem akustischen Rückvolumen 121, 204) entgegen, welches über seine Compliance (Nachgiebigkeit) Cv die akustische Leistung der Übertragungseigenschaften des Mikrofons auf eine Weise beeinflusst, dass angepasste Rückvolumina zu einer optimierten niedrigeren kritischen Frequenz führen. Die wichtigsten Kenngrößen, welche das Verhalten des oszillierenden Systems beschreiben sind die Compliance Cm, d. h. die Auslenkung pro Druckänderung der Membran 105, die Fläche A der Membran 105 und die Compliance Cv des akustischen Rückvolumens 121, 204. Die Beziehung zwischen diesen Kenngrößen ist Cm·A ~ Cv.
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Die Compliance Cv des Rückvolumens 121, 204 hängt linear von der Größe des akustischen Rückvolumens V und umgekehrt proportional von der Dichte der Luft und der quadratischen Schallgeschwindigkeit ab. Deshalb kann die oben gegebene proportionale Beziehung abgeändert werden, um die Abhängigkeit zwischen der Größe V des akustischen Rückvolumens 121, 204 und der Fläche A der Membran 105 zu beschreiben durch Cm·A ~ V.
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Um eine frequenzdynamische Leistung mit einer niedrigen übertragbaren kritischen Frequenz zu erhalten, kann das Verhältnis zwischen dem Rückvolumen V und der Fläche A der Membran größer als 2 mm gewählt werden, zumindest für den Fall eines Rückvolumens größer als 2 mm3.
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Für alle hierin beschriebenen Module sind kleine Höhen praktikabel. Hocheffiziente Herstellungsprozesse werden speziell in Fällen erreicht, wo das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 und/oder die zusätzliche Komponente 107 nach unten zeigend montiert sind, d. h. durch einen Flip-Chip-Montageprozess.
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Es versteht sich ferner, dass alle durch die 1 bis 17 veranschaulichten Module in ähnlichen Prozessen hergestellt werden können. Zwei beispielhafte Prozesse sind in den 18 und 19 durch die Verwendung eines Ablaufdiagramms veranschaulicht.
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Gemäß 18 beinhaltet ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Moduls 100 den Prozess a) des Bereitstellens eines vergossenen Kunststoffsubstrats 101 mit einer wannenförmigen Vertiefung 103, den Prozess b) des Bereitstellens eines mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 und den Prozess c) des Montierens des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 in der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101.
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Gemäß den unterschiedlichen Ausführungsformen könnten weitere Prozesse notwendig sein. Beispielsweise könnte das elektrische Verbinden des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 mit mindestens einem leitenden Element des Substrats 101 notwendig sein. Es könnte auch notwendig sein, das mikro-elektromechanische Mikrofon 102 mit mindestens einer zusätzlichen elektronischen Komponente 107 elektronisch zu verbinden und die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente 107 mit Kontaktfeldern zu verbinden. Solche leitenden Elemente und die mindestens eine zusätzliche elektronische Komponente sind in den 1 bis 9 veranschaulicht. Ferner könnte das Verschließen der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 durch eine Abdeckung 123 notwendig sein. Deshalb kann die Abdeckung 123 gemäß irgendeiner der beschriebenen Ausführungsformen, welche in den 7 bis 9 und 13 bis 17 veranschaulicht sind, ausgestaltet sein und dann an das Substrat 101 befestigt werden. Darüber hinaus kann das Substrat 101 abgeschlossen werden, indem es auf einem Träger wie der in der 10 veranschaulichten Schaltungsplatine 201 angeordnet wird.
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Gemäß 19 beinhaltet ein zweites Verfahren für die Herstellung eines Moduls 300 den Prozess a) des Bereitstellens eines vergossenen Kunststoffsubstrats 101 mit einer wannenförmigen Vertiefung 103, den Prozess b) des Bereitstellens eines mikro-elektromechanischen Mikrofons 102, den Prozess c) des Bereitstellens einer Abdeckung 123, den Prozess d) des Montierens des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 auf der Abdeckung 123 und den Prozess e) des Schließens der wannenförmigen Vertiefung 103 des Substrats 101 mit der Abdeckung 123.
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Das Verfahren kann ferner das elektrische Verbinden des mikro-elektromechanischen Mikrofons 102 mit mindestens einem leitenden Element der Abdeckung 123 beinhalten und das Verfahren kann das elektrische Verbinden des mindestens einen leitenden Elements der Abdeckung 123 mit mindestens einem leitenden Element des Substrats 101 beinhalten. Die Abdeckung kann gemäß irgendeiner der beschriebenen Ausführungsformen ausgelegt sein, welche in den 15 und 16 veranschaulicht sind.
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Obwohl hier spezifische Ausführungsformen veranschaulicht und beschrieben wurden, ist sich der Fachmann bewusst, dass eine Vielfalt alternativer und/oder äquivalenter Ausführungen die spezifischen gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen ersetzen kann, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Diese Anmeldung soll jegliche Anpassungen oder Variationen der spezifischen, hier diskutierten Ausführungsformen abdecken.
