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Aus der
DE 10 2004 011 148 B3 sind MEMS-Mikrofone mit einer Schalltrennung zwischen einem Mikrofonchip und einem Deckel bekannt.
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Aus der
DE 103 03 263 A1 sind MEMS-Mikrofone mit Dichtmittel zwischen einem Trägermaterial und einer Leiterplatte bekannt.
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Aus der
DE 10 2006 046 292 A1 sind MEMS-Mikrofone bekannt, wobei ein MEMS-Chip eine Schalleintrittsöffnung von innen verschließt.
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Aus der
US 2009/0001553 A1 sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, MEMS-Bauelemente (= Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) auf einem Träger aufzubringen und mit einer Kappe oder einer anderen Abdeckung abzudecken. Als Sensoren ausgebildete MEMS-Bauelemente, die für die Funktion des Bauelements eine fluidische Verbindung (z. B. für Gase oder Flüssigkeiten) des zum Beispiel abgedeckten Innenraums nach außen benötigen, wie beispielsweise Mikrofone oder Drucksensoren, benötigen im Träger oder in der Abdeckung eine Öffnung, die vorzugsweise über dem MEMS-Chip in der Abdeckung oder unter dem MEMS-Chip im Träger angeordnet ist.
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Weit verbreitet sind Mikrofone mit unten liegender also im Träger vorgesehener Schallöffnung. Der MEMS-Chip kann dabei die Schallöffnung von innen verschließen und somit das gesamte Gehäusevolumen als akustisches Referenz- oder Rückvolumen nutzen. Möglich ist es auch, den MEMS-Chip an anderer Stelle anzubringen, an der er dann jedoch meist nur ein geringeres Rückvolumen zur Verfügung hat.
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Eine übliche Befestigung von MEMS-Bauelementen erfolgt in SMT-Technologie (Surface Mount Technology) auf einer Leiterplatte, in der sich ein Durchbruch korrespondierend zur Schallöffnung im Boden des MEMS-Mikrofons befindet.
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Beim Einsatz eines MEMS-Mikrofons in einem Elektrogerät wie beispielsweise einem Mobiltelefon ist meist eine Abdichtung gegenüber zum Geräteinneren hin an der Stelle erforderlich, an der die Leiterplattenöffnung und die Öffnung im Gehäuse des elektrischen Geräts zusammentreffen. Die Abdichtung zwischen der Schallöffnung des MEMS-Mikrofons und der Schallöffnung des Gerätegehäuses erfolgt beispielsweise über Elastomerfolien, wie sie auch Teil der Folientastatur bei Mobiltelefonen sein können.
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Mit zunehmender Miniaturisierung der MEMS-Mikrofone und insbesondere bei MEMS-Mikrofonen mit Schalleintrittsöffnung an ungewöhnlicher Stelle besteht jedoch das Problem, die Abdichtung zwischen MEMS-Mikrofon und dem Gehäuse des Elektrogeräts exakt vorzunehmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Gehäuse mit einer zweiten Schalleintrittsöffnung und einem MEMS-Mikrofon mit einer ersten Schalleintrittsöffnung anzugeben, welches sich in einfacher Weise montieren lässt.
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Diese Aufgabe wird durch ein Gehäuse mit MEMS-Mikrofon mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen, ein elektrisches Gerät, welches ein solches MEMS-Mikrofon umfasst, sowie ein Verfahren zur Herstellung sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
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Es wird ein MEMS-Mikrofon vorgeschlagen, welches rund um eine erste Schalleintrittsöffnung eine Dichtstruktur aufweist, die die erste Schalleintrittsöffnung umschließt. Die Dichtstruktur ist fest mit dem Mikrofon verbunden.
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Das MEMS-Mikrofon weist einen Träger, einen darauf montierten Mikrofonchip und eine darüber angeordnete Abdeckung auf, die zusammen mit dem Träger einen Hohlraum einschließt, in dem der Mikrofonchip angeordnet ist. Die erste Schalleintrittsöffnung ist in der Abdeckung oder im Träger vorgesehen.
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Mit Hilfe der am Mikrofon vorgefertigten Dichtstruktur ist es in einfacher Weise möglich, das MEMS-Mikrofon in ein beliebiges Gehäuse mit einer zweiten Schalleintrittsöffnung so einzubauen, dass dabei das Gehäuseinnere mit Hilfe des MEMS-Mikrofons dicht gegen die erste Schalleintrittsöffnung verschlossen ist. Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, die Herstellung der Dichtstruktur in den Fertigungsprozess des MEMS-Mikrofons zu integrieren. Die Dichtstruktur kann auf diese Weise mit minimalen Abmessungen und exakt an der gewünschten Stelle des MEMS-Mikrofons gefertigt werden. Dennoch kann das MEMS-Mikrofon sicher im Gehäuse montiert und passgenau relativ zur zweiten Schalleintrittsöffnung im Gehäuse des elektrischen Geräts montiert werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Dichtstruktur ein Elastomer. Dies ist für die Abdichtfunktion der Dichtstruktur, also zur Abdichtung zwischen MEMS-Mikrofon und Gehäuse des elektrischen Geräts von Vorteil, da das Elastomer auch Unebenheiten des Gehäuseinneren rund um die zweite Schalleintrittsöffnung ausgleichen kann. Ein Elastomer ermöglicht es auch, bei nicht 100%-ig planparalleler Anordnung von MEMS-Mikrofon und Gerätegehäuse dennoch die erforderliche Dichtigkeit herzustellen.
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Gemaß einer weiteren Ausführungsform weist die Dichtstruktur eine aufgeschäumte Struktur auf. Auch die in der aufgeschäumten Struktur integrierten Luftblasen, die vorzugsweise unter einem leichten Überdruck stehen, sorgen für eine Kompressibilität und Elastizität der Dichtstruktur, die somit die gleichen Vorteile wie eine Elastomerstruktur aufweisen.
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Sowohl Elastomer als auch aufgeschäumte Struktur werden vorzugsweise mit einer organischen Kunststoffmasse realisiert. Auch sehr weiche Thermo- oder Duroplaste können geeignet sein. Besonders geeignete Materialien sind beispielsweise Kautschuk (z. B. Chloropren- oder Acrylnitril-Butadien-Kautschuk), Polyurethan oder Silikon, die in kompakter Struktur als Elastomer oder auch in aufgeschäumter Struktur und damit in besonders kompressibler Version herstellbar sind. Dichtstrukturen aus aufgeschäumten Kunststoffen werden auch als FIPG (Foamed-In-Place Gasket) bezeichnet.
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Es ist möglich, die Dichtstruktur direkt auf dem MEMS-Mikrofon zu erzeugen. Dazu kann die Dichtstruktur in Form einer viskosen Flüssigkeit mittels einem Dispensers appliziert oder aufgetropft werden.
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Möglich ist es auch, die Dichtstruktur aufzudrucken, beispielsweise mittels Sieb-, Schablonen- oder Stempeldruck.
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Nach dem Aufbringen lässt man die als viskose Masse aufgebrachte Dichtstruktur aushärten oder härtet sie aktiv aus, beispielsweise bei erhöhter Temperatur oder unter Einwirkung von UV-Strahlung.
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Eine aus Thermoplast gefertigte Dichtstruktur kann auch im aufgeschmolzenen Zustand aufgebracht und durch Abkühlen ausgehärtet werden.
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Die Dichtstruktur kann auch vorgefertigt sein und wird nachträglich auf das MEMS-Mikrofon rund um die erste Schalleintrittsöffnung montiert und insbesondere aufgeklebt. Eine vorgefertigte Dichtung kann auch die Schalleintrittsöffnung bedecken, wenn sie in diesem Bereich schalldurchlässig ist oder schalldurchlässig gemacht wird. Dazu kann sie z. B. eine poröse Struktur aufweisen. Auch können ein oder mehrere Löcher nachträglich erzeugt werden. Das nachträgliche Öffnen der Schalleintrittsöffnung kann beim Herstellungs- Bearbeitungsverfahren des MEMS-Mikrofons von Vorteil sein, um das Innere des Mikrofons, z. B. empfindliche Teile des MEMS-Chips vor bestimmten Bearbeitungsschritten zu schützen.
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Die Form der Dichtstruktur kann abhängig von der Form der ersten Schalleintrittsöffnung gewählt oder gestaltet werden. Sie weist vorzugsweise eine ring- oder rahmenförmig geschlossene Struktur auf, wobei sie eine beliebige Umrisslinie annehmen kann.
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In einem Verfahren zur Herstellung des MEMS-Mikrofons wird ein Mikrofonchip auf einen Träger montiert. Anschließend wird eine Abdeckung so über Mikrofonchip und Träger angeordnet, dass der Mikrofonchip zwischen Abdeckung und Träger eingeschlossen ist. Eine erste Schalleintrittsöffnung wird vorab in der Abdeckung oder im Träger vorgesehen oder nachträglich nach Anbringen der Abdeckung erzeugt.
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Eine Dichtstruktur wird um die erste Schalleintrittsöffnung herum aufgebracht und fest mit dem MEMS-Mikrofon verbunden. Wird die Schalleintrittsöffnung im Träger vorgesehen und dort bereits vor dem Aufbringen des MEMS-Chips auf den Träger erzeugt, so ist es auch möglich, die Dichtstruktur vor dem Montieren des Mikrofonchips auf den Träger mit dem Träger zu verbinden oder auf dem Träger zu erzeugen. Gleiches gilt für starren Abdeckungen, auf denen die Dichtstruktur ebenfalls bereits vorher aufgebracht sein kann.
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Die Abdeckung kann eine starre Kappe sein, die nach dem Aufsetzen auf den Träger einen Hohlraum unter sich einschließt, in der der Mikrofonchip und gegebenenfalls weitere dem Mikrofon und dessen Funktion zugeordneter Bauelemente angeordnet werden können. Ein solches Bauelement kann beispielsweise ein ASIC (Application Specific Integrated Circuit) sein, der z. B. Verstärkungs- oder Digitalisierungsfunktionen für das Mikrofon übernimmt und einen entsprechenden verstärkten und/oder digitalisierten Output erzeugt. Die Kappe kann dann aus Metall, Keramik, Kunststoff oder beliebigen Kombinationen dieser Werkstoffe ausgebildet sein.
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Die Abdeckung kann auch den Konturen von Mikrofonchip und gegebenenfalls ASIC folgen und beispielsweise auflaminiert werden. Eine dafür geeignete Abdeckung besteht daher z. B. aus einer laminierfähigen Folie, die eine thermoplastische Folie, eine Folie im B-Zustand, oder eine Composite-Folie ist, die eine oder mehrere unterschiedliche Kunststoffteilschichten und gegebenenfalls eine als Teilschichten darin integrierte Metallfolie umfassen kann.
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Eine besonders dichte Abdeckung wird erhalten, wenn eine solche auflaminierte Folie anschließend äußerlich mit einem metallischen Überzug versehen wird. Ein solcher kann beispielsweise mittels Aufdampf-, Plasma- oder Sputterverfahren aufgebracht und galvanisch oder stromlos verstärkt werden. Mit einem entsprechend dicken metallischen Überzug kann auch mit ursprünglich dünner auflaminierter Abdeckfolie ein mechanisch ausreichend stabiles Gehäuse erzeugt werden.
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Die Dichtstruktur kann, wie gesagt, als viskose Masse mit einem Dispenser so auf das MEMS-Mikrofon aufgebracht oder mit einem Druckverfahren aufgedruckt werden, dass sie die erste Schalleintrittsöffnung umschließt. Anschließend wird die Viskose Masse zu einer elastischen Dichtstruktur gehärtet.
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Die Dichtstruktur kann auch aus einem elastischen Material in Form einer ringförmig geschlossenen Struktur vorgefertigt und anschließend so auf das MEMS-Mikrofon aufgebracht und befestigt werden, dass sie die erste Schalleintrittsöffnung umschließt.
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Eine geeignete Dichtstruktur kann einen runden, einen abgeplatteten ovalen oder einen beliebigen anderen Querschnitt aufweisen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine elastische Folie über die erste Schalleintrittsöffnung aufzubringen und anschließend durch Abtragen von direkt über der ersten Schalleintrittsöffnung gelegenen Schichtbereichen zu einer Dichtstruktur zu strukturieren.
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Ein elektrisches Gerät, welches ein MEMS-Mikrofon umfasst, weist z. B. ein Gehäuse mit einer zweiten Schalleintrittsöffnung auf. Elektrische Komponenten des Geräts, insbesondere des miniaturisierten MEMS-Mikrofons, sind in dem Gehäuse eingebaut.
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Das MEMS-Mikrofon weist eine erste Schalleintrittsöffnung auf, um die herum eine Dichtstruktur festsitzend aufgebracht ist. Das MEMS-Mikrofon ist so im Gehäuse angeordnet, dass die erste und zweite Schalleintrittsöffnung einander deckungsgleich oder annähernd konzentrisch gegenüberstehen, wobei die Dichtstruktur sandwichartig zwischen Gehäuse und MEMS-Mikrofon angeordnet ist und die zweite Schalleintrittsöffnung mit dem MEMS-Mikrofon gegen das Gehäuseinnere abdichtet.
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Ein weiterer wichtiger Aspekt des MEMS-Mikrofons betrifft eine robuste Abdeckung und eine in der Abdeckung angeordnete erste Schalleintrittsöffnung. Für ein robustes Gehäuse werden relativ dicke Metallschichten benötigt, die aus einem oder mehreren Metallschichten mit insgesamt einigen zehn um Dicke bestehen. Bekannt ist es beispielsweise, die erste Schalleintrittsöffnung in dem metallischen Gehäuse nachträglich durch Laserbohren zu erzeugen. Dazu sind jedoch hohe Laserintensitäten erforderlich, die beim Durchbrechen der Abdeckung Schäden am MEMS-Mikrofon und insbesondere am Mikrofonchip anrichten können. Zum nachträglichen Durchbohren der ersten Schalleintrittsöffnung ist daher eine äußerst präzise Prozesssteuerung erforderlich.
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Die erste Schalleintrittsöffnung kann auch in den Prozess der Herstellung der Abdeckung zu integriert und nicht erst nachträglich erzeugt werden. Es wird daher vorgeschlagen, eine Abdeckung, die konform aufgebracht ist und sich daher an den MEMS-Chip und gegebenenfalls weitere Komponenten auf der Oberfläche des Trägers anschmiegt, zunächst mit einer metallischen Grundschicht zu versehen, die als Haft- und Wachstumsschicht (englisch: seed layer) dient. Diese kann beispielsweise mittels eines PVD-Verfahrens (Physical Vapor Deposition) aufgebracht werden. Sie umfasst beispielsweise Titan. Eine Seed Layer einer Stärke von einigen hundert Nanometern ist für die angegebenen Zwecke ausreichend.
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Anschließend wird die Seed Layer in einem kostengünstigen Verfahren verstärkt, beispielsweise durch galvanische Metallabscheidung. Die integrierte Erzeugung der ersten Schalleintrittsöffnung gelingt nun dadurch, dass man das Aufwachsen der verstärkenden Metallschicht in dem für die erste Schalleintrittsöffnung vorgesehenen Bereich unterdrückt. Dies kann auf zwei verschiedene Weisen erfolgen.
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Zum einen ist es möglich, die Seed Layer im Bereich der späteren ersten Schalleintrittsöffnung zu entfernen. Dies kann beispielsweise mit einem Laser erfolgen. Geeignet sind beispielsweise CO2- und YAG-Laser. Aufgrund der relativ geringen Schichtdicke können dazu niedrige Laserintensitäten verwendet werden, die eine exakte Prozessführung mit ausreichender Geschwindigkeit ermöglichen.
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Die zweite Möglichkeit besteht darin, in dem Bereich, der für die spätere erste Schalleintrittsöffnung vorgesehen ist, die Seed Layer lokal mit einem elektrisch nicht leitenden Material abzudecken, sodass die Schichtaufdickung mittels galvanischer Metallabscheidung lokal verhindert wird.
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Eine lokale Abdeckung kann beispielsweise über einen fotolithografischen Prozess oder durch Aufbringen eines Polymers, z. B. durch Aufdrucken oder Aufstempeln, erfolgen. Dazu kann eine lokale Abdeckung mit einer Schichtdicke erzeugt werden, die ungefähr zumindest dem Doppelten der abzuscheidenden Metalldicke entspricht, um ein laterales Zuwachsen der Öffnung oberhalb der lokalen Abdeckung zu verhindern.
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Nach dem Aufwachsen der Metallschicht, die z. B. mehrere Metalle umfassen kann, beispielsweise 50 μm Kupfer und einige μm Nickel als Korrosionsschutz darüber, wird die lokale Abdeckung im Bereich der ersten Schalleintrittsöffnung wieder entfernt. Dabei kann die aufgedickte Metallschicht als Maske dienen. Die lokale Abdeckung kann durch Laserablation entfernt werden. Alternativ ist auch Plasmaätzen möglich.
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Für die genaue Anordnung der ersten Schalleintrittsöffnung existieren mehrere vorteilhafte Möglichkeiten. Sind zwei Chips auf dem Träger des MEMS-Mikrofons angeordnet, ist es beispielsweise möglich, die erste Schalleintrittsöffnung über einer Stelle zwischen den zueinander weisenden Kanten der zwei benachbarten Chips anzuordnen. Einer dieser Chips kann der Mikrofonchip sein, während der andere Chip ein ASIC sein kann. Die beiden Chips sind dann in einer Entfernung zueinander angeordnet, die ein Überspannen des Spalts zwischen den beiden Chips mit Hilfe einer verformbaren oder sich anschmiegenden Abdeckung wie z. B. eines Laminats, oder der zur Abdeckung verwendeten Folie, ermöglicht, ohne dass diese in den Spalt eindringt. Dazu kann eine geeignete Prozessführung erforderlich sein. Auf diese Weise lassen sich Spalte bis zu mehreren 100 μm überspannen, was für das darüber Anordnen einer Schallöffnung ausreichend ist.
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In einer Variante kann der Spalt vor dem Laminieren mit der zur Abdeckung verwendeten Folie mit einem steiferen Material überbrückt werden.
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Zwischen erster Schalleintrittsöffnung und der zur Schallwandlung erforderlichen Membran am Mikrofonchip ist ein akustischer Kanal erforderlich, der den Schall entsprechend zur Membran leitet. Der akustische Kanal kann dann zwischen den einander zugewandten Seitenflächen der beiden Chips auf dem Träger bis hinunter zum Träger verlaufen und dann unter dem Mikrofonchip zwischen den Kontakt- und/oder Befestigungselementen BM, mit denen der Mikrofonchip auf dem Träger befestigt ist, beispielsweise Lot- oder Stud-Bumps, hin zur aktiven Seite des Mikrofonchips führen, an dem die Membran des Mikrofonchips angeordnet ist.
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Eine weitere Möglichkeit zur Anordnung der ersten Schalleintrittsöffnung besteht an den Laminatflanken im Bereich der Hohlkehle, an der das Laminat der Abdeckung von einer Senkrechten entlang einer Chipkante in eine Waagerechte parallel zur Oberfläche des Träger übergeht. Die Hohlkehle ist deswegen besonders geeignet, da unter ihr je nach Aufbringverfahren der z. B. auflaminierten Abdeckung mehr oder weniger Freiraum zwischen Abdeckung, Chip und Träger verbleibt. Der weitere akustische Kanal kann dann ebenfalls unter dem Mikrofonchip zwischen den Kontaktelementen hindurch zur Membran des MEMS-Chips geführt werden.
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Möglich ist es auch, eine Ausnehmung im Träger vorzusehen, in der der akustische Kanal ganz oder teilweise bis hin zur Membran des Mikrofonchips geführt ist. Diese Ausnehmung kann eine Vertiefung in der Oberfläche sein oder teilweise bis vollständig im Inneren des Trägers geführt sein. Eine solche Ausnehmung kann beispielsweise als Nut ausgebildet sein.
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Eine von der Abdeckung überspannte Ausnehmung ist daher ein weiterer möglicher Ort, über dem die erste Schalleintrittsöffnung angeordnet werden kann.
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Möglich ist es auch, mehr als eine erste Schalleintrittsöffnung vorzusehen, wobei unterschiedliche Anordnungen für die ersten Schalleintrittsöffnungen gewählt werden können, beispielsweise eine oberhalb des Spalts zwischen Chips und eine im Bereich der Hohlkehle.
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In einer weiteren Ausführungsform kann der akustische Kanal unterhalb des Mikrofonchips in das Innere des Trägers geführt und dort in einer Mittellage aus dem Bereich unterhalb des Mikrofonchips in einen Randbereich des Trägers geführt werden. Dort kann der akustische Kanal dann wieder an die Oberfläche des Trägers geführt werden, wo dann auch die erste Schalleintrittsöffnung in der Abdeckung strukturiert werden kann.
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Möglich ist es auch, Schalleintrittsöffnungen durch die Abdeckung mit herkömmlichen Schalleintrittsöffnungen an der Unterseite des Trägers zu kombinieren. Auf diese Weise gelingt es, Differenzdrucksensoren oder Mikrofone mit speziellen Richtcharakteristiken zu realisieren.
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Des Weiteren ist es möglich, eine Vielzahl von ersten Schalleintrittsöffnungen, entsprechend einer Vielzahl von Mikrofonchips, vorzusehen und diese als Sensorarray anzuordnen. Ein Sensorarray kann auf einem gemeinsamen Träger erzeugt und mit einer gemeinsamen Abdeckung versehen werden, in der dann die unterschiedlichen Schalleintrittsöffnungen realisiert sind.
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Sind mehrere erste Schalleintrittsöffnungen im Bereich der Abdeckung vorgesehen, so kann eine entsprechende Anzahl von Dichtstrukturen um jede einzelne der ersten Schalleintrittsöffnungen vorgesehen werden. Möglich ist es jedoch auch, insbesondere bei nebeneinander angeordneten Schalleintrittsöffnungen, eine einzige Dichtstruktur um eine Fläche auszubilden, innerhalb der die ersten Schalleintrittsöffnungen angeordnet sind.
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Eine Verfahrenserleichterung beim Herstellen eines MEMS-Mikrofons inklusive der Dichtstruktur besteht darin, das Verfahren auf Waferlevel bzw. im Nutzen durchführen. Dabei wird ein jeder Verfahrensschritt für eine Vielzahl von Bauelementen parallel und gleichzeitig oder sequentiell für alle Bauelemente durchgeführt, bevor mit dem nächsten Verfahrensschritt begonnen wird. Während dieses gemeinsamen Bearbeitens sind die Bauelement vorzugsweise in einem Nutzen vereinigt oder sind noch nebeneinander auf einem gemeinsamen Wafer oder hier auf einem großflächigen Träger nebeneinander angeordnet und werden in einem späteren Verfahrensschritt zu den einzelnen Bauelementen bzw. MEMS-Mikrofonen vereinzelt. Das Aufbringen der Dichtstrukturen kann auch im Falle eines Vorgehens im Nutzen mittels Dispenser oder mittels Druckverfahren vorgenommen werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren sind dabei nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt, sodass den Figuren weder absolute noch relative Maßangaben entnehmbar sind.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines MEMS-Mikrofons im schematischen Querschnitt mit über dem Mikrofonchip angeordneter erster Schalleintrittsöffnung,
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines MEMS-Mikrofons mit einer Schalleintrittsöffnung, die zwischen dem Mikrofonchip und einem weiteren Chip angeordnet ist,
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3 zeigt ein MEMS-Mikrofon mit einer starren Abdeckung,
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4A bis 4F zeigen verschiedene Verfahrensstufen bei der Herstellung eines MEMS-Mikrofons mit Schalleintrittsöffnung und Dichtstruktur,
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5 zeigt ein MEMS-Mikrofon mit einer Schalleintrittsöffnung in der Hohlkehle einer Abdeckung,
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6 zeigt ein MEMS-Mikrofon mit einer Schalleintrittsöffnung im Trägersubstrat,
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7 zeigt ein MEMS-Mikrofon nach dem Einbau in das Gehäuse eines elektrischen Geräts.
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1 zeigt im schematischen Querschnitt ein an sich bekanntes MEMS-Mikrofon im schematischen Querschnitt, bei dem zusätzlich eine Dichtstruktur DS direkt auf dem MEMS-Mikrofon rund um eine erste Schalleintrittsöffnung SO1 vorgesehen ist. Das MEMS-Mikrofon ist auf einem Träger TR moniert, welcher eine ein- oder mehrschichtige Leiterplatte aus Kunststoff oder Keramik sein kann. Auf dem Träger TR ist zumindest ein Mikrofonchip MC montiert. Vorzugsweise weist der Mikrofonchip mit seinen elektrischen Kontakten und mit seiner Membran hin zum Träger TR. Vorzugsweise ist der Mikrofonchip MC über als Bumps ausgeführte Befestigungsmittel in Flip-Chip-Technologie montiert.
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In der dargestellten Ausführung ist auf dem Träger TR ein weiterer Chip WC in beliebiger Montagetechnik montiert, beispielsweise ebenfalls mittels Flip-Chip oder mittels SMT (Surface Mounted Technology). Die mechanischen Befestigungen BM zwischen Mikrofonchip MC und weiterem Chip WC stellen gleichzeitig die elektrischen Verbindungen zum Träger TR dar, wobei der Träger eine elektrische Verschaltung zwischen Mikrofonchip und weiterem Chip herstellt sowie vorzugsweise auch noch Kontakte zur Verbindung mit einer Schaltungsumgebung zur Verfügung stellt, welche vorzugsweise an der Unterseite des Träger TR angeordnet sind und mittels Durchkontaktierungen mit den auf dem Träger TR oben liegenden Kontakten, auf denen Mikrofonchip und weiterer Chip befestigt sind, verbunden sind.
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In der Figur sind der Mikrofonchip MC und der weitere Chip WC mit einer gemeinsamen Abdeckung AD versehen, die die beiden Chips unter sich einschließt und gegen den Träger TR abdichtet. Die Abdeckung ist hier konformal aufgebracht. Das bedeutet, dass die ein- oder mehrschichtige Abdeckung sich den Außenflächen der abzudeckenden Chips anschmiegt und diesen folgt. Je nach Auswahl der Abdeckschicht oder der mehreren übereinander aufgebrachten Abdeckschichten und dem zum Aufbringen der Abdeckung AD verwendeten Verfahren können dabei Spalte zwischen Chips MC, WC freitragend überspannt werden, ohne dass es zum Eindringen oder gar zur Ausfüllung dieser Spalte mit der Abdeckung AD kommt. In der Figur ist eine zweischichtige Abdeckung AD dargestellt, die eine Abdeckfolie AF direkt über den Chips umfasst, die beispielsweise eine Kunststofffolie ist, die über die Chips auflaminiert sein kann. Eine zweite äußere Schicht ist eine Metallschicht MS, die vorzugsweise nach dem Auflaminieren der Abdeckfolie AF aufgebracht wird.
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Der Mikrofonchip MC mit nach unten orientierter Membran weist eine Durchbrechung oberhalb der Membran auf, über der ein bevorzugter Ort zur Platzierung der ersten Schalleintrittsöffnung SO1 gegeben ist. Im dargestellten MEMS-Mikrofon liegt die Abdeckung AD zwar auf der Oberseite des Mikrofonchips MC auf, weist aber ebenfalls eine Durchbrechung – die erste Schalleintrittsöffnung – auf, die von der Grundfläche her der Durchbrechung im Mikrofonchip entspricht, aber auch erheblich kleiner sein kann.
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Rund um die erste Schalleintrittsöffnung SO1 ist eine Dichtstruktur DS aufgebracht. Diese umschließt die erste Schalleintrittsöffnung ringförmig, wobei sie vorzugsweise der Grundfläche der ersten Schalleintrittsöffnung SO1 folgt und dementsprechend rund oder auch rechteckig oder je nach Anforderung auch anderweitig geformt ausgebildet ist.
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Über die erste Schalleintrittsöffnung SO1 ist die Membran des Mikrofonchips MC akustisch mit der Umgebung gekoppelt. Durch die Abdeckung AD ist der Mikrofonchip gegen den Träger TR abgedichtet, sodass sich unterhalb der Membran ein geschlossener Hohlraum ergibt, dessen Größe durch die Grundfläche des Mikrofonchips und die Höhe der Befestigungsmittel BM definiert ist. Dieser Hohlraum bildet einen Teil des Rückvolumens RV, zu dem noch weitere eingeschlossene Volumina unterhalb des weiteren Chips WC oder zwischen Mikrofonchip MC und weiterem Chip WC beitragen können, die ebenfalls von der Abdeckung eingeschlossen sind.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines MEMS-Mikrofons, bei dem die Durchbrechung im Mikrofonchip MC durch die Abdeckung AD verschlossen ist und so ein Rückvolumen zwischen Membran und Abdeckung AD einschließt, die durch die Größe der Durchbrechung im Mikrofonchip MC definiert ist. Was in der 1 als Rückvolumen RV definiert ist, stellt hier das Frontvolumen dar. Die erste Schalleintrittsöffnung SO1 stellt daher in dieser Ausführung einen Zugang zu dem Volumen unterhalb von Mikrofonchip MC und weiterem Chip WC dar und ist hier genau über dem Spalt zwischen den beiden Chips angeordnet. Dementsprechend ist die Dichtstruktur DS nicht über dem Mikrofonchip, sondern rund um die erste Schalleintrittsöffnung SO1 über dem Spalt zwischen den beiden Chips angeordnet. Die Abdeckung AD kann, wie in 1, eine konformale Abdeckung sein. Möglich ist es jedoch auch, eine starre Abdeckung zu verwenden, die vorgefertigt ist und auf den Träger TR so aufgesetzt wird, dass sie Mikrofonchip und weiteren Chip überdeckt.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform des MEMS-Mikrofons, bei der eine starre Abdeckung AD verwendet ist, die durch die vorgegebene Form einen Hohlraum unter sich einschließt, der das Frontvolumen für die Funktion des Mikrofons darstellt. In dieser Ausführung belässt die Abdeckung AD einen Abstand zur Oberseite des Mikrofon-Chips MC. Die Schalleintrittsöffnung SO in der Abdeckung AD kann – muss aber nicht – über der Durchbrechung im Mikrofonchip MC angeordnet sein und ist von der Dichtstruktur DS, die oben auf der Abdeckung aufsitzt, umgeben.
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In diesem Beispiel dient das Volumen innerhalb der Durchbrechung im Mikrofonchip MC als Rückvolumen RV, das mittels einer auf der Oberseite des Mikrofon-Chips MC aufliegenden Rückseitenabdeckung RA gegen den übrigen Hohlraum abgedichtet ist.
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4A zeigt ein MEMS-Mikrofon nach der Montage von Mikrofonchip MC und weiterem Chip WC auf einem Träger TR auf einer Verfahrensstufe, bei der eben eine Abdeckung in Form einer Abdeckfolie AF über die beiden Chips so aufgebracht ist, dass die Abdeckfolie mit dem Träger TR seitlich rundum abschließend abdichtet.
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Auf die Abdeckfolie AF wird nun zur Abschirmung und zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit der Abdeckung eine Metallschicht erzeugt. Dazu wird zunächst ganzflächig auf die Abdeckfolie eine Grundmetallisierung GM aufgebracht, beispielsweise durch eine Plasmaabscheidung oder durch Sputtern. Dazu wird ein Metall wie z. B. Ti oder eine Mischung von Metallen verwendet, die zum einen gute Haftung auf der Abdeckfolie AF gewährleisten und zum anderen gut als Wachstumsschicht zum galvanischen Verstärken der Grundmetallisierung geeignet sind.
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4B zeigt das MEMS-Mikrofon nach dem Erzeugen der Grundmetallisierung GM über der Abdeckfolie AF. Die Grundmetallisierung weist beispielsweise eine Schichtdicke von einigen hundert Nanometern auf.
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Im nächsten Schritt wird die Grundmetallisierung GM galvanisch verstärkt. Vorzugsweise wird die Verstärkung so vorgenommen, dass die erste Schalleintrittsöffnung SO1 vorgebildet wird bzw. die für die erste Schalleintrittsöffnung SO1 vorgesehene Fläche von der galvanischen Verstärkung ausgenommen wird. Dazu wird eine Resist-Struktur RS im Bereich der späteren ersten Schalleintrittsöffnung auf der Grundmetallisierung GM erzeugt, beispielsweise durch Strukturierung einer Fotolackschicht. 4C zeigt die Anordnung mit der Resist-Struktur RS über der späteren Schalleintrittsöffnung.
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Im nächsten Schritt erfolgt die galvanische Verstärkung der Grundmetallisierung, was beispielsweise durch galvanische Abscheidung von Kupfer als Leitschicht und einer weiteren Schicht als Korrosionsschutz erfolgen kann. Beispielsweise werden ca. 50 μm Cu und einige um Nickel nacheinander galvanisch über der Grundmetallisierung GM erzeugt. 4D zeigt die Anordnung nach dem galvanischen Abscheiden der Verstärkerschicht VS und nach dem Entfernen der Resist-Struktur RS. Eine Öffnung VO in der Verstärkerschicht VS befindet sich da, wo die Resist-Struktur RS eine galvanische Verstärkung der Grundmetallisierung GM verhindert hat.
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Eine vollständige Durchbrechung der Abdeckung zur Erzeugung der ersten Schalleintrittsöffnung SO1 gelingt nun beispielsweise durch Laserbohren. Da nur eine relativ dünne Metallschicht (die Grundmetallisierung GM) sowie eine vorzugsweise aus Kunststoff bestehende Abdeckfolie AF zu durchbrechen ist, gelingt dies mit relativ geringen Intensitäten und in kontrollierter Weise, sodass eine Beschädigung unterhalb der erste Schalleintrittsöffnung SO1 gelegener Komponenten des MEMS-Mikrofons erfolgreich verhindert werden kann. Zum Abheben der Grundmetallisierung GM im Bereich der Schalleintrittsöffnung SO1 sind beispielsweise CO2- und YAG-Laser geeignet.
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In einer Variante des Verfahrens kann die Resist-Struktur RS auch aufgedruckt werden. Vorzugsweise wird die Resist-Struktur in einer lateralen Ausdehnung erzeugt, die mindestens der doppelten Dicke der späteren Verstärkungsschicht VS entspricht. Auf diese Weise wird ein Überwachsen der Resist-Struktur bei der galvanischen Abscheidung vermieden. Nach dem Durchbrechen der Grundmetallisierung GM kann die Abdeckfolie AF mit niedrigeren Laserintensitäten bearbeitet werden, um die erste Schalleintrittsöffnung SO1 vollständig zu öffnen bzw. durch alle Schichten der Abdeckung AD durchzuführen. 4E zeigt das MEMS-Mikrofon auf dieser Verfahrensstufe.
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Im nächsten Schritt wird eine Dichtstruktur DS rund um die erste Schalleintrittsöffnung SO1 erzeugt, was durch Strukturieren einer Polymerschicht, beispielsweise einer Fotolackschicht, durch Aufdrucken oder alternativ durch Aufkleben oder sonstiges Befestigen einer vorgefertigten Dichtstruktur DS erfolgen kann. 4F zeigt die Anordnung nach dem Aufbringen der Dichtstruktur DS.
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Dieses Verfahren ist prinzipiell mit allen ein Laminat umfassenden Abdeckungen AD möglich und unabhängig vom Ort der ersten Schalleintrittsöffnung SO1, sofern diese sich oberhalb des Trägers TR befindet und durch die Abdeckung AD geführt wird.
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5 zeigt z. B. in einer weiteren Verfahrensvariante ein MEMS-Mikrofon auf einer Verfahrensstufe, bei der Mikrofonchip MC und weiterer Chip WC mit einer Abdeckung AD abgedeckt sind, die rundum mit einem Träger TR abschließt. Die Abdeckung ist hier wieder als konform an den Außenkanten der Chips anliegende Abdeckfolie ausgebildet, die an der Unterkante des Chips in Folge des eingesetzten Laminierprozesses eine Hohlkehle ausbildet, in der sie von oben gesehen einen kleinen Hohlraum seitlich des Mikrofonchips MC und seitlich des weiteren Chips WC überspannt. Genau in dieser Hohlkehle ist hier der Ort für die erste Schalleintrittsöffnung SO1 vorgesehen, die in analoger Weise wie in 4 dargestellt geöffnet werden kann. Auch dieser Prozess kann mit einer Metallisierung kombiniert werden.
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Die in 5 dargestellte Anordnung der ersten Schalleintrittsöffnung SO1, die in der Figur nur durch die Strukturierungslinien SL dargestellt ist, ermöglicht ebenfalls eine Öffnung zu dem unterhalb des Mikrofonchips MC, zwischen Mikrofonchip MC und weiterem Chip WC sowie gegebenenfalls unterhalb des weiteren Chips WC eingeschlossenen Volumens, welches zur Funktion des MEMS-Mikrofons als Frontvolumen beiträgt. Das Rückvolumen wird z. B. zwischen Mikrofonchip MC und Abdeckung AD eingeschlossen und entspricht im Wesentlichen dem Volumen der Durchbrechung im Mikrofonchip MC.
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6 zeigt z. B. in einer weiteren Verfahrensvariante ein MEMS-Mikrofon MC mit einer im Trägersubstrat TS angeordneten Schalleintrittsöffnung SO1, welches ansonsten gleich aufgebaut sein kann wie in den Ausführungen gemäß der 2 oder 5. Diese Schalleintrittsöffnung kann bereits vor dem Bestücken des Trägersubstrats mit dem Mikrofon-Chip und dem zumindest einen weiteren Chip WC erzeugt sein. Sie kann jedoch auch zu einem beliebigen späteren Zeitpunkt erzeugt werden.
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7 zeigt ein MEMS-Mikrofon nach dem Einbau in das nur schematisch dargestellte Gehäuse G eines elektrischen Geräts, z. B. das Gehäuse eines Mobilfunkgeräts. Es ist gezeigt, dass das MEMS-Mikrofon über seine Dichtstruktur DS, die um die erste Schalleinstrittsöffnung SO1 auf der Abdeckung AD oder dem Trägersubstrat TS des MEMS-Mikrofons befestigt ist, die zweite Schalleinstrittsöffnung SO2 nach innen abdichten kann. Auf diese Weise ist das Gehäuseinnere GI, in dem weitere empfindliche elektrische oder elektronische Komponenten angeordnet sind, gegen die Umwelteinflüsse außerhalb des Gehäuses G geschützt.
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Die Erfindung ist weder durch die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele noch durch deren Beschreibung begrenzt. Vielmehr kann ein erfindungsgemäßes MEMS-Mikrofon auch andere Formen und eine höhere Anzahl von Mikrofon-Chip MEMS-Chip oder weiteren Chips aufweisen.
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Ein MEMS-Mikrofon oder eine MEMS-Sensoranordnung kann auch mehrere MEMS-Chips umfassen, insbesondere wenn etwa Differenzdrucksensoren oder Mikrofone mit speziellen Richtcharakteristiken realisiert werden sollen.
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Maßgeblich ist jedoch stets, dass eine oder mehrere erste Schalleintrittsöffnungen SO1 entweder von der Dichtstruktur DS umschlossen sind und/oder auf die angegebene Weise bei der Herstellung einer Metallisierung auf der Abdeckung vorgebildet sind. Entsprechend kann auch Material und Formgestaltung der Abdeckung beliebig variieren.
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Der für ein Mikrofon beschriebene Prozess bzw. die für das MEMS-Mikrofon beschriebene Anordnung ist auch nicht auf ein MEMS-Mikrofon beschränkt, sondern kann auch für andere MEMS-Bauelemente eingesetzt werden, die zu ihrer Funktion eine fluidische Verbindung des Innenraums nach außen benötigen, wie sie in den Ausführungsbeispielen durch die erste Schalleintrittsöffnung beschrieben ist. Ein Beispiel für solche weiteren MEMS-Bauelemente sind Drucksensoren, die prinzipiell ebenfalls Ausführungen von Mikrofonen darstellen können.
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Nicht dargestellt sind auch Ausführungen, bei denen das Rückvolumen durch entsprechende Ausnehmungen im Träger TR realisiert bzw. vergrößert ist. Solche Ausnehmungen müssen zumindest eine Öffnung in das eingeschlossene Rückvolumen aufweisen, können jedoch auch teilweise in Mittellagen des Trägers realisiert sein. Dies hat den Vorteil, dass der durch Hohlräume in Mittellagen des Trägers erweiterte Raum bzw. das Rückvolumen nicht auf den durch die Abdeckung direkt eingeschlossenen Raum bzw. das durch die Abdeckung eingeschlossene Volumen begrenzt ist. Durch Hohlräume im Träger kann dieses Volumen in horizontaler und vertikaler Dimension erweitert sein.
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Bezugszeichenliste
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- TR
- Träger
- MC
- Mikrofonchip
- AD
- Abdeckung
- AF
- Abdeckfolie Hohlraum
- SO1
- erste Schalleintrittsöffnung
- DS
- Dichtstruktur
- SO2
- zweite Schalleintrittsöffnung
- WC
- weiterer Chip
- BM
- Befestigungsmittel
- RS
- Resiststruktur
- GM
- Grundmetallisierung
- VS
- Verstärkungsschicht
- MV
- Öffnung in Verstärkerschicht
- RV
- Rückvolumen
- SL
- Strukturierungslinien
- RA
- Rückseitenverschluss
- G
- Gehäuse
- GI
- Gehäuseinnenraum
