DE102010029936A1

DE102010029936A1 - Micro-mechanical component for micro-electro-mechanical-system-microphone, has functional layer formed under hollow chamber, where hollow chamber is formed with ventilation opening for microphone structure

Info

Publication number: DE102010029936A1
Application number: DE201010029936
Authority: DE
Inventors: Rainer Straub; Bernhard Gehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-10
Publication date: 2011-12-15

Abstract

The component (10) has a first functional layer (1) with a sound aperture (16) that opens in a hollow chamber (11) below a first functional chamber, where the hollow chamber extends over a second functional layer (2). Membrane structures (12, 13) and acoustic inactive counter elements (14, 15) are formed in the second functional layer, so that the membrane structures are limited in the hollow chamber and are moved in a layer plane. A third functional layer (3) is formed under the hollow chamber, and a ventilation opening (17) for a microphone structure is formed in the hollow chamber.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau realisiert ist. Die Mikrofonstruktur umfasst mindestens eine durch den Schalldruck auslenkbare Membranstruktur, die als erste Elektrode eines Mikrofonkondensators fungiert, und ein Gegenelement, das als Träger einer Gegenelektrode des Mikrofonkondensators fungiert.The invention relates to a component with a micromechanical microphone structure, which is realized in a layer structure. The microphone structure comprises at least one membrane structure which can be deflected by the sound pressure and which acts as a first electrode of a microphone capacitor, and a counterelement which functions as a carrier for a counterelectrode of the microphone capacitor.

MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Mikrofone gewinnen in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zunehmend an Bedeutung. Dies ist in erster Linie auf die miniaturisierte Bauform derartiger Bauelemente und die Möglichkeit zur Integration weiterer Funktionalitäten bei sehr geringen Herstellungskosten zurückzuführen. Ein weiterer Vorteil von MEMS-Mikrofonen ist deren hohe Temperaturstabilität.MEMS (micro-electro-mechanical system) microphones are becoming increasingly important in a wide range of applications. This is primarily due to the miniaturized design of such devices and the ability to integrate additional functionality at very low cost. Another advantage of MEMS microphones is their high temperature stability.

Die Signalerfassung erfolgt bei dem hier in Rede stehenden Mikrofonbauelement kapazitiv. Wenn die Membran durch den Schalldruck ausgelenkt wird, ändert sich der Abstand zwischen der Membran und dem Gegenelement und damit der Elektrodenabstand des Mikrofonkondensators, was als Kapazitätsänderung des Mikrofonkondensators erfasst wird.The signal detection takes place capacitively in the microphone component in question here. If the membrane is deflected by the sound pressure, the distance between the membrane and the counter element and thus the electrode distance of the microphone capacitor changes, which is detected as a capacitance change of the microphone capacitor.

Marktüblich sind MEMS-Mikrofone mit einer flächigen, zur Chip- bzw. Substratebene parallelen Membran, die durch Vorder- oder Rückseitenbeschallung zu vertikalen (out-of-plane) Schwingungen angeregt wird. Je größer die Membran ist, umso empfindlicher ist sie gegenüber Druckänderungen bzw. Schallanregung und umso höher sind auch die dadurch bedingten Kapazitätsänderungen. Aus diesem Grunde sind eine hohe Mikrofonempfindlichkeit und eine möglichst weitgehende Bauelementminiaturisierung nur bedingt miteinander zu vereinbaren. Außerdem ist die Herstellung, Einstellung und Konditionierung großer, freitragender dünner Schichten, wie es für Mikrofonmembranen nötig ist, mit einem erheblichen Entwicklungs- und Prozessierungsaufwand verbunden.Common to the market are MEMS microphones with a flat, parallel to the chip or substrate level membrane, which is excited by front or rear side sonication to vertical (out-of-plane) vibrations. The larger the membrane is, the more sensitive it is to pressure changes or sound excitation, and the higher the capacitance changes caused thereby. For this reason, a high microphone sensitivity and the largest possible miniaturization of the components are only partially compatible. In addition, the fabrication, adjustment and conditioning of large, cantilever thin layers, as required for microphone membranes, involves significant development and processing overhead.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein alternatives Konzept für kapazitive MEMS-Mikrofone vorgeschlagen, das die Realisierung von sehr empfindlichen Membranstrukturen mit großer Elektrodenfläche auf einer sehr kleinen Chipfläche ermöglicht.The present invention proposes an alternative concept for capacitive MEMS microphones, which allows the realization of very sensitive membrane structures with large electrode area on a very small chip area.

Dies wird erfindungsgemäß durch einen Schichtaufbau mit mindestens drei Funktionsschichten erreicht. In der ersten Funktionsschicht ist eine Schallöffnung ausgebildet, die in einen Hohlraum unterhalb der ersten Funktionsschicht mündet. Der Hohlraum erstreckt sich im Wesentlichen über die zweite Funktionsschicht, in der auch die Membranstruktur und das Gegenelement ausgebildet sind, so dass die Membranstruktur den Hohlraum zumindest einseitig begrenzt und in der Schichtebene auslenkbar ist. Die dritte Funktionsschicht befindet sich unterhalb des Hohlraums. In der dritten Funktionsschicht ist mindestens eine Entlüftungsöffnung für die Mikrofonstruktur ausgebildet.This is inventively achieved by a layer structure with at least three functional layers. In the first functional layer, a sound opening is formed, which opens into a cavity below the first functional layer. The cavity extends essentially over the second functional layer, in which the membrane structure and the counter element are also formed, so that the membrane structure delimits the cavity at least on one side and can be deflected in the layer plane. The third functional layer is located below the cavity. In the third functional layer at least one vent opening for the microphone structure is formed.

Demnach sieht das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept vor, an Stelle einer parallel zur Chipebene orientierten, out-of-plane-schwingenden Membran eine senkrecht dazu orientierte Membranstruktur zur Schallsensierung zu nutzen, die innerhalb einer Funktionsschicht freigestellt ist und in-plane, parallel zur Chipebene schwingt. Das erfindungsgemäße Konzept erweist sich in mehrerlei Hinsicht als vorteilhaft. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Membranstruktur und auch das Gegenelement in Form und Aspektverhältnis den wohlcharakterisierten Sensorstrukturen von mikromechanischen Beschleunigungs- und Drehratensensoren ähneln. Zur Herstellung derartiger Strukturen kann also auf die bekannten und bewährten Verfahren zur Herstellung dieser Sensorstrukturen zurückgegriffen werden. Da das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept auf großflächige, freitragende Membranen verzichtet, muss bei der Prozessführung auch nicht deren Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen in Schichtstress und Stressgradient berücksichtigt werden. Die Elektrodenfläche des Mikrofonkondensators, die neben den mechanischen Eigenschaften der Membranstruktur maßgeblich ist für die Mikrofonempfindlichkeit, kann durch ein geeignetes Layout der Membranstruktur und der Gegenelektrode erhöht werden, ohne dass ein zusätzlicher technologischer Aufwand, in Form von weiteren Schichten, Maskenebenen oder Ätzstoppmaßnahmen, erforderlich wäre. Bevorzugte Layoutvarianten werden nachfolgend noch näher erläutert.Accordingly, the microphone concept according to the invention provides, instead of an aligned parallel to the chip plane, out-of-plane-oscillating membrane to use a perpendicular thereto oriented membrane structure for sound measurement, which is exempt within a functional layer and in-plane, oscillates parallel to the chip plane. The inventive concept proves to be advantageous in several respects. A significant advantage is that the membrane structure and also the counter element in shape and aspect ratio are similar to the well-characterized sensor structures of micromechanical acceleration and yaw rate sensors. In order to produce such structures, it is therefore possible to make use of the known and proven methods for producing these sensor structures. Since the microphone concept according to the invention dispenses with large-area, cantilevered membranes, it is not necessary to take account of their sensitivity to fluctuations in layer stress and stress gradient during the process control. The electrode surface of the microphone capacitor, which is decisive for the microphone sensitivity in addition to the mechanical properties of the membrane structure, can be increased by a suitable layout of the membrane structure and the counter electrode, without any additional technological effort, in the form of further layers, mask levels or Ätzstoppmaßnahmen required , Preferred layout variants are explained in more detail below.

Wie bereits erwähnt, umfasst das erfindungsgemäße Bauelement einen Mikrofonkondensator mit mindestens einer durch den Schalldruck auslenkbare Membranstruktur als erster Elektrode und einer Gegenelektrode, die auf einem als Träger fungierenden Gegenelement angeordnet ist. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Gegenelement akustisch inaktiv, d. h. das Gegenelement mit der Gegenelektrode ist fest und starr in den Schichtaufbau des Bauelements eingebunden. In diesem Fall wird bei Schalleinwirkung lediglich die erste Elektrode des Mikrofonkondensators in Form der den Hohlraum begrenzenden Membranstruktur ausgelenkt, wodurch sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden des Mikrofonkondensators verändert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind beide Elektroden des Mikrofonkondensators akustisch aktiv. In diesem Fall ist das Gegenelement ebenfalls in Form einer Membranstruktur realisiert, die in der Schichtebene auslenkbar ist. Die beiden Membranstrukturen bzw. Elektroden des Mikrofonkondensators können einen gemeinsamen Hohlraum begrenzen. Da beide Membranstrukturen in-plane, also senkrecht zur Schichtebene ausgelenkt werden, sind ihre Auslenkungen in jedem Fall gegenläufig. Es erweist sich jedoch als vorteilhaft, zwei Membranstrukturen zu einem Mikrofonkondensator zusammenzufassen, die zwei benachbarte Hohlräume begrenzen, da die Membranstrukturen in diesem Fall in einem relativ geringen Abstand zueinander angeordnet werden können, was die Mikrofonempfindlichkeit erhöht.As already mentioned, the component according to the invention comprises a microphone capacitor having at least one membrane structure which can be deflected by the sound pressure as the first electrode and a counterelectrode which is arranged on a counterelement functioning as a carrier. In a first embodiment of the invention, the counter element is acoustically inactive, ie the counter element with the counter electrode is firmly and rigidly integrated into the layer structure of the device. In this case, only the first electrode of the microphone capacitor in the form of the cavity limiting membrane structure is deflected when sound effects, whereby the distance between the two electrodes of the microphone capacitor changes. In a particularly advantageous Embodiment of the invention, both electrodes of the microphone capacitor are acoustically active. In this case, the counter element is also realized in the form of a membrane structure which is deflectable in the layer plane. The two membrane structures or electrodes of the microphone capacitor can limit a common cavity. Since both membrane structures are deflected in-plane, ie perpendicular to the layer plane, their deflections are in opposite directions in each case. However, it proves to be advantageous to combine two membrane structures to a microphone capacitor, which limit two adjacent cavities, since the membrane structures can be arranged in this case in a relatively small distance from each other, which increases the microphone sensitivity.

Im Hinblick auf eine möglichst hohe Mikrofonempfindlichkeit erweist es sich außerdem als vorteilhaft, wenn jede Membranstruktur über eine mäanderförmige Federaufhängung in den Schichtaufbau eingebunden ist. Dadurch wird zum einen die mechanische Empfindlichkeit der Membranstruktur erhöht. Zum anderen wird die Deformation der Membranstruktur in den Aufhängungsbereich verlagert, was die Signalerfassung und -auswertung deutlich vereinfacht und verbessert.With regard to the highest possible microphone sensitivity, it also proves to be advantageous if each membrane structure is integrated into the layer structure via a meander-shaped spring suspension. As a result, on the one hand, the mechanical sensitivity of the membrane structure is increased. On the other hand, the deformation of the membrane structure is shifted in the suspension area, which significantly simplifies and improves the signal acquisition and evaluation.

Im Hinblick auf die symmetrische Ausbreitung der Schallwelle im Inneren des Hohlraums erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Hohlraum auf zwei gegenüberliegenden Seiten von jeweils einer Membranstruktur begrenzt wird. Wie bereits erwähnt, können diese beiden Membranstrukturen zusammen einen Mikrofonkondensator bilden. In einer alternativen Ausführungsform ist jeder der beiden Membranstrukturen ein zusätzliches Gegenelement mit einer Gegenelektrode zugeordnet. In diesem Fall umfasst das erfindungsgemäße Bauelement mindestens zwei voneinander unabhängige Mikrofonkondensatoren, was die Zuverlässigkeit des Bauelements erhöht.With regard to the symmetrical propagation of the sound wave in the interior of the cavity, it proves to be advantageous if the cavity is delimited on two opposite sides by a respective membrane structure. As already mentioned, these two membrane structures can together form a microphone capacitor. In an alternative embodiment, each of the two membrane structures is associated with an additional counter element with a counter electrode. In this case, the device according to the invention comprises at least two mutually independent microphone capacitors, which increases the reliability of the device.

Da die Kapazität des Mikrofonkondensators von der Größe der Elektrodenflächen abhängt, lässt sich die Mikrofonempfindlichkeit einfach durch eine Vergrößerung der Elektrodenflächen erhöhen. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die als Elektrode fungierende Membranstruktur zumindest in ihrem Mittelbereich kammförmig ausgebildet ist und das zugehörige Gegenelement entsprechend geformt und angeordnet ist, so dass die Zähne der beiden Kammstrukturen bei einer Auslenkung der Membranstruktur mehr oder weniger ineinander greifen. Zum einen bietet die Kammstruktur der beiden Elektroden eine sehr große Elektrodenfläche auf einer vergleichsweise kleinen Chipfläche. Und zum anderen bewirken bereits kleine Abstandsschwankungen zwischen den Elektroden relativ große Kapazitätsänderungen des Mikrofonkondensators. Durch diese einfache Layout-Maßnahme kann die Mikrofonempfindlichkeit erhöht werden, ohne das ein zusätzlicher technologischer Aufwand, bedingt durch weitere Schichten, Maskenebenen, Ätzstoppmaßnahmen oder ähnliches, erforderlich ist. Auch die Einstellung des Grundabstands zwischen den unausgelenkten Elektroden ist über das Chiplayout definiert, was eine einfache Anpassung des Sensors an unterschiedliche Betriebsspannungen ohne Eingriff in den Schichtaufbau ermöglicht.Since the capacity of the microphone capacitor depends on the size of the electrode surfaces, the microphone sensitivity can be increased simply by increasing the electrode area. In this context, it proves to be advantageous if the membrane structure acting as an electrode is comb-shaped at least in its central region and the associated counter element is shaped and arranged accordingly, so that the teeth of the two comb structures intermesh more or less in a deflection of the membrane structure. On the one hand, the comb structure of the two electrodes offers a very large electrode area on a comparatively small chip area. And on the other hand already cause small variations in spacing between the electrodes relatively large capacitance changes of the microphone capacitor. By this simple layout measure the microphone sensitivity can be increased, without the additional technological effort, due to further layers, mask levels, Ätzstoppmaßnahmen or the like, is required. The adjustment of the basic distance between the undeflected electrodes is also defined via the chip layout, which allows a simple adaptation of the sensor to different operating voltages without intervention in the layer structure.

Wie bereits angedeutet, eröffnet das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept die Möglichkeit, auf einer vergleichsweise geringen Chipfläche mehrere Mikrofonzellen in Form eines Hohlraums mit mindestens einer Schallöffnung anzuordnen, wobei jeder Hohlraum von mindestens einer Membranstruktur als Schallaufnehmer begrenzt wird. Dadurch lässt sich ein besonders robustes und leistungsfähiges MEMS-Mikrofon mit einer sehr kleinen Baugröße realisieren.As already indicated, the microphone concept according to the invention offers the possibility of arranging a plurality of microphone cells in the form of a cavity with at least one sound opening on a comparatively small chip area, each cavity being delimited by at least one membrane structure as a sound sensor. This makes it possible to realize a particularly robust and powerful MEMS microphone with a very small size.

Zur Minimierung der Chipfläche eines erfindungsgemäßen Bauelements mit mehreren Mikrofonzellen kann den benachbarten Membranstrukturen zweier benachbarter Mikrofonzellen ein gemeinsames feststehendes, akustisch inaktives Gegenelement zugeordnet werden. Sowohl der Grad der Chipflächennutzung als auch die Mikrofonempfindlichkeit lassen sich noch weiter steigern, wenn die benachbarten Membranstrukturen zweier benachbarter Mikrofonzellen die beiden Elektroden eines Mikrofonkondensators bilden.In order to minimize the chip area of a component according to the invention with a plurality of microphone cells, a common stationary, acoustically inactive counterelement can be assigned to the adjacent membrane structures of two adjacent microphone cells. Both the degree of chip area utilization and the microphone sensitivity can be further increased if the adjacent membrane structures of two adjacent microphone cells form the two electrodes of a microphone capacitor.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.As already discussed above, there are various possibilities for embodying and developing the teaching of the present invention in an advantageous manner. Reference is made on the one hand to the subordinate claims and on the other hand to the following description of several embodiments of the invention with reference to FIGS.

1 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements 10, 1 shows a section of a schematic sectional view through the layer structure of a microphone component according to the invention 10 .

2a zeigt eine Draufsicht auf die mittlere Funktionsschicht eines mehrzelligen Mikrofonbauelements 20 und 2a shows a plan view of the middle functional layer of a multi-cell microphone component 20 and

2b zeigt eine Schnittansicht dieses Mikrofonbauelements 20, 2 B shows a sectional view of this microphone component 20 .

3 zeigt eine Draufsicht auf die mittlere Funktionsschicht eines weiteren mehrzelligen Mikrofonbauelements 30. 3 shows a plan view of the middle functional layer of another multicellular microphone component 30 ,

Ausführungsformen der Erfindung Embodiments of the invention

Die Mikrofonstruktur des in 1 dargestellten mikromechanischen Bauelements 10 ist in einem Schichtaufbau mit drei durch Isolations- bzw. Opferschichten 4, 5 getrennten Funktionsschichten 1, 2, 3 realisiert. Sie umfasst einen Hohlraum 11, der sich im Wesentlichen über die mittlere Funktionsschicht 2 erstreckt und seitlich von zwei Membranstrukturen 12 und 13 begrenzt wird. Die beiden Membranstrukturen 12 und 13 sind aus der mittleren Funktionsschicht 2 herausstrukturiert und senkrecht zu den Schichtebenen – also in-plane – auslenkbar. Sie bilden die Schallaufnehmer der Mikrofonstruktur und fungieren als auslenkbare Elektroden zweier voneinander unabhängiger Mikrofonkondensatoren. Den beiden Membranstrukturen 12 und 13 ist jeweils ein Gegenelement 14 und 15 zugeordnet, das als Träger für die Gegenelektrode des jeweiligen Mikrofonkondensators dient. Die Gegenelemente 14 und 15 sind ebenfalls in der mittleren Funktionsschicht 2 ausgebildet. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind sie über mit Isolationsmaterial verfüllte Trenchgräben 6 fest in den Schichtaufbau des Bauelements 10 eingebunden.The microphone structure of the in 1 shown micromechanical device 10 is in a layered structure with three through isolation or sacrificial layers 4 . 5 separate functional layers 1 . 2 . 3 realized. It includes a cavity 11 which is essentially about the middle functional layer 2 extends and laterally of two membrane structures 12 and 13 is limited. The two membrane structures 12 and 13 are from the middle functional layer 2 structured out and perpendicular to the layer planes - ie in-plane - deflectable. They form the sound pickups of the microphone structure and act as deflectable electrodes of two mutually independent microphone capacitors. The two membrane structures 12 and 13 is each a counter element 14 and 15 assigned, which serves as a carrier for the counter electrode of the respective microphone capacitor. The counter elements 14 and 15 are also in the middle functional layer 2 educated. In the embodiment shown here they are filled with insulation trench trenches 6 firmly in the layer structure of the device 10 involved.

In der ersten Funktionsschicht 1 ist eine Schallöffnung 16 ausgebildet, die über eine entsprechende Strukturierung der Isolationsschicht 4 in den Hohlraum 11 mündet. In der dritten Funktionsschicht 3 unterhalb der mittleren Funktionsschicht 2 befinden sich Entlüftungsöffnungen 17, die in eine Kaverne 18 in der Bauelementrückseite münden. Die Entlüftungsöffnungen 17 sind seitlich vom Hohlraum 11 zwischen einer Membranstruktur 12 bzw. 13 und dem entsprechenden Gegenelement 14 bzw. 15 angeordnet.In the first functional layer 1 is a sound opening 16 formed, which has a corresponding structuring of the insulation layer 4 in the cavity 11 empties. In the third functional layer 3 below the middle functional layer 2 There are vents 17 in a cavern 18 in the back of the component. The vents 17 are laterally from the cavity 11 between a membrane structure 12 respectively. 13 and the corresponding counter element 14 respectively. 15 arranged.

Eine Schall-/Druckwelle – hier durch den Pfeil 7 dargestellt – gelangt durch die Schallöffnung 16 in den Hohlraum 11 im Inneren des Bauelements 10. Dort verursacht sie einen raschen Druckanstieg, der zu einer lateralen Auslenkung der den Hohlraum 11 begrenzenden Membranstrukturen 12 und 13 und damit zu einer Annäherung an die entsprechenden Gegenelemente 14 und 15 führt. Dabei wird das Gasvolumen zwischen den Membranstrukturen 12, 13 und den entsprechenden Gegenelementen 14, 15 komprimiert, was der schalldruckbedingten Auslenkung der Membranstrukturen 12, 13 entgegenwirkt. Diese Kompression des Gasvolumens wird mit Hilfe der Entlüftungsöffnungen 17 durch einen Druckausgleich mit der Umgebung kompensiert.A sound / pressure wave - here by the arrow 7 represented - passes through the sound opening 16 in the cavity 11 inside the device 10 , There it causes a rapid increase in pressure leading to a lateral deflection of the cavity 11 limiting membrane structures 12 and 13 and thus to an approximation to the corresponding counter-elements 14 and 15 leads. The gas volume between the membrane structures becomes 12 . 13 and the corresponding counter-elements 14 . 15 compressed, what the sound pressure induced deflection of the membrane structures 12 . 13 counteracts. This compression of the gas volume is achieved by means of the vents 17 compensated by a pressure equalization with the environment.

Das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept ermöglicht die Realisierung von besonders leistungsfähigen MEMS-Mikrofonen mit einer Anordnung von mehreren Mikrofonzellen – wie sie voranstehend in Verbindung mit 1 beschrieben wurden – auf einem Bauelement. Ein derartiges Bauelement 20 ist in den 2a und 2b schematisch dargestellt.The microphone concept according to the invention makes it possible to realize particularly powerful MEMS microphones having an arrangement of a plurality of microphone cells-as described above in connection with FIG 1 were described - on a device. Such a device 20 is in the 2a and 2 B shown schematically.

Das Layout des Bauelements 20 wird insbesondere durch die in 2a dargestellte Draufsicht auf die mittlere Funktionsschicht 2 verdeutlicht, die eine Anordnung von drei Mikrofonzellen zeigt. Jede dieser Mikrofonzellen umfasst einen Hohlraum 21 mit einer Schallöffnung 26, deren Kontur hier zur Veranschaulichung der Bauelementstruktur eingezeichnet ist, obwohl die Schallöffnungen 26 in der hier nicht dargestellten ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet sind, was aus der Schnittdarstellung der 2b ersichtlich ist. Jeweils zwei Membranstrukturen 22 und 23 bilden die Seitenwände eines Hohlraums 21. Diese Membranstrukturen 22 und 23 dienen als Schallaufnehmer und werden durch den in das Bauelement 20 eingeleiteten Schalldruck lateral, d. h. in der Schichtebene, ausgelenkt. Die Empfindlichkeit der Schallaufnehmer hängt von der Dicke der jeweiligen Membranstruktur 22, 23 ab und kann zudem über die Art der Membranaufhängung beeinflusst werden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Membranaufhängungen 29 mäanderförmig ausgebildet, so dass die Membranstrukturen 22, 23 bei einer Schalleinwirkung bevorzugt in diesem Bereich deformiert werden, während der Mittelbereich 220, 230 lediglich ausgelenkt wird. Jede der Membranstrukturen 22, 23 fungiert als auslenkbare Elektrode eines Mikrofonkondensators. Um eine möglichst große Elektrodenfläche zu realisieren, sind die Mittelbereiche 220, 230 der Membranstrukturen 22, 23 hier kammförmig ausgebildet.The layout of the device 20 in particular by the in 2a illustrated plan view of the middle functional layer 2 clarifies that shows an arrangement of three microphone cells. Each of these microphone cells comprises a cavity 21 with a sound opening 26 whose contour is shown here to illustrate the component structure, although the sound openings 26 in the first functional layer not shown here 1 are formed, which is apparent from the sectional view of 2 B is apparent. Two membrane structures each 22 and 23 form the sidewalls of a cavity 21 , These membrane structures 22 and 23 Serve as a sound pickup and are by the in the device 20 introduced sound pressure laterally, ie in the layer plane, deflected. The sensitivity of the sound pickup depends on the thickness of the respective membrane structure 22 . 23 and can also be influenced by the type of membrane suspension. In the embodiment shown here are the membrane suspensions 29 meander-shaped, so that the membrane structures 22 . 23 be deformed in a sound effect preferably in this area, while the central area 220 . 230 only deflected. Each of the membrane structures 22 . 23 acts as a deflectable electrode of a microphone capacitor. In order to realize the largest possible electrode area, the middle areas are 220 . 230 the membrane structures 22 . 23 formed comb-shaped here.

Die einzelnen Mikrofonzellen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel so nebeneinander angeordnet, dass den benachbarten Membranstrukturen 22, 23 zweier benachbarter Mikrofonzellen ein gemeinsames feststehendes, akustisch inaktives Gegenelement 24 zugeordnet ist, das als Träger für die den Membranstrukturen 22, 23 zugeordneten Gegenelektroden fungiert. 2b zeigt, dass die Gegenelemente 24 durch Verbindungen zur ersten und dritten Funktionsschicht 1, 3 fest in den Schichtaufbau des Bauelements 20 eingebunden sind. Der Mittelbereich 240 dieser Gegenelemente 24 ist doppelkammförmig strukturiert, so dass die Zähne der Membranstrukturen 22, 23 und des zugeordneten Gegenelements 24 bei einer Auslenkung der Membranstrukturen 22, 23 mehr oder weniger ineinander greifen. Die Gegenelemente 25 am Rand der Mikrofonzellenanordnung sind lediglich einseitig kammförmig strukturiert.The individual microphone cells are arranged side by side in the present embodiment, that the adjacent membrane structures 22 . 23 two adjacent microphone cells a common fixed, acoustically inactive counter element 24 is assigned, as a carrier for the membrane structures 22 . 23 associated counter electrodes acts. 2 B shows that the counter elements 24 by connections to the first and third functional layer 1 . 3 firmly in the layer structure of the device 20 are involved. The middle area 240 these counter elements 24 is structured in a double comb shape, so that the teeth of the membrane structures 22 . 23 and the associated counter element 24 at a deflection of the membrane structures 22 . 23 more or less intertwined. The counter elements 25 at the edge of the microphone cell array are combed only one-sided comb-shaped.

In der dritten Funktionsschicht 3 sind in den Überlappungsbereichen der ineinandergreifenden Kammstrukturen jedes so realisierten Mikrofonkondensators Entlüftungsöffnungen in Form von Druckausgleichsschlitzen 27 ausgebildet, die in eine rückseitige Kaverne 28 des Bauelements münden.In the third functional layer 3 are in the overlapping areas of the intermeshing comb structures of each microphone condenser thus realized vents in the form of pressure equalization slots 27 formed in a back cavern 28 of the device open.

3 zeigt eine Weiterentwicklung des voranstehend beschriebenen Layouts. Deshalb werden in den 2 und 3 für gleiche Strukturelemente auch gleiche Bezugszeichen verwendet. 3 shows a further development of the layout described above. Therefore, in the 2 and 3 for the same structural elements and the same reference numerals used.

Zur Erhöhung der Mikrofonempfindlichkeit wurden bei dem in 3 dargestellten Bauelement 30 die akustisch inaktiven Gegenelemente, die in 2a, 2b mit 24 bezeichnet sind, jeweils durch eine weitere Mikrofonzelle ersetzt, deren Hohlraum 21 seitlich durch zwei lateral auslenkbare Membranstrukturen 22 und 23 begrenzt wird. Jeder Mikrofonkondensator besteht hier also aus zwei akustisch aktiven Elektroden in Form von zwei lateral, in der Schichtebene auslenkbaren Membranstrukturen 22, 23 zweier benachbarter Mikrofonzellen. Da diese beiden Membranstrukturen 22, 23 konzeptbedingt gegeneinander ausgelenkt werden, ist die resultierende Kapazitätsänderung höher als im Falle einer feststehenden Gegenelektrode. Auch die Membranflächendichte des Bauelements 30 ist höher als die des Bauelements 20, was einen hohen Miniaturisierungsgrad bei sehr hoher Mikrofonempfindlichkeit ermöglicht.To increase the microphone sensitivity were in the in 3 illustrated component 30 the acoustically inactive counter elements, which in 2a . 2 B With 24 are each designated by a further microphone cell replaced, the cavity 21 laterally by two laterally deflectable membrane structures 22 and 23 is limited. Each microphone capacitor therefore consists of two acoustically active electrodes in the form of two laterally deflectable membrane structures in the layer plane 22 . 23 two adjacent microphone cells. Because these two membrane structures 22 . 23 Due to the concept, the resulting change in capacitance is higher than in the case of a fixed counterelectrode. Also, the membrane area density of the device 30 is higher than that of the device 20 , which allows a high degree of miniaturization with very high microphone sensitivity.

Hinsichtlich der Anordnung und Ausgestaltung der Membranstrukturen 22, 23 sowie der Schallöffnungen 26 und Entlüftungsöffnungen 27 wird an dieser Stelle auf die Beschreibung zu den 2a und 2b verwiesen.With regard to the arrangement and configuration of the membrane structures 22 . 23 as well as the sound openings 26 and vents 27 is at this point to the description of the 2a and 2 B directed.

Claims

Component ( 10 ) with a micromechanical microphone structure, which is realized in a layer structure, with at least one membrane structure that can be deflected by the sound pressure ( 12 . 13 ), which acts as a first electrode of a microphone capacitor, and - a counter element ( 14 . 15 ), which acts as a support of a counter electrode of the microphone capacitor, wherein the layer structure at least three functional layers ( 1 . 2 . 3 ) comprises: - a first functional layer ( 1 ) with a sound opening ( 16 ) placed in a cavity ( 11 ) below the first functional layer ( 1 ), wherein the cavity ( 11 ) essentially via the second functional layer ( 2 ), - the second functional layer ( 2 ), in which the membrane structure ( 12 . 13 ) and the counter element ( 14 . 15 ) are formed so that the membrane structure ( 12 . 13 ) the cavity ( 11 ) is limited at least on one side and is deflectable in the layer plane, and - a third functional layer ( 3 ) below the cavity ( 11 ), in which at least one vent ( 17 ) is formed for the microphone structure.

Component ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the counter element ( 14 . 15 ) is acoustically inactive.

Component ( 30 ) according to claim 1, characterized in that the counter element also in the form of a membrane structure ( 22 . 23 ) is realized, which is deflectable in the layer plane.

Component ( 20 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one membrane structure ( 22 . 23 ) a meandering spring suspension ( 29 ).

Component ( 10 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cavity ( 11 ) on two opposite sides each of a membrane structure ( 12 . 13 ) is limited.

Component ( 20 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one membrane structure ( 22 . 23 ) at least in its mid-range ( 220 . 230 ) is comb-shaped, that the counter element ( 24 . 25 ) is also comb-shaped and that the membrane structure ( 22 . 23 ) and the counter element ( 24 . 25 ) are arranged so that the teeth of the two comb structures at a deflection of the membrane structure ( 22 . 23 ) more or less intertwined.

Component ( 20 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the layer structure a plurality of microphone cells are formed, each having a cavity ( 21 ) with at least one sound opening ( 26 ), wherein the cavity ( 21 ) of at least one membrane structure ( 22 . 23 ) is limited.

Component ( 20 ) according to claim 7, characterized in that the adjacent membrane structures ( 22 . 23 ) of two adjacent microphone cells a common fixed, acoustically inactive counter element ( 24 ) assigned.

Component ( 30 ) according to claim 7, characterized in that the adjacent membrane structures ( 22 . 23 ) of two adjacent microphone cells form the two electrodes of a microphone capacitor.