DE102010035168A1

DE102010035168A1 - Sensor for microelectromechanical system capacitor microphone used in e.g. medical field, has sound passage openings arranged anisotropically on counter electrode such that reduction of lateral forces on counter electrode is achieved

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Publication number: DE102010035168A1
Application number: DE201010035168
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-08-23
Filing date: 2010-08-23
Publication date: 2012-02-23

Abstract

The sensor has a movable membrane, a movable diaphragm, and a counter-electrode. The sound passage openings (7) are arranged anisotropically on the counter electrode such that the reduction of the lateral forces on the counter electrode is achieved.

Description

Die Erfindung umfasst Sensoren für Kondensatormikrofone mit einer beweglichen Membran und einer, der beweglichen Membran gegenüberliegenden, Gegenelektrode. Die auf der Gegenelektrode vorhandenen Schalldurchtrittsöffnungen sind anisotrop angeordnet und vorteilhaft von anisotroper Form und führen zu einer Reduktion der lateralen Kräfte auf der Gegenelektrode und damit zur Erhöhung der Nachgiebigkeit und somit zu einer Steigerung der Unempfindlichkeit der Mikrofone gegenüber dem Körperschall und einer verbesserten Toleranz gegenüber Herstellungsstreuungen.The invention comprises sensors for condenser microphones with a movable diaphragm and a counter electrode opposite the movable diaphragm. The sound passage openings provided on the counterelectrode are arranged anisotropically and advantageously of anisotropic form and lead to a reduction in the lateral forces on the counterelectrode and thus to increase the compliance and thus to increase the insensitivity of the microphones to structure-borne noise and to an improved tolerance to manufacturing variations.

In vielen Produkten der Telekommunikation, Audio- und Videotechnik sowie der Medizintechnik werden Mikrofone eingesetzt.Microphones are used in many telecommunications, audio and video technology and medical technology products.

Eine Fertigungstechnik zur Herstellung der Mikrofone basiert auf der sogenannten MEMS-Technologie (MEMS = Mikro Elektronische Mechanische Systeme). Es sind jedoch auch andere Fertigungstechniken bekannt und anwendbar.A manufacturing technology for the production of the microphones is based on the so-called MEMS technology (MEMS = Micro Electronic Mechanical Systems). However, other manufacturing techniques are known and applicable.

MEMS-Mikrofone enthalten eine schwingungsfähige Membran als auslenkbare Elektrode und eine perforierte Gegenelektrode. Die Auslenkung der Membran wird durch die Differenz der Drücke vor und hinter der Membran bestimmt. Druckänderungen, beispielsweise durch Schallwellen, bewirken eine Änderung des Abstandes zwischen der Membran und der Gegenelektrode, wodurch sich die Kapazität des gebildeten Kondensators ändert, was messtechnisch erfasst werden kann. Grundsätzlich lässt sich das Verfahren auch auf andere kapazitive Messverfahren anwenden, insbesondere bei sogenannten Elektret-Mikrophonen.MEMS microphones contain a vibratable membrane as a deflectable electrode and a perforated counter electrode. The deflection of the membrane is determined by the difference in pressures in front of and behind the membrane. Pressure changes, for example by sound waves, cause a change in the distance between the membrane and the counter electrode, whereby the capacitance of the capacitor formed changes, which can be detected by measurement. In principle, the method can also be applied to other capacitive measuring methods, in particular with so-called electret microphones.

Die Gegenelektrode wird sehr oft durch eine Schichtabscheidung von polykristallinem Silizium (Polysilizium) hergestellt. Diese Schicht sollte eine geringe Zugspannung aufweisen. Ist die Zugspannung zu groß, beeinflussen die dadurch erzeugten Kräfte die aktive Funktion des Mikrofons in unerwünschter und auch unkontrollierter Weise. Eine Streuung der Zugspannung oder auch deren Änderung über der Betriebstemperatur ändern die akustische Empfindlichkeit, weil sich die Zugspannung beziehungsweise die dadurch erzeugten lateralen Kräfte bis in die akustische Membrane fortpflanzen können.The counter electrode is very often produced by a layer deposition of polycrystalline silicon (polysilicon). This layer should have a low tensile stress. If the tension is too great, the forces generated thereby affect the active function of the microphone in an undesired and uncontrolled manner. A scattering of the tensile stress or its change over the operating temperature change the acoustic sensitivity, because the tensile stress or the lateral forces generated thereby can propagate into the acoustic membrane.

Über die Verringerung des störenden Einflusses der lateralen Kräfte hinaus ist es weiterhin von Vorteil, die Nachgiebigkeit beziehungsweise die Resonanzfrequenz der Gegenelektrode und der akustischen Membrane aufeinander abzustimmen. Bei richtiger Dimensionierung führt dies zu einer weitgehenden Unempfindlichkeit gegenüber dem sogenannten Körperschall.In addition to reducing the disturbing influence of the lateral forces, it is also advantageous to match the compliance or the resonance frequency of the counterelectrode and the acoustic diaphragm to one another. With proper dimensioning, this leads to a substantial insensitivity to the so-called structure-borne noise.

Der Körperschall kommt von Bewegungen oder Vibrationen und gibt ein unerwünschtes, störendes Ausgangssignal. Wenn die Gegenelektrode als auch die akustische Membrane bei Körperschall jedoch simultan in der gleichen Größe ausgelenkt werden und sich damit der Abstand nicht ändert, erzeugt diese Bewegung kein störendes Signal. Wird die Nachgiebigkeit der akustischen Membrane und der Gegenelektrode gut aufeinander abgestimmt, so wird eine Signalstörung durch den Körperschall somit weitgehend unterdrückt.The structure-borne sound comes from movements or vibrations and gives an undesirable, disturbing output signal. However, if the counterelectrode and the acoustic membrane are simultaneously deflected in the same size under structure-borne noise and the distance does not change, this movement does not generate a disturbing signal. If the compliance of the acoustic membrane and the counterelectrode is well matched, a signal disturbance due to structure-borne noise is thus largely suppressed.

Schallwellen hingegen bewirken im Wesentlichen lediglich eine Anregung der akustischen Membrane. Dies wird über Schalleintrittsöffnungen in der Gegenelektrode gewährleistet.Sound waves, on the other hand, essentially cause only excitation of the acoustic membrane. This is ensured by sound inlet openings in the counter electrode.

Um die Nachgiebigkeit zu verbessern sind verschiedenste Lösungen offenbart worden. So wird beispielsweise eine weiche Aufhängung der Gegenelektrode durch spezielle Aufhängungselemente am Rande der Gegenelektrode realisiert. Ein Beispiel für eine spezielle Aufhängung der Gegenelektrode mit besonderen Aufhängungselementen an der Peripherie der Gegenelektrode ist in dargestellt (siehe auch B. Holz, Advanced Laser Dicing of Sensitive MEMS Devices, SEMICOM Europa 2007, MEMS Forum, Stuttgart 2007 ). Diese weiche Aufhängung der Gegenelektrode führt zur Erhöhung der Nachgiebigkeit durch die Reduzierung der lateralen Kräfte.To improve compliance, various solutions have been disclosed. For example, a soft suspension of the counter electrode is realized by special suspension elements on the edge of the counter electrode. An example of a special suspension of the counter electrode with special suspension elements at the periphery of the counter electrode is shown in FIG shown (see also Wood, Advanced Laser Dicing of Sensitive MEMS Devices, SEMICOM Europe 2007, MEMS Forum, Stuttgart 2007 ). This soft suspension of the counter electrode leads to an increase in compliance by reducing the lateral forces.

Für eine Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber Körperschall sollten die Zugspannung beziehungsweise die lateralen Kräfte sehr niedrig sein, um die geforderte hohe Nachgiebigkeit der Gegenelektrode zu erreichen. Der Abbau der lateralen Kräfte ist durch spezielle konzentrierte, weiche Aufhängungselemente an der Peripherie der Gegenelektrode oder auch durch eine gefaltete Gegenelektrode mit einer Sicke an der Peripherie möglich. Dies erfordert jedoch eine komplexe Prozessführung, was die Herstellung der Strukturen anbelangt. Sowohl die Sicherstellung einer geringen initialen Zugspannung als auch einer geringen Änderung der Zugspannung über die Dicke der Gegenelektrode ist prozesstechnisch aufwändig. Da der innere Teil der Gegenelektrode als starre Fläche arbeitet, darf die Zugspannung sich senkrecht zu dieser Fläche nicht ändern, weil sich die Fläche sonst ausbeulen würde und sich eine konvexe oder konkave Form einstellen würde.To reduce the sensitivity to structure-borne noise, the tensile stress or the lateral forces should be very low in order to achieve the required high compliance of the counterelectrode. The reduction of the lateral forces is possible by special concentrated, soft suspension elements on the periphery of the counter electrode or by a folded counter electrode with a bead on the periphery. However, this requires complex process control as far as the fabrication of the structures is concerned. Both the assurance of a low initial tensile stress and a slight change in the tensile stress across the thickness of the counter electrode is technically complex. Since the inner part of the counter electrode works as a rigid surface, the tension must not change perpendicular to this surface, because otherwise the surface would bulge and a convex or concave shape would set.

Eine solche Form würde es jedoch unmöglich machen, einen geringen und auch konstanten Abstand zur akustischen Membrane zu realisieren, welcher für ein gutes Mikrofon notwendig ist.However, such a shape would make it impossible to realize a small and constant distance to the acoustic membrane, which is necessary for a good microphone.

Es gibt eine Vielzahl von Publikationen zu Mikrofonen und zur Verbesserung der akustischen Eigenschaften, wie Empfindlichkeit, Rauschen und Frequenzgang. There are a variety of publications on microphones and to improve the acoustic properties, such as sensitivity, noise and frequency response.

Speziell für MEMS-Mikrofone ist eine gute Übersicht zu finden in M. Füldner, Modellierung und Herstellung kapazitiver Mikrofone in BiCMOS-Technologie, Dissertation, Technische Fakultät der Universität Erlangen Nürnberg, München 2004 . Hierin werden die Herstellung der Mikrofone und insbesondere die Anordnung und Herstellung der Gegenelektroden beschrieben. So können die Schalldurchtrittsöffnungen, auch als Perforationslöcher bezeichnet, durch Plasma-Ätzung gebildet werden. Die Plasma-Ätzung erfolgt beispielsweise durch Beschuss mit gerichteten Ionen im Gegensatz zur nasschemischen Ätzung durch reaktive Ionen. Das Plasma-Ätzen von Halbleitern ermöglicht eine genauere Strukturierung der Öffnungen, da der Ätzabtrag vorwiegend in der Richtung senkrecht zur Fläche vor sich geht und somit die Struktur der photolithographischen Maske sehr formgetreu auf die Gegenelektrode übertragen wird. Bei einer nasschemischen Ätzung müsste mit ungenauerer Übertragung gerechnet werden, da diese Ätzung in alle Richtungen geht und damit zu einer Unterätzung führt. Insbesondere bei Öffnungen in der Größenordnung der zu ätzenden Schichtdicken würde dies zu erheblichen Streuungen führen.Especially for MEMS microphones a good overview can be found in M. Füldner, Modeling and Production of Capacitive Microphones in BiCMOS Technology, Dissertation, Faculty of Engineering, University of Erlangen Nuremberg, Munich 2004 , Herein the production of the microphones and in particular the arrangement and preparation of the counter electrodes will be described. Thus, the sound passage openings, also referred to as perforation holes, can be formed by plasma etching. The plasma etching is carried out, for example, by bombardment with directional ions in contrast to wet-chemical etching by means of reactive ions. The plasma etching of semiconductors allows a more accurate patterning of the openings, since the etching removal takes place predominantly in the direction perpendicular to the surface and thus the structure of the photolithographic mask is very faithfully transferred to the counterelectrode. In the case of a wet-chemical etching, inaccurate transmission would have to be expected, since this etching proceeds in all directions and thus leads to undercutting. In particular, for openings in the order of the layer thicknesses to be etched, this would lead to considerable variations.

Ebenso wird in der angeführten Dissertation explizit eine periodische Anordnung der Schalleintrittsöffnungen dargestellt. Eine solche periodische, isotrope Anordnung ist übernommen worden von nicht miniaturisierten Bautechniken. Bei diesen stand hinreichend viel Raum zur Verfügung, um sehr stabile Rahmen (äquivalent zu Silizium-Substrat (1) siehe ) vorzusehen, die alle Kräfte praktisch ohne Verformung aufnehmen konnten. Auch der Entwurf und die Herstellung der Werkzeuge (Masken) zur periodischen, isotropen Anordnung der Öffnungen sind scheinbar einfacher.Likewise, in the cited dissertation, a periodic arrangement of the sound inlet openings is explicitly shown. Such a periodic, isotropic arrangement has been adopted by non-miniaturized building techniques. In these, sufficient space was available to provide very stable frameworks (equivalent to silicon substrate ( 1 ) please refer ), which could absorb all forces practically without deformation. Also, the design and manufacture of the tools (masks) for the periodic, isotropic arrangement of the openings are apparently simpler.

In US 2007/7215527 A1 wird der Aufbau einer extrem spannungsarmen akustischen Membrane vorgeschlagen, um die Empfindlichkeit zu erhöhen und um das Element auch als Aktuator (elektrostatischer Kopfhörer) verwenden zu können. Nachteilig wird hierin aber eine sehr starre Gegenelektrode verwendet.In US 2007/7215527 A1 the design of an extremely low-tension acoustic membrane is proposed in order to increase the sensitivity and to use the element as an actuator (electrostatic headphone) can. Disadvantageously, however, a very rigid counterelectrode is used herein.

WO 2006/061058 A1 offenbart ein Mikrofon in MEMS Bauweise bei der die elektrisch leitende Membran mit einer starren Deckschicht (Gegenelektrode) überdeckt ist. Die Deckschicht weist Schalleintrittsöffnungen auf, die bevorzugt gleichmäßig in der Deckschicht verteilt angeordnet sind. Die Öffnungen können beispielsweise runde Formen annehmen und relativ zur Membranfläche kleine Flächen ausbilden. WO 2006/061058 A1 discloses a microphone in MEMS construction in which the electrically conductive membrane with a rigid cover layer (counter electrode) is covered. The cover layer has sound inlet openings which are preferably distributed uniformly in the cover layer. The openings may, for example, take round shapes and form small areas relative to the membrane surface.

US 20050185812 A1 beschreibt den Aufbau von Silizium-Kondensator-Mikrofonen. Die die Membran abdeckende Deckschicht umfasst eine Lochblende zur Gewährleistung der Schalldruckdurchdringung. US 20050185812 A1 describes the construction of silicon capacitor microphones. The cover layer covering the membrane comprises a pinhole to ensure the sound pressure penetration.

EP 1444864 A1 offenbart mikromechanische Sensoren mit einer beweglichen Membran und einem der beweglichen Membran über einen Hohlraum gegenüberliegenden Gegenelement, in dem Perforationsöffnungen gebildet sind, die durch Schlitze gebildet sind, deren Breite maximal dem doppelten des durch den Hohlraum definierten Abstands zwischen der Membran und dem Gegenelement entspricht. Die Anordnung der Schlitze als auch deren Form sind gleichmäßig in der Gegenelektrode vorgesehen EP 1444864 A1 discloses micromechanical sensors having a movable diaphragm and a movable member opposite the membrane counter-element formed in the perforation openings, which are formed by slots whose maximum width is twice the defined by the cavity distance between the membrane and the counter element. The arrangement of the slots as well as their shape are provided uniformly in the counter electrode

Wohingegen die DE 10221660 A1 bzw. US 20050179100 A1 mikromechanische Sensoren mit einer beweglichen Membran und einem der beweglichen Membran über einen Hohlraum gegenüberliegenden leitfähigen Gegenelement offenbart, das in einer Trägerschicht angeordnet ist und die Trägerschicht als auch das Gegenelement von Perforationsöffnungen durchdrungen sind. Hierbei entspricht die Öffnungsweite der Perforationsöffnungen in etwa der Dicke der Trägerschicht.Whereas the DE 10221660 A1 respectively. US 20050179100 A1 discloses micromechanical sensors with a movable membrane and a movable membrane over a cavity opposite conductive counter-element, which is arranged in a carrier layer and the carrier layer and the counter-element are penetrated by perforation openings. Here, the opening width of the perforation openings corresponds approximately to the thickness of the carrier layer.

Wünschenswert ist es, die Herstellung der Mikrofone weniger empfindlich gegenüber den unvermeidlichen Streuungen im Herstellungsprozess zu gestalten. Da die absolute Streuung der Zugspannung in der Gegenelektrode, die bei der Abscheidung von Materialien, wie polykristallinem Silizium, etwa konstant ist, wird die relative Streuung desto geringer, je höher die initiale Zugspannung in der Schicht sein darf. Jedoch sollte es vermieden werden, dass sich diese hohe initiale Zugspannung in signifikante laterale Kräfte umwandelt, damit diese die Eigenschaften des Mikrofones nicht ungünstig beeinflussen können.It is desirable to make the manufacture of the microphones less sensitive to the inevitable variations in the manufacturing process. Since the absolute scattering of the tensile stress in the counter electrode, which is approximately constant in the deposition of materials such as polycrystalline silicon, the relative scattering, the lower the higher the initial tensile stress in the layer may be. However, it should be avoided that this high initial tension transforms into significant lateral forces so that they can not adversely affect the characteristics of the microphone.

Weiterhin erscheint es günstig, wenn die Nachgiebigkeit der Gegenelektrode durch Strukturen, die sich über die ganze Fläche der Elektrode verteilen, erhöht wird, weil sich dann bei Anregung durch Körperschall die Gegenelektrode gleichförmig zur akustischen Membrane auslenkt, und insofern sich damit eine bessere Auslöschung der Signalstörungen durch den Körperschall ergibt.Furthermore, it appears favorable if the compliance of the counterelectrode is increased by structures which are distributed over the entire surface of the electrode, because then, when excited by structure-borne noise, the counterelectrode deflects uniformly toward the acoustic membrane, and thus a better extinction of the signal interference resulting from the structure-borne noise.

Wünschenswert ist es einen Sensor für Mikrofone bereit zu stellen, der eine erhöhte Nachgiebigkeit der Gegenelektrode aufweist und damit zu einer verbesserten Unempfindlichkeit des Mikrofons gegen Körperschall führt.It is desirable to provide a sensor for microphones, which has an increased flexibility of the counter electrode and thus leads to an improved insensitivity of the microphone against structure-borne noise.

Die Erfindung beschreibt einen Sensor für Kondensatormikrofone umfassend eine bewegliche Membran und eine der beweglichen Membran gegenüber liegende Gegenelektrode. Die auf der Gegenelektrode befindlichen Schalldurchtrittsöffnungen sind anisotrop angeordnet. Bevorzugt weisen auch die Öffnungen eine anisotrope Form auf.The invention describes a sensor for condenser microphones comprising a movable diaphragm and a counter electrode opposite to the movable diaphragm. The on the Counter-electrode located sound passage openings are arranged anisotropically. Preferably, the openings also have an anisotropic shape.

Die Erfindung löst die geschilderten Probleme durch die spezielle anistrope Anordnung und auch vorteilhaft durch die Struktur der Öffnungen der Gegenelektrode. Diese Öffnungen sind prinzipiell notwendig, um den akustischen Schalldruck zu der Membrane zu leiten. Entsprechend dem heutigen Stand der Technik sind diese Öffnungen eine im Wesentlichen isotrope und periodische Anordnung von vielen Kreisen, Fünfecken, Vierecken oder auch Dreiecken, wie im Stand der Technik dargestellt.The invention solves the problems described by the special anistropic arrangement and also advantageously by the structure of the openings of the counter electrode. These openings are in principle necessary to direct the acoustic sound pressure to the membrane. According to the current state of the art, these openings are a substantially isotropic and periodic arrangement of many circles, pentagons, squares or even triangles, as shown in the prior art.

Erfindungsgemäß werden diese Öffnungen nun in nicht-isotropen, d. h. anisotropen Strukturen und vorteilhaft auch Formen realisiert. Diese anisotrope Anordnung und Formen führen dazu, dass sich trotz einer höheren initialen Zugspannung in der abgeschiedenen polykristallinen Silizium-Schicht für die Gegenelektrode nur geringe laterale Kräfte aufbauen können.According to the invention, these openings are now in non-isotropic, d. H. Anisotropic structures and advantageously realized forms. This anisotropic arrangement and shapes mean that only a small lateral forces can build up in the deposited polycrystalline silicon layer for the counterelectrode despite a higher initial tensile stress.

erläutert diesen Vorteil und Mechanismus näher. Die Stege (8) zwischen den anisotrop angeordneten Öffnungen (7) der Gegenelektrode (6) werden nicht nur in radialer Richtung entsprechend dem Elastizitätskoeffizienten gestreckt, sondern geben der Belastung durch Biegung nach. Dies erläuternd sind im unteren Teil der die Strukturen (gestrichelt) gezeichnet ohne irgendwelche lateralen Kräfte und im oberen Teil mit lateralen Kräften. Die entstehende Verbreiterung der Öffnungen ist hier zur Verdeutlichung stark übertrieben dargestellt. explains this advantage and mechanism closer. The bridges ( 8th ) between the anisotropically arranged openings ( 7 ) of the counter electrode ( 6 ) are stretched not only in the radial direction according to the coefficient of elasticity but yield to the load by bending. This is explained in the lower part of the the structures (dashed) drawn without any lateral forces and in the upper part with lateral forces. The resulting widening of the openings is here greatly exaggerated for clarity.

Die anisotrope Anordnung und vorteilhaft auch die anisotrope Formgestaltung der Schalldurchtrittsöffnungen erlauben die Verwendung von Schichten mit höheren initialen Zugspannungen nach der Deposition und dadurch wird die relative Streuung signifikant verringert. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Einfluss der Änderung der Zugspannung über die Dicke der Schicht, d. h. senkrecht zu Gegenelektrode, ganz wesentlich minimiert.The anisotropic arrangement and advantageously also the anisotropic shape of the sound passage openings allow the use of layers with higher initial tensile stresses after deposition, and thereby the relative scattering is significantly reduced. Furthermore, the arrangement of the invention, the influence of the change in the tensile stress over the thickness of the layer, d. H. perpendicular to the counter electrode, very much minimized.

Ein hierbei zu vermutender Nachteil, durch die unregelmäßige Anordnung und Formen der Öffnungen käme es zu einer Erhöhung der relative Streuung, tritt nicht auf, da die Form und Struktur durch photolithografische Verfahren definiert wird und diese Verfahren der Halbleitertechnik hochgenau sind.A presumable disadvantage hereby that the irregular arrangement and shapes of the openings would lead to an increase in the relative scattering does not occur, since the shape and structure are defined by photolithographic methods and these methods of semiconductor technology are highly accurate.

Weiterhin kann vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Anordnung die Prozesskontrolle beim Aufbringen der Schicht für die Gegenelektrode vereinfacht werden oder es kann eine wirtschaftlich kostengünstigere Prozessvariante bzw. Prozessführung gewählt werden.Furthermore, the process control in the application of the layer for the counterelectrode can advantageously be simplified by the arrangement according to the invention, or a process variant that is more cost-effective can be selected.

Die erfindungsgemäße anisotrope Anordnung bedeutet, dass der Abstand einer Schalldurchtrittsöffnung zu mindestens zwei benachbarten Öffnungen in jeweils unterschiedlichen Richtungen (x, y) unterschiedlich ist.The anisotropic arrangement according to the invention means that the distance between a sound passage opening and at least two adjacent openings is different in each case in different directions (x, y).

verdeutlich diese anisotrope Anordnung. Dargestellt sind Schalldurchtrittsöffnungen (7), die in Richtung der x-Achse einen Abstand dx voneinander aufweisen und in Richtung der y-Achse einen davon unterschiedlichen Abstand dy. D. h. der Abstand dy einer Öffnung zur benachbarten Öffnung in y-Richtung ist ungleich dem Abstand dx der gleichen Öffnung zur benachbarten Öffnung in x-Richtung. Ausgangspunkt der Abstände dx, dy sind die jeweiligen Öffnungsmittelpunkte. Erfindungsgemäße anisotrope Anordnung der Öffnungen bedeutet, dass die in der 2-dimensionalen Fläche der Gegenelektrodenfläche angeordnete Öffnungen zu benachbarten Öffnungen unterschiedliche Abstände aufweisen, so dass es zu den in den , , , und beispielhaft dargestellten Anordnungen kommt. Auf der Gegenelektrodenfläche (6) sind die anisotrop angeordneten Schalldurchtrittsöffnungen (7) und die dazwischen liegenden Flächen, Stege (8) dargestellt. clarifies this anisotropic arrangement. Shown are sound passage openings ( 7 ) which have a distance dx from each other in the direction of the x-axis and a different distance dy in the direction of the y-axis. Ie. the distance dy of one opening to the adjacent opening in the y-direction is not equal to the distance dx of the same opening to the adjacent opening in the x-direction. The starting point of the distances dx, dy are the respective opening center points. Anisotropic arrangement of the openings according to the invention means that the openings arranged in the 2-dimensional surface of the counterelectrode surface have different distances to adjacent openings, so that they correspond to those in FIGS . . . and exemplary arrangements shown comes. On the counter electrode surface ( 6 ) are the anisotropically arranged sound passage openings ( 7 ) and the intermediate surfaces, webs ( 8th ).

Praktisch bedeutet die erfindungsgemäße Anordnung gegenüber dem Stand der Technik eine unregelmäßige Anordnung der Perforationen.Practically, the arrangement according to the invention over the prior art means an irregular arrangement of the perforations.

Bevorzugt sind die Formen der Öffnungen ebenfalls anisotrop, d. h. die Öffnungen weisen keine Form als Kreis, Vieleck, Rechteck, Oval auf. Anisotrope Formen zeichnen sich durch ein von 1 deutlich unterschiedliches Verhältnis von Höhe (h) zu Breite (b) der Öffnungen aus, wie in dargestellt. Bevorzugt sind die Perforationsöffnungen wellen-, mäander- und/oder zick-zack-förmig gestaltet.Preferably, the shapes of the openings are also anisotropic, ie the openings have no shape as a circle, polygon, rectangle, oval. Anisotropic shapes are characterized by a significantly different ratio of height (h) to width (b) of the openings, as in shown. The perforation openings are preferably wave-shaped, meandering and / or zigzag-shaped.

Bevorzugt sind die Öffnungen in Form von Schlitzen angeordnet, die nicht radial angeordnet sind. Im Stand der Technik, wie beispielsweise EP 1444864 A1 , werden zwar auch Schlitze, bzw. gekreuzte Schlitze, als Öffnungen verwenden, aber mit dem Ziel, den Strömungswiderstand der Luft zu reduzieren um eine möglichst hohe Grenzfrequenz zu erreichen. Die Anordnung und Form der Öffnungen sollen möglichst zu einer größeren Stabilität und damit auch zu einer niedrigen Nachgiebigkeit der Gegenelektrode führen. Nicht nur die Anordnung der Öffnungen wird isotrop gewählt, sondern auch die Öffnungen an sich, beispielsweise als bevorzugte Kreuze, sind isotroper Form.Preferably, the openings are arranged in the form of slots which are not arranged radially. In the prior art, such as EP 1444864 A1 , Although slits, or crossed slots, are used as openings, but with the aim of reducing the flow resistance of the air in order to achieve the highest possible cutoff frequency. The arrangement and shape of the openings should possibly lead to a greater stability and thus also to a low flexibility of the counter electrode. Not only the arrangement of the openings is selected isotropic, but also the openings themselves, for example as preferred crosses are isotropic form.

Zum Unterschied wird erfindungsgemäß durch die anisotrope Anordnung der Schalldurchtrittsöffnungen die Stabilität der Gegenelektrode erniedrigt und damit die Nachgiebigkeit erhöht. Deshalb werden, im Sinne des Zieles der vorliegenden Erfindung, die Form und die Anordnung der Schlitz so gewählt, dass sich dadurch in radialer Richtung eine sehr nachgiebige Kraftfortpflanzung ergibt.By contrast, according to the invention by the anisotropic arrangement of Sound passage openings lowered the stability of the counter electrode and thus increases the compliance. Therefore, in the sense of the aim of the present invention, the shape and the arrangement of the slot are chosen such that a very yielding force propagation results in the radial direction.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind die Öffnungen in einem konzentrischen Muster angeordnet. D. h. die anisotrope Anordnung der Öffnungen umfasst eine ringförmige Anordnung von Öffnungen deren Abstand gleichmäßig ist, der Abstand zum benachbarten Ring von Öffnungen sich aber wiederum vom Abstand zwischen den Öffnungen eines Ringes unterscheidet (s. ).In a further advantageous embodiment, the openings are arranged in a concentric pattern. Ie. the anisotropic arrangement of the openings comprises an annular arrangement of openings whose spacing is uniform, but the distance to the adjacent ring of openings in turn differs from the distance between the openings of a ring (s. ).

Erstaunlicherweise führt diese anisotrope Anordnung der Schalldurchtrittsöffnungen auf der Gegenelektrode dazu, dass die radialen lateralen Kräfte sehr stark reduziert werden, denn nur diese tragen zu der unerwünschten Deformation des Silizium-Substrates auf der Elektrode und zur Definition der Nachgiebigkeit bei. Dies kann durch Berechnungen der lateralen Kräfte bestätigt werden.Surprisingly, this anisotropic arrangement of the sound passage openings on the counterelectrode causes the radial lateral forces to be greatly reduced, because only these contribute to the unwanted deformation of the silicon substrate on the electrode and to the definition of the compliance. This can be confirmed by calculations of the lateral forces.

Die in den Abbildungen skizzierten Aufbauten der Mikrofone bzw. Gegenelektroden dienen der Veranschaulichung der Erfindung.The constructions of the microphones or counterelectrodes sketched in the figures serve to illustrate the invention.

zeigt den schematischen Aufbau eines MEMS-Mikrofons im Querschnitt. Auf ein Silizium-Substrat (1), das als mechanischer Rahmen dient, befindet sich eine isolierende Schicht, die bis auf einen Ring (2) wieder abgetragen wird. Dieser Ring ist für die eigentliche Funktion nicht zwingend erforderlich, wird jedoch prozesstechnisch benötigt, um zum Beispiel als Stoppschicht zu dienen beim Ätzen des Rückseitenloches (3), welches als Schallzuführung dient. Auf diesem Ring (2) ist die eigentliche akustische Membrane (4) befestigt. Auf dieser Membrane ist ein zweiter Ring vorhanden, der als Abstandshalter (5) die Position der Membrane (4) zur Gegenelektrode (6) festlegt. Ist die Gegenelektrode (6) und die Membrane (4) durchgehend leitend, so übernimmt dieser Abstandshalter (5) auch die elektrische Isolierung zwischen akustischer Membrane (4) und Gegenelektrode (6). shows the schematic structure of a MEMS microphone in cross section. On a silicon substrate ( 1 ), which serves as a mechanical frame, there is an insulating layer, which except for a ring ( 2 ) is removed again. This ring is not absolutely necessary for the actual function, but is required in terms of process technology, for example to serve as a stop layer during the etching of the backside hole (US Pat. 3 ), which serves as a sound supply. On this ring ( 2 ) is the actual acoustic membrane ( 4 ) attached. On this membrane a second ring is present, which serves as a spacer ( 5 ) the position of the membrane ( 4 ) to the counter electrode ( 6 ). Is the counter electrode ( 6 ) and the membrane ( 4 ) conductive, this spacer ( 5 ) also the electrical insulation between acoustic membrane ( 4 ) and counterelectrode ( 6 ).

Um den Schalldruck die Möglichkeit zu geben durch die Gegenelektrode (6) zur akustischen Membrane (4) zu gelangen, sind in diese Gegenelektrode Öffnungen (7) geätzt.To give the sound pressure the possibility through the counter electrode ( 6 ) to the acoustic membrane ( 4 ) are in this counter electrode openings ( 7 etched).

Die Gegenelektrode (6) muss eine bestimmte initiale Zugspannung haben. Zur Vermeidung der Verformung des Rahmens (Silizium-Substrat (1)) sollte diese Zugspannung, welche laterale Kräfte erzeugt, möglichst klein sein. Da diese Zugspannung jedoch möglichst nicht in eine Druckspannung umschlagen darf, um ein Ausbeulen zu vermeiden, muss die nominelle Spannung größer sein als alle Fertigungsstreuungen zuzüglich aller späteren Änderungen, wie z. B. durch die Änderung der Betriebstemperatur oder durch eine Alterung. Wird darüber hinaus eine Kompensation des Einflusses von Körperschall angestrebt, so wird die erforderliche Nachgiebigkeit definiert durch die gewählte Nachgiebigkeit der Membrane und das Verhältnis der Massebelegung (Masse pro Fläche) der Membrane und der Gegenelektrode.The counterelectrode ( 6 ) must have a certain initial tensile stress. To avoid deformation of the frame (silicon substrate ( 1 )), this tension, which generates lateral forces, should be as small as possible. However, since this tension must not turn into a compressive stress as possible, to avoid bulging, the nominal voltage must be greater than all manufacturing variations plus all later changes, such. B. by changing the operating temperature or by aging. If, in addition, a compensation of the influence of structure-borne noise is desired, the required flexibility is defined by the selected flexibility of the membrane and the ratio of the mass coverage (mass per area) of the membrane and the counterelectrode.

Die Öffnungen (7) in der Gegenelektrode (6) reduzieren die dadurch entstehenden lateralen Kräfte. Allerdings dürfen die Größe als auch die integrale Fläche der Öffnungen nicht zu groß werden, da die Gegenelektrode (6) auch das elektrische Feld in dem Kondensator, der aus Gegenelektrode (6) und akustischer Membrane (4) gebildet wird, definiert.The openings ( 7 ) in the counterelectrode ( 6 ) reduce the resulting lateral forces. However, the size and the integral area of the openings must not be too large, since the counter electrode ( 6 ) also the electric field in the capacitor, the counter electrode ( 6 ) and acoustic membrane ( 4 ) is defined.

Die Größe der Gesamtfläche der Öffnungen auf der Gegenelektrode wird vorzugsweise so gewählt, dass die Gesamtfläche 20 bis 50% der Gesamtfläche der Gegenelektrode ausmacht.The size of the total area of the openings on the counterelectrode is preferably chosen such that the total area accounts for 20 to 50% of the total area of the counterelectrode.

Die Öffnungen (7) sollten darüber hinaus nicht größer sein als etwa das Doppelte des Abstandes der Gegenelektrode (6) zu der akustischen Membrane (4), welcher durch den Abstandshalter (5) definiert ist. Werden diese Randbedingungen nicht eingehalten, so kann sich an der Gegenelektrode keine äquipotenziale Fläche ausbilden und die akustische Empfindlichkeit sinkt.The openings ( 7 ) should not be greater than about twice the distance of the counter electrode ( 6 ) to the acoustic membrane ( 4 ), which by the spacer ( 5 ) is defined. If these boundary conditions are not met, then no equipotential surface can form on the counterelectrode and the acoustic sensitivity decreases.

In ist ein typisches regelmäßiges und damit im Sinne der Erfindung nicht-anisotropes Anordnungsmuster der Öffnungen (7) in der Gegenelektrode (6) skizziert.In is a typical regular and thus for the purposes of the invention non-anisotropic arrangement pattern of the openings ( 7 ) in the counterelectrode ( 6 outlined).

Zur dargestellten Problemlösung und um die lateralen Kräfte auf einen niedrigen Wert zu reduzieren, könnte man das Öffnungsverhältnis der Löcher wesentlich erhöhen, wie es in dargestellt ist. Bei Beibehaltung der akustischen Empfindlichkeit würde dies aber bedeuten, dass man den Durchmesser der Öffnungen reduzieren müsste. Die Verringerung der Öffnungen würde zwar das Erfordernis erfüllen, dass die Öffnungen (7) nicht größer als das doppelte des Abstandes der Gegenelektrode (6) zu der akustischen Membrane (4) sein sollen, jedoch verursacht dies ein technisches Problem, da der Durchmesser der Öffnungen dann klein gegenüber der Dicke des Abstandshalters (5) als auch gegenüber der Dicke der Gegenelektrode (6) wird. Die Dicke des Abstandshalters (5) als auch die Dicke der Gegenelektrode (6) ist typischerweise etwa 1 bis 5 μ. Die Herstellung der Öffnungsstruktur auf der Gegenelektrode wäre dann sehr kostenaufwändig. Dazu kommt, dass die verbleibenden schmalen Stege der Gegenelektrode (6) sehr bruchanfällig werden.For the presented problem solving and to reduce the lateral forces to a low value, one could substantially increase the aperture ratio of the holes, as in is shown. However, maintaining the acoustic sensitivity would mean reducing the diameter of the apertures. The reduction of the openings would indeed meet the requirement that the openings ( 7 ) not greater than twice the distance of the counter electrode ( 6 ) to the acoustic membrane ( 4 ), but this causes a technical problem, since the diameter of the openings is then small compared to the thickness of the spacer (FIG. 5 ) as well as to the thickness of the counter electrode ( 6 ) becomes. The thickness of the spacer ( 5 ) as well as the thickness of the counter electrode ( 6 ) is typically about 1 to 5 μ. The preparation of the opening structure on the counter electrode would then be very costly. In addition, the remaining narrow webs of the counter electrode ( 6 ) are very susceptible to breakage.

Die Erfindung löst die Probleme nun dadurch, dass anisotrope Anordnungen und Formen der Löcher (7) gewählt werden. Diese Strukturen werden so ausgeformt, dass die radialen lateralen Kräfte sehr stark reduziert werden, denn nur diese tragen zu der unerwünschten Deformation des Silizium-Substrates (1) als auch zur Definition der Nachgiebigkeit bei. The invention now solves the problems by providing anisotropic arrangements and shapes of the holes (FIG. 7 ) to get voted. These structures are shaped in such a way that the radial lateral forces are greatly reduced, because only these contribute to the undesired deformation of the silicon substrate ( 1 ) as well as the definition of compliance.

Die , , , und geben einige Beispiel für die erfindungsgemäße Anordnung und Formen der Öffnungen (7) der Gegenelektrode (6) wieder. Dabei wird in den Skizzen auf eine runde Membrane Bezug genommen. Selbstverständlich ist die erfinderische Anordnung auch bei rechteckigen Membranen anwendbar.The . . . and give some examples of the arrangement according to the invention and shapes of the openings ( 7 ) of the counter electrode ( 6 ) again. The sketches refer to a round membrane. Of course, the inventive arrangement is also applicable to rectangular membranes.

Für eine rechteckige Membrane können die als kreisförmig dargestellten Öffnungen zumindest am Rand der Gegenelektrode zu Rechtecken wechseln.For a rectangular membrane, the openings shown as circular can change to rectangles at least at the edge of the counter electrode.

Grundsätzlich ist die Form der einzelnen Öffnungen innerhalb einer Gegenelektrode variierbar, z. B. kann die Länge einer Öffnung bei ansteigendem Radius, also zum Rand der Gegenelektrode hin, länger werden. In den Abbildungen ist jeweils nur das Zentrum der Gegenelektrode skizziert.In principle, the shape of the individual openings can be varied within a counterelectrode, z. For example, the length of an opening with increasing radius, so towards the edge of the counter electrode, become longer. In the figures, only the center of the counter electrode is sketched.

zeigt ein Beispiel einer anisotropen Anordnung mit einem niedrigen integralen Öffnungsverhältnis aber einer signifikanten Reduktion der radialen lateralen Kräfte. Wesentlich ist, dass die Materialbrücken (8) zwischen den runden (oder auch rechteckigen) Öffnungen möglichst schmal sind. Dies führt zu einer hohen Reduktion der Kräfte, ergibt aber gleichzeitig durch den höheren Abstand der Ringmuster (oder einer rechteckigen Anordnung bei rechteckigen Membranen) genügend aktive, geschlossene Fläche für eine hohe akustische Empfindlichkeit des Mikrofons. Diese unterschiedlichen Abstände aufgrund der anisotropen Anordnung zwischen benachbarten Öffnungen längs der Flächenrichtungen x und y auf der Gegenelektrode führen somit zur Verbesserung des Mikrofons. shows an example of an anisotropic arrangement with a low integral aperture ratio but a significant reduction in the radial lateral forces. It is essential that the material bridges ( 8th ) are as narrow as possible between the round (or even rectangular) openings. This leads to a high reduction of the forces, but at the same time results in a sufficiently active, closed surface for a high acoustic sensitivity of the microphone due to the higher distance between the ring patterns (or a rectangular arrangement with rectangular membranes). These different distances due to the anisotropic arrangement between adjacent openings along the surface directions x and y on the counter electrode thus lead to the improvement of the microphone.

Wird eine noch weitergehende Erhöhung der Nachgiebigkeit gewünscht, so können die Öffnungen (7) vorteilhaft zig-zag-förmig oder wellenförmig ausgebildet werden. Dies führt dann auch zu einer entsprechenden Form der verbleibenden Stege (8), wie in dargelegt, die damit so geformt sind, dass eine zusätzliche Flexibilität die Nachgiebigkeit noch weiter steigert.If a further increase in the compliance is desired, the openings ( 7 ) are advantageously formed zig-zag-shaped or wavy. This then also leads to a corresponding shape of the remaining webs ( 8th ), as in which are shaped so that additional flexibility further enhances compliance.

Mäanderförmige Öffnungen haben den Vorteil, dass bei einem ”Strecken” der Gegenelektrode, was etwa dem nachträglichen Erzeugen einer Spannung bedeutet, die peripheren Stege entlang der radialen Strahlen gespreizt werden, d. h. die peripheren Stege müssen etwas länger werden. Dies ist bei mäanderförmiger Gestaltung mit weniger Kräften verbunden. In der ist zur Veranschaulichung die Divergenz der radialen Strahlen extrem vergrößert. In der Realität ist dies nur eine geringe aber nicht zu vernachlässigende Verlängerung.Meander-shaped openings have the advantage that in a "stretching" of the counter electrode, which means about the subsequent generation of a voltage, the peripheral ridges are spread along the radial rays, ie the peripheral ridges must be slightly longer. This is associated with meandering design with less force. In the For illustration, the divergence of the radial rays is extremely increased. In reality, this is only a minor but not negligible extension.

Es zeigt sich überraschenderweise, dass, obwohl erfindungsgemäß das integrale Öffnungsverhältnis nicht erhöht worden ist, dass entsprechend dem Ziel der Erfindung die lateralen Kräfte speziell in radialer Richtung durch die erfindungsgemäße Anordnung deutlich reduziert werden, um erstens eine Verformung des Rahmens (Silizium-Substrat (1)) zu minimieren, zweitens eine zur Verringerung der relativen Streuung höhere initiale Zugspannung erlauben und drittens eine gute Anpassung der Nachgiebigkeit der Gegenelektrode zur Membrane ermöglichen, um eine optimale Unterdrückung der Körperschallempfindlichkeit zu erreichen. Darüber hinaus wirkt die Anordnung auch unempfindlicher gegenüber einer Variation der Zugspannung senkrecht zu Gegenelektrode.It is surprisingly found that, although according to the invention, the integral aperture ratio has not been increased, according to the aim of the invention, the lateral forces, especially in the radial direction, are significantly reduced by the arrangement according to the invention, in order firstly to deform the frame (silicon substrate (silicon substrate)). 1 Secondly, to allow a lower relative initial scattering higher initial tensile stress and thirdly allow a good adjustment of the compliance of the counter electrode to the membrane in order to achieve an optimal suppression of structure-borne sound sensitivity. In addition, the arrangement also acts less sensitive to a variation of the tension perpendicular to the counter electrode.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Schalldurchtrittsöffnungen lässt sich somit zur Reduktion der lateralen Kräfte in der Gegenelektrode verwenden sowie damit auch zur Erhöhung der Nachgiebigkeit der Gegenelektrode. Dies führt dazu, dass die Übertragung von Verformungen auf die Membran minimiert werden kann und die Nachgiebigkeit der Gegenelektrode an die Nachgiebigkeit der Membrane angepasst werden kann.The inventive design of the sound passage openings can thus be used to reduce the lateral forces in the counter electrode and thus also to increase the flexibility of the counter electrode. As a result, the transmission of deformations to the membrane can be minimized and the compliance of the counterelectrode can be adapted to the compliance of the membrane.

Der erfindungsgemäße Sensor führt durch seine Anwendung zu einer Verbesserung der Unempfindlichkeit gegenüber Körperschall von Mikrofonen sowie einer verbesserten Toleranz gegenüber Herstellungsstreuungen.The sensor of the invention leads by its application to an improvement in the insensitivity to structure-borne noise of microphones and an improved tolerance to manufacturing variations.

Es wird dadurch möglich, abgeschiedene Schichten, wie zum Beispiel polykristallines Silizium, mit einer höheren initialen Zugspannung zu verwenden. Diese lassen sich kostengünstiger und mit kleinerer relativer Streuung herstellen. Darüber hinaus kann die Nachgiebigkeit der Gegenelektrode soweit erhöht werden, dass sich eine sehr gute Elimination der Störungen durch Körperschall ergibt.It thereby becomes possible to use deposited layers, such as polycrystalline silicon, with a higher initial tensile stress. These can be produced more cost-effectively and with smaller relative scattering. In addition, the flexibility of the counter electrode can be increased so far that results in a very good elimination of the disturbances by structure-borne noise.

Weiterhin hat diese Anordnung keine Abhängigkeit mehr von einer Änderung der Zugspannung senkrecht zur Gegenelektrode, da eventuelle Verformungen aufgrund dieses Spannungsgradienten sich nur lokal über eine Strecke von wenigen μ auswirken. Auch diese Unempfindlichkeit ergibt weitere Möglichkeiten kostengünstige Herstellungsprozesse zu wählen.Furthermore, this arrangement no longer has any dependence on a change in the tensile stress perpendicular to the counterelectrode, since any deformations due to this voltage gradient only have a local effect over a distance of a few μ. This insensitivity also provides further options for choosing cost-effective production processes.

Die Erfindung ist anwendbar sowohl für elektrostatische Mikrofone als auch für sogenannte Elektret-Mikrophone. Der erste Typ von Mikrofonen benötigt eine externe Spannungsquelle zur Aufladung des Kondensator-Spaltes mit einer Ladung wohingegen bei Elektret-Mikrophonen die Ladung permanent in einer isolierenden Folie gespeichert ist.The invention is applicable both to electrostatic microphones and to so-called electret microphones. The first type of microphones requires an external voltage source to charge the capacitor gap with a charge whereas in electret microphones the charge is permanently stored in an insulating foil.

Die Erfindung kann problemlos in viele existierende Herstellungsprozesse integriert werden. Insbesondere bei dem gewählten Beispiel eines MEMS-Mikrofones benötigt diese Erfindung nur die Änderung einer Maske. Darüber hinaus können natürlich auch, aber nicht notwendigerweise, preiswertere Prozesse angewendet werden.The invention can be easily integrated into many existing manufacturing processes. Particularly in the selected example of a MEMS microphone, this invention requires only the modification of a mask. In addition, of course, but not necessarily, cheaper processes can be applied.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2007/7215527 A1 [0015]
WO 2006/061058 A1 [0016]
US 20050185812 A1 [0017]
EP 1444864 A1 [0018, 0034]
DE 10221660 A1 [0019]
US 20050179100 A1 [0019]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

B. Wood, Advanced Laser Dicing of Sensitive MEMS Devices, SEMICOM Europe 2007, MEMS Forum, Stuttgart 2007 [0009]
M. Füldner, Modeling and Production of Capacitive Microphones in BiCMOS Technology, Dissertation, Faculty of Engineering, University of Erlangen Nuremberg, Munich 2004 [0013]

Claims

Sensor for condenser microphones comprising a movable diaphragm and a, the movable diaphragm opposite, counter electrode, characterized in that in the counter electrode sound passage openings are arranged anisotropically.

Sensor according to claim 1, characterized in that the openings have an anisotropic shape.

Sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the openings are provided in the form of non-radially arranged slots.

Sensor according to claim 2 or 3, characterized in that the openings have a zigzag, meandering and / or wave-like shape.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the openings are arranged in a concentric pattern.

Use of a sensor according to one of the preceding claims for reducing the lateral forces in the counter electrode.

Use of a sensor according to one of the preceding claims for increasing the compliance of the counterelectrode.

Use of a sensor according to one of the preceding claims in condenser microphones for increasing the insensitivity of the microphones to structure-borne noise.