DE102013200070B3 - Mikrofon-Bauteil - Google Patents

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Abstract

Es werden Maßnahmen zur Verbesserung eines 2-Chip MEMS-Mikrofonbauteils vorgeschlagen, die sich insbesondere positiv auf die Mikrofonperformance und Zuverlässigkeit der Mikrofonfunktion auswirken. Ein derartiges Mikrofon-Bauteil umfasst zumindest ein MEMS-Mikrofonbauelement (11) mit mindestens einer in der Bauelementvorderseite ausgebildeten Mikrofonstruktur (1), ein ASIC-Bauelement (12) mit einer Auswerteelektronik für das Mikrofonsignal des MEMS-Mikrofonbauelements (11) und ein Gehäuse mit einer Schallöffnung, wobei das MEMS-Mikrofonbauelement (11) so innerhalb des Gehäuses und über der Schallöffnung montiert ist, dass die Mikrofonstruktur (1) rückseitig mit dem Schalldruck beaufschlagt wird. Das ASIC-Bauelement (12) eines solchen Mikrofon-Bauteils umfasst erfindungsgemäß ebenfalls eine MEMS-Mikrofonstruktur (2), deren Mikrofonsignal der Auswerteelektronik zugeführt wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Mikrofon-Bauteil, das mindestens ein MEMS-Mikrofonbauelement mit mindestens einer in der Bauelementvorderseite ausgebildeten Mikrofonstruktur umfasst, ein ASIC-Bauelement mit einer Auswerteelektronik für das Mikrofonsignal des MEMS-Mikrofonbauelements und ein Gehäuse mit einer Schallöffnung. Das MEMS-Mikrofonbauelement ist so innerhalb des Gehäuses und über der Schallöffnung montiert, dass die Membranstruktur rückseitig mit dem Schalldruck beaufschlagt wird.
  • In der Praxis, insbesondere bei Anwendungen aus den Bereichen Mobilfunk und Unterhaltungselektronik, werden zumeist Mikrofon-Bauteile eingesetzt, die mit einem spezialisierten MEMS-Mikrofonbauelement zum Erfassen von akustischen Signalen ausgestattet sind und einem davon unabhängigen CMOS ASIC-Bauelement, mit dem die elektrischen Ausgangssignale des MEMS-Mikrofonbauelements verarbeitet bzw. ausgewertet werden. Gemäß einer Standardspezifikation werden diese beiden Bauteile in einem sogenannten „bottom port”-Package zusammengefasst. Dazu werden die MEMS-Mikrofonbauelement und ASIC-Bauelement side-by-side, also nebeneinander, auf einem Träger montiert, der als Gehäuseboden fungiert und eine Schallöffnung aufweist. Das MEMS-Mikrofonbauelement wird über dieser Schallöffnung angeordnet. Dieser Aufbau wird schließlich mit Hilfe eines Deckelteils verkappt, das über den beiden Bauelementen angeordnet und umlaufend mit dem Träger verbunden wird.
  • Ein entsprechender Aufbau ist aus der Schrift US 2012/0250897 A1 bekannt. In dieser Schrift wird zusätzlich ein Aufbau beschrieben, bei dem ein separates zweites Mikrofonbauelement in dem gemeinsamen Gehäuse untergebracht wird.
  • Aus der Schrift WO 2012/025794 A1 ist ebenfalls ein Aufbau eines mikromechanischen Mikrofons bekannt, bei dem ein Mikrofonbauelement sowohl eine akustisch als auch eine mittels Vibrationen aktivierbare Membran aufweist. Die Signale dieser beiden Membranen werden einem gemeinsamen in der Nähe des Mikrofonbaulements angeordneten ASICs zugeführt, welches die Signale verarbeitet.
  • Auch in der Schrift US 2012/0300969 A1 wird eine Mikrofoneinheit beschrieben, bei der zwei separate mikromechanische Mikrofonbauelemente und ein zugehöriger ASIC auf einem gemeinsamen Substrat bzw. in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
  • Wesentlich für den Einsatz derartiger Mikrofonbauteile im Rahmen unterschiedlichster Anwendungen sind zum einen möglichst geringe Herstellungskosten bei kleiner Bauform und zum anderen eine möglichst gute Mikrofonperformance in einem möglichst großen Frequenzbereich sowie eine hohe Zuverlässigkeit.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, einen Aufbau eines mikromechanischen Mikrofons bereitzustellen, mit dem in kleiner Bauform eine hohe Performance und Zuverlässigkeit erreicht werden kann.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden Maßnahmen zur Verbesserung des voranstehend beschriebenen Konzepts eines 2-Chip MEMS-Mikrofonbauteils vorgeschlagen, die sich insbesondere positiv auf die Mikrofonperformance und Zuverlässigkeit der Mikrofonfunktion auswirken.
  • Dazu wird im Rahmen des erfindungsgemäßen 2-Chip MEMS-Mikrofonbauteils ein ASIC-Bauelement verwendet, das neben elektrischen Schaltungsfunktionen auch eine MEMS-Mikrofonstruktur umfasst. Das Mikrofonsignal dieser zweiten Mikrofonkomponente wird genauso wie das Mikrofonsignal des MEMS-Mikrofonbauelements der Auswerteelektronik zugeführt.
  • Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße Mikrofonbauteil also zwei MEMS-Mikrofonkomponenten, die des MEMS-Mikrofonbauelements und die des ASIC-Bauelements, die unabhängig voneinander ein Mikrofonsignal liefern.
  • In einer ersten Variante der Signalverarbeitung im ASIC-Bauelement können diese beiden voneinander unabhängigen Mikrofonsignale dazu genutzt werden, um die Ausfallsicherheit des Mikrofon-Bauteils zu erhöhen. Dazu kann dem Ausgangssignal des Mikrofon-Bauteils beispielsweise solange per default das Mikrofonsignal des MEMS-Mikrofonbauelements zugrunde gelegt werden, bis ein Signalfehler auftritt, der auf einen Ausfall des MEMS-Mikrofonbauelements schließen lässt. Danach kann dann immer noch das Mikrofonsignal der anderen Mikrofonkomponente als Basis für das Ausgangssignal des Mikrofon-Bauteils genutzt werden.
  • Die Redundanz der beiden Mikrofonsignale kann aber auch dazu genutzt werden, die Funktionsfähigkeit des Mikrofon-Bauteils kontinuierlich zu überwachen, also während des Einsatzes eines solchen Bauteils im Rahmen einer Anwendung und über die gesamte Lebensdauer des Bauteils. Dazu werden die Mikrofonsignale bzw. Kenngrößen, die im Rahmen der Signalverarbeitung aus den Mikrofonsignalen ermittelt werden, miteinander verglichen, was Rückschlüsse auf die Funktionsfähigkeit der einzelnen Bauteilkomponenten zulässt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das Mikrofon-Bauteil zwei MEMS-Mikrofonkomponenten, deren Kennlinienverhalten sich signifikant unterscheidet, vorteilhafterweise so, dass die beiden Komponenten komplementäre Mikrofoneigenschaften aufweisen. Dadurch lässt sich die Funktionalität des Mikrofon-Bauteils gezielt erweitern. So kann in einem erfindungsgemäßen Bauteil beispielsweise ein MEMS-Mikrofonbauelement, das mit einer sehr hohen Empfindlichkeit bzw. mit einem sehr hohen SNR ausgestattet ist, mit einer MEMS-Mikrofonkomponente auf dem ASIC-Bauelement kombiniert werden, in der eine sehr hohe Überlastgrenze (SPL) implementiert ist. Diese beiden Eigenschaften lassen sich nur sehr schwer in einer einzigen MEMS-Mikrofonkomponente realisieren. Durch die Kombination von zwei MEMS-Mikrofonkomponenten mit unterschiedlichem Kennlinienverhalten kann aber auch einfach der Frequenzbereich des Mikrofon-Bauteils vergrößert werden, in dem die akustischen Signale mit einer vorgegebenen Empfindlichkeit erfasst werden können. In diesem Zusammenhang sei insbesondere auch die Möglichkeit erwähnt, das MEMS-Mikrofonbauelement für den akustischen Bereich, also einen Frequenzbereich von ca. 16 Hz bis ca. 20 kHz zu nutzen und mit der MEMS-Mikrofonstruktur des ASIC-Bauelements den Ultraschallbereich von ca. 20 kHz bis ca. 100 kHz abzudecken.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Mikrofonkomponente des MEMS-Mikrofonbauelements und/oder die Mikrofonkomponente des ASIC-Bauelements auch aktiv angesteuert und als Schallquelle zur Kalibrierung der jeweils anderen Mikrofonkomponente genutzt werden. In diesem Fall wird mit der einen Mikrofonkomponente ein definiertes akustisches Signal erzeugt, das dann von der anderen Mikrofonkomponente gemessen wird. Auf diese Weise können die beiden Mikrofonkomponenten automatisch, beispielsweise in regelmäßigen Abständen während der Lebensdauer des Bauteils, abgeglichen werden.
  • An dieser Stelle sei noch erwähnt, dass das ASIC-Bauelement auch weitere mikromechanische Sensorkomponenten umfassen kann, wie z. B. eine Absolutdrucksensor-Komponente zum Erfassen des Gehäuseinnendrucks.
  • Die Standardspezifikation eines Mikrofon-Bauteils der hier in Rede stehenden Art sieht nur eine Schallöffnung im Gehäuse vor. Das Gehäuse eines erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauteils sollte deshalb ebenfalls nur eine Schallöffnung aufweisen, um möglichst vielseitig einsetzbar zu sein. In diesem Fall müssen beide MEMS-Mikrofonkomponenten an die eine Schallöffnung im Gehäuse angeschlossen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das MEMS-Mikrofonbauelement dazu – wie im Stand der Technik – über der Schallöffnung montiert, während die MEMS-Mikrofonstruktur des ASIC-Bauelements über einen Druckkanal an diese Schallöffnung angeschlossen wird. Ist die MEMS-Mikrofonstruktur in der Vorderseite des ASIC-Bauelements ausgebildet und ist das ASIC-Bauelement wie das MEMS-Mikrofonbauelement face-up neben diesem auf einem Träger des Gehäuses montiert, in dem die Schallöffnung ausgebildet ist, so wird dieser Druckkanal vorteilhafterweise einerseits durch den Träger begrenzt und andererseits durch einen Abschnitt der Rückseite des MEMS-Mikrofonbauelements und einen Abschnitt der Rückseite des ASIC-Bauelements. Dieses Packagekonzept ist mit der Standardspezifikation von „Bottom-Port-Mikrofonen” kompatibel, wie sie in der Praxis vielfach eingesetzt werden. Der Druckkanal kann dann in Form einer Grabenstruktur in der Trägeroberfläche und/oder in Form einer Grabenstruktur in der Rückseite des MEMS-Mikrofonbauelements und/oder in der Rückseite des ASIC-Bauelements realisiert sein.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
  • 1 zeigt eine Draufsicht auf den bestückten Bauelementträger eines ersten erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauteils.
  • 2a zeigt eine Draufsicht auf den bestückten Bauelementträger eines zweiten erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauteils und
  • 2b–2d zeigen jeweils eine schematische Schnittdarstellung eines Mikrofon-Bauteils 201, 202 bzw. 203 mit unterschiedlichen Realisierungsformen eines Druckanschlusses der beiden MEMS-Mikrofonkomponenten an die Schallöffnung im Bauelementträger.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Die Figuren veranschaulichen, dass dem erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauteil ein modulares Aufbaukonzept zugrunde liegt.
  • Der in 1 dargestellte Bauelementträger 10 eines erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauteils bildet zusammen mit einem hier nicht dargestellten Deckelteil ein Gehäuse für zwei unabhängig voneinander konzipierte und gefertigte Bauelemente 11 und 12.
  • Bei dem Bauelement 11 handelt es sich um ein MEMS-Mikrofonbauelement 11 mit einer in der Bauelementvorderseite ausgebildeten Mikrofonstruktur 1, die im hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine kreisrunde Mikrofonmembran umfasst. Das MEMS-Mikrofonbauelement 11 ist face-up auf dem Bauelementträger 10 montiert, und zwar über einer Schallöffnung im Bauelementträger 10, so dass die Mikrofonstruktur 1 rückseitig mit dem Schalldruck beaufschlagt wird. Folglich ist diese Schallöffnung in der Draufsicht der 1 nicht zu erkennen, da sie vom MEMS-Mikrofonbauelement 11 überdeckt wird.
  • Auf dem Bauelementträger 10 seitlich neben dem MEMS-Mikrofonbauelement 11 ist ein ASIC-Bauelement 12 mit einer Auswerteelektronik angeordnet, der das Mikrofonsignal des MEMS-Mikrofonbauelements 11 über elektrische Verbindungen 13 zugeführt wird. Zusätzlich zu den Schaltungskomponenten der Auswerteelektronik umfasst das ASIC-Bauelement 12 erfindungsgemäß eine eigene MEMS-Mikrofonstruktur 2 mit einer – hier ebenfalls – kreisrunden Mikrofonmembran, die in der Bauelementvorderseite ausgebildet ist. Das ASIC-Bauelement 12 ist, wie das MEMS-Mikrofonbauelement 11, face-up auf dem Bauelementträger 10 montiert, so dass sich die MEMS-Mikrofonstruktur 2 mit der Mikrofonmembran über einer zweiten – in 1 ebenfalls nicht erkennbaren – Schallöffnung im Bauelementträger 10 befindet. Dementsprechend wird auch diese Mikrofonstruktur rückseitig beschallt. Das Mikrofonsignal dieser zweiten MEMS-Mikrofonstruktur 2 wird, wie das Mikrofonsignal des MEMS-Mikrofonbauelements 11, der Auswerteelektronik des ASIC-Bauelements 12 zugeführt. Dadurch können die beiden Mikrofonsignale wahlweise getrennt oder auch zusammen verarbeitet bzw. ausgewertet werden.
  • Auch der in 2a dargestellte Bauelementträger 20 einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauteils ist Bestandteil eines Gehäuses für ein MEMS-Mikrofonbauelement 21 und ein ASIC-Bauelement 22 mit einer Auswerteelektronik und einer zweiten Mikrofonkomponente. Das Gehäuse umfasst neben dem Bauelementträger 20 noch ein Deckelteil 25, das über den beiden Bauteilen 21 und 22 auf dem Bauelementträger 20 angeordnet und umlaufend mit diesem verbunden wird, was in den 2b, 2c und 2d dargestellt ist. Im Unterschied zu dem voranstehend beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist der Bauelementträger 20 hier nur mit einer Schallöffnung 26 ausgestattet.
  • Die eigentliche Mikrofonfunktion des Mikrofon-Bauteils erfüllt das MEMS-Mikrofonbauelement 21, dessen Mikrofonstruktur 1 in der Bauelementoberseite deutlich größer ist, als die Mikrofonstruktur 2 in der Oberseite des ASIC-Bauelements 22. Die Mikrofonkomponenten der beiden Bauteile 21 und 22 haben unterschiedliche Mikrofoneigenschaften, die sich vorteilhafterweise ergänzen. Die beiden Bauteile 21 und 22 sind über elektrische Verbindungen 23 miteinander verschaltet, so dass die Mikrofonsignale beider Mikrofonkomponenten mit Hilfe der Auswerteelektronik des ASIC-Bauelements 22 getrennt oder auch gemeinsam verarbeitet werden können.
  • Das MEMS-Mikrofonbauelement 21 ist face-up über der einzigen Schallöffnung 26 im Bauelementträger 20 montiert, so dass die Mikrofonstruktur 1 rückseitig beschallt wird. Auch das ASIC-Bauelement 22 ist face-up auf dem Bauelementträger 20 montiert, und zwar direkt neben dem MEMS-Mikrofonbauelement 21. Zwischen der Schallöffnung im Bauelementträger 20 bzw. dem Volumen unter der Mikrofonstruktur 1 des MEMS-Mikrofonbauelement 21 und dem Volumen zwischen dem Bauelementträger 20 und der Mikrofonstruktur 2 des ASIC-Bauelements 22 ist ein Druckkanal 24 ausgebildet, durch den der Schalldruck zur Mikrofonstruktur 2 des ASIC-Bauelements 22 gelangt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier also keine zweite Schallöffnung im Bauelementträger 20 erforderlich.
  • In den 2b, 2c und 2d sind drei Mikrofon-Bauteile 201, 202 und 203 mit einem Bauelementträger 20 dargestellt, der – wie in Verbindung mit 2a beschrieben – mit Bauelementen 21 und 22 bestückt ist und nur eine Schallöffnung 26 für beide Mikrofonkomponenten aufweist. Die Mikrofon-Bauteile 201, 202 und 203 unterscheiden sich lediglich in der Realisierung des Druckkanals 24 zwischen dem Volumen unter der Mikrofonstruktur 1 des MEMS-Mikrofonbauelement 21 und dem Volumen zwischen dem Bauelementträger 20 und der Mikrofonstruktur 2 des ASIC-Bauelements 22. Bei allen drei Ausführungsformen müssen MEMS-Mikrofonbauelement 21 und ASIC-Bauelement 22 nicht nur druckdicht auf dem Bauelementträger 20 montiert sein, sondern auch seitlich druckdicht miteinander verbunden sein.
  • Im Fall des in 2b dargestellten Mikrofon-Bauteils 201 ist der Druckkanal 24 in Form einer Grabenstruktur 3 in den Rückseiten des MEMS-Mikrofon-Bauelements 21 und des ASIC-Bauelements 22 realisiert und wird trägerseitig durch die unstrukturierte plane Oberfläche des Bauelementträgers 20 begrenzt. Im Fall des in 2c dargestellten Mikrofon-Bauteils 202 wird der Druckkanal 24 durch eine Grabenstruktur 3 in den Rückseiten des MEMS-Mikrofon-Bauelements 21 und des ASIC-Bauelements 22 in Verbindung mit einer überlappend dazu angeordneten und ausgebildeten Ausnehmung 4 bzw. Grabenstruktur in der Oberfläche des Bauelementträgers 20 gebildet.
  • Und im Fall des in 2d dargestellten Mikrofon-Bauteils 203 sind die Rückseiten des MEMS-Mikrofon-Bauelements 21 und des ASIC-Bauelements 22 nur im Bereich der Mikrofonstrukturen 1 und 2 strukturiert. Der Druckkanal 24 ist hier in Form einer Grabenstruktur 4 in der Oberfläche des Bauelementträgers 20 realisiert und wird durch die Rückseiten der Bauelemente 21 und 22 abgeschlossen.

Claims (9)

  1. Mikrofon-Bauteil, mindestens umfassend: • ein MEMS-Mikrofonbauelement (11) mit mindestens einer in der Bauelementvorderseite ausgebildeten Mikrofonstruktur (1), • ein ASIC-Bauelement (12) mit einer Auswerteelektronik für das Mikrofonsignal des MEMS-Mikrofonbauelements (11) und • ein Gehäuse mit einer Schallöffnung, – wobei das MEMS-Mikrofonbauelement (11) so innerhalb des Gehäuses und über der Schallöffnung montiert ist, dass die Mikrofonstruktur (1) rückseitig mit dem Schalldruck beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das ASIC-Bauelement (12) ebenfalls eine MEMS-Mikrofonstruktur (2) umfasst, deren Mikrofonsignal der Auswerteelektronik zugeführt wird.
  2. Mikrofon-Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik die Redundanz der Mikrofonsignale des MEMS-Mikrofonbauelements (11) und der MEMS-Mikrofonstruktur (2) des ASIC-Bauelements (12) auswertet, um die Funktionsfähigkeit des Mikrofon-Bauteils zu überwachen.
  3. Mikrofon-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kennlinienverhalten der MEMS-Mikrofonstruktur (2) des ASIC-Bauelements (12) deutlich von dem des MEMS-Mikrofonbauelements (11) unterscheidet und dass die MEMS-Mikrofonstruktur (2) des ASIC-Bauelements (12) in zumindest einem Frequenzbereich eine höhere oder geringere Mikrofonempfindlichkeit aufweist als das MEMS-Mikrofonbauelement (11).
  4. Mikrofon-Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das MEMS-Mikrofonbauelement (11) für einen Frequenzbereich von ca. 16 Hz bis ca. 20 kHz ausgelegt ist und dass die MEMS-Mikrofonstruktur (2) des ASIC-Bauelements (12) für einen Frequenzbereich von ca. 20 kHz bis ca. 100 kHz ausgelegt ist.
  5. Mikrofon-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofonkomponente des MEMS-Mikrofonbauelements (11) und/oder die Mikrofonkomponente (2) des ASIC-Bauelements (12) als Schallquelle aktiv ansteuerbar ist, und zwar insbesondere zur Kalibrierung der jeweils anderen Mikrofonkomponente.
  6. Mikrofon-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ASIC-Bauelement eine Absolutdrucksensor-Komponente zum Erfassen des Gehäuseinnendrucks umfasst.
  7. Mikrofon-Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die MEMS-Mikrofonstruktur (2) des ASIC-Bauelements (22) über einen Druckkanal (24) an dieselbe Schallöffnung (26) im Gehäuse angeschlossen ist wie das MEMS-Mikrofonbauelement (21).
  8. Mikrofon-Bauteil nach Anspruch 7, wobei die MEMS-Mikrofonstruktur (2) in der Vorderseite des ASIC-Bauelements (22) ausgebildet ist und das ASIC-Bauelement (22) face-up neben dem MEMS-Mikrofonbauelement (21) auf einem Träger (20) des Gehäuses montiert ist, in dem die Schallöffnung (26) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkanal (24) einerseits durch den Träger (20) begrenzt wird und andererseits durch einen Abschnitt der Rückseite des MEMS-Mikrofonbauelements (21) und einen Abschnitt der Rückseite des ASIC-Bauelements (22).
  9. Mikrofon-Bauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckkanal (24) in Form einer Grabenstruktur (3, 4) in der Trägeroberfläche und/oder in der Rückseite des MEMS-Mikrofonbauelements (21) und/oder des ASIC-Bauelements (22) gebildet ist.
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