DE102014105849B3 - Mikrofon mit vergrößertem Rückvolumen und Verfahren zur Herstellung - Google Patents

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Abstract

Für ein Mikrofon mit vergrößertem Rückvolumen wird ein Hohlraumgehäuse vorgeschlagen, das zumindest eine Bodenplatte und eine Abdeckung umfasst, die den Hohlraum definieren und umschließen. Auf der Bodenplatte ist ein Mikrofonwandler, üblicherweise ein MEMS-Bauteil neben einem Schallführungselement montiert. Mikrofonwandler und Schallführungselement sind mit einer Abtrennung gegen die Bodenplatte abgedichtet und trennen das Frontvolumen von einem Rückvolumen unterhalb der Abdeckung. Das Schallführungselement stellt einen Schallkanal zur Verfügung, der eine Öffnung in der Abdeckung mit dem Vorvolumen verbindet. Das Schallführungselement schließt dicht an die Abdeckung an und dichtet so den Schallkanal gegen das Rückvolumen ab.

Description

  • Ein sogenanntes Bottom Port-Mikrofon weist ein Gehäuse auf, bei dem eine Schalleintrittsöffnung auf der Unterseite angeordnet ist, also dort, wo sich auch externe elektrische Anschlüsse des Bauteils befinden. Somit können auch die internen Komponenten (MEMS, ASIC) im Gehäuse unten, i. d. R. also auf einem Trägersubstrat, angeordnet werden, was zu einem sehr einfachen Aufbau führt. Als Trägersubstrat können dann eine Leiterplatte oder ein Mehrlagensubstrat jeweils mit integrierter Verdrahtung und Verschaltung dienen.
  • Bei einem Top Port-Mikrofon dagegen liegt die Schalleintrittsöffnung auf einer den äußeren Anschlüssen abgewandten Oberfläche, insbesondere der Oberseite des Mikrofons. Zur Nutzung eines möglichst großen akustischen Rückvolumens kann der MEMS-Chip (und ggfs. der ASIC) dann ebenfalls im Bereich des Schalleintritts angeordnet werden, dann jedoch muss eine elektrische Umverdrahtung von dort zur Gehäuseunterseite vorgenommen werden, was technologisch aufwendig und kritisch für die Bauteilperformance ist.
  • Eine Alternative ist es, die internen Komponenten auf dem Trägersubstrat zu belassen und stattdessen den eintretenden Schall in geeigneter Weise durch einen Spalt zwischen Bauteilen auf dem Trägersubstrat umzulenken, wie beispielsweise aus der DE 10 2011 012295 A1 bekannt. Dort ist der MEMS Chip durch eine Folienabdeckung gegen das Trägersubstrat abgedichtet, die gleichzeitig auch das vorhandene Rückvolumen abdeckt und einschließt. Dieses Konzept ermöglicht aber keine Erweiterung des im MEMS Chip bereits vorhandenen Rückvolumens.
  • Das Verfahren ist darüber hinaus kritisch bezüglich der Spaltgeometrie, die zu nachteiligem Rauschen und Resonanzen führen kann. Daneben ist man bezüglich der Positionierung des Schalleintritts auf der Gehäuseoberseite eingeschränkt.
  • Aus der EP 2 191 500 B1 ist ein Bauteil bekannt, das diese Nachteile umgeht, dafür allerdings ein äußerst aufwendiges Gehäuse mit interner Schallumleitung erfordert, was hohe Herstellkosten und begrenzte Miniaturisierbarkeit mit sich bringt.
  • Aus der DE 10 2004 011148 B3 ist es bekannt, den MEMS-Chip zwischen dem Trägersubstrat und einer kappenförmigen Abdeckung zu verspannen. Dadurch müssen weder elektrische noch akustische Signale umgeleitet werden, jedoch wird der äußerst stressempfindliche Chip hier in nachteiliger Weise starr zwischen Gehäuseteilen eingespannt und ist so deren Maßtoleranzen und thermomechanischen Bewegungen unterworfen. Ein weiterer Nachteil ist, dass das MEMS-interne Volumen hier an das Vorvolumen verloren geht.
  • Aus der US 2013/0241045 A1 ist ein Mikrofonpackage mit einer äußeren Abdeckung bekannt, die zusammen mit einem Substrat einen Hohlraum definiert. Innerhalb des Hohlraum ist eine Cavität definiert, die ein abgetrenntes Vorvolumen bildet.
  • Aus der US 2010/0080405 A1 ist ein Mikrofonpackage bekannt, bei dem Vorvolumen und Rückvolumen durch eine Trennwand getrennt sind.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher, ein Mikrofon mit oben angeordneter Schalleintrittsöffnung anzugeben, das die eingangs angeführten Nachteile vermeidet. Insbesondere ist es eine Aufgabe, nachteiligen thermomechanischen Stress für den MEMS Chip zu vermeiden und dennoch ein erweitertes Rückvolumen zur Verfügung zu stellen. Weiter soll das Gehäuse technologisch einfach gestaltet sein, so dass es kostengünstig herstellbar ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Mikrofon mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Mikrofons sind weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
  • Das Mikrofon weist ein geschlossenes besonders starres Hohlraumgehäuse auf, welches zumindest eine Bodenplatte, eine Abdeckung und darin eine Öffnung für den Schalleintritt aufweist. Ein als MEMS-Bauteil ausgebildeter Mikrofonwandler und ein Schallführungselement mit einem darin ausgebildeten Schallkanal sind benachbart zueinander auf der Bodenplatte innerhalb des Hohlraumgehäuses angeordnet und montiert. Im Inneren können weitere Komponenten montiert sein, insbesondere ein ASIC mit einer integrierten Schaltung zur Steuerung der Mikrofonfunktion. Im Inneren des Hohlraums ist außerdem eine als Folie ausgebildete Abtrennung vorgesehen, die den Hohlraum in ein Vor- und ein Rückvolumen unterteilt. Der Schallkanal verbindet die Öffnung in der Abdeckung mit dem Vorvolumen und ist schalldicht gegen das Rückvolumen abgeschlossen.
  • Das Hohlraumgehäuse kann mit verschiedenen an sich bekannten Technologien hergestellt sein. Wichtig ist, dass im Gehäuse ein Hohlraum vorgebildet ist. Dies ist beispielsweise möglich, indem das auf einer flachen Bodenplatte montierte Mikrofon mit einer kappenförmigen Abdeckung abgedeckt wird, so dass es in einem Hohlraum angeordnet ist. Möglich ist es auch, auf der flachen Bodenplatte ein Wandelement aufzusetzen, welches den späteren Hohlraum seitlich umschließt und diesen anschließend noch mit einem Deckel abzudecken. Möglich ist es auch, eine Bodenplatte mit wannenförmiger Vertiefung oder überhaupt ein wannenförmiges Bodenteil vorzusehen, in dem die Komponenten des Mikrofons montiert werden können. Dementsprechend können auch die für das Gehäuse verwendeten Materialien unterschiedlich sein.
  • Als Mikrofonwandler kann ein beliebiges an sich bekanntes MEMS-Bauteil eingesetzt sein. Dieses zeichnet sich durch eine Membran aus, die eine Ausnehmung in einem z. B. kristallinen Körper überspannt.
  • Vorzugsweise ist der Mikrofonwandler als Kondensatormikrofon in einem Siliziumkörper ausgebildet, bei dem die Membran eine Elektrode des Kondensators darstellt, deren Bewegung gegen eine starre Rückelektrode die Kapazität des Kondensatormikrofons verändert und so eine Messgröße über die einwirkende akustische Energie zur Verfügung stellt.
  • Im erfindungsgemäßen Mikrofon ist ein Schallkanal durch ein Schallführungselement geometrisch definiert und als Bauteil vorgefertigt. Das erfindungsgemäße Mikrofon ist daher nicht auf etwaige Zwischenräume zwischen Komponenten des Mikrofons angewiesen, die in bekannten Lösungen als Schallkanal eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass der Schallkanal frei und unabhängig von Randbedingungen anderer Prozesse gestaltet und so geometrisch und akustisch optimiert werden kann.
  • Das Schallführungselement sitzt auf der Bodenplatte des Gehäuses auf, kann dort aber nahezu beliebig platziert werden. Es ist mechanisch stabil ausgebildet, zusammen mit den Komponenten des Mikrofons montierbar und weist eine mechanisch einfache Konstruktion auf. Das Schallführungselement kann daher aus unterschiedlichsten Materialien gefertigt sein. Möglich ist es beispielsweise dieses aus Metall zu fertigen. Ein metallisches Schallführungselement hat den Vorteil, dass es sich zusammen mit dem Mikrofonwandler in einfacher Weise durch Auflöten montieren lässt.
  • Die innerhalb des Hohlraums vorgesehene Abtrennung ist nicht Teil des Gehäuses sondern wird separat über den Mikrofonkomponenten ausgebildet. Die Abtrennung ermöglicht eine Vergrößerung des Rückvolumens. Die Abtrennung vermag Rückvolumen und Vorvolumen schalldicht zu trennen. Der Schallkanal im Schallführungselement verbindet eine Öffnung für den Schalleinlass in der Oberseite des Gehäuses mit der aktiven Seite des Mikrofonwandlers. Das Schallführungselement ist dann vorzugsweise so ausgebildet, dass mittels der Abtrennung eine einfache Abdichtung des Schallkanals zum Rückvolumen erfolgen kann.
  • Die Abtrennung zwischen Vor- und Rückvolumen ist als Folie ausgebildet, die zumindest den Mikrofonwandler und das Schallführungselement überspannt und die rund um diese Komponenten dicht an der Bodenplatte anliegt und die Komponenten gegen das Rückvolumen abdichtet. Es können Folien eingesetzt werden, die aus der Verpackungstechnologie von elektrischen Bauelementen und von MEMS-Bauelementen bekannt sind. Die Folie umfasst beispielsweise einen Thermoplasten, der thermisch verformbar ist. Möglich ist jedoch auch eine Folie, deren Kunststoff im B-Zustand vorliegt, thermisch verformbar ist und erst nach dem Aufbringen in einen Duroplasten bzw. einen rein thermisch nicht mehr verformbaren Zustand übergeht.
  • Das Rückvolumen ist zwischen der als Abtrennung genutzten Folie und dem oberen Gehäuseteil ausgebildet. Mit der Folie sind der Mikrofonwandler und der Schallkanal dicht gegen die Bodenplatte abgedichtet. Zusätzlich ist das Schallführungselement mit dem Schallkanal dicht gegen die Abdeckung im Bereich der Öffnung abgeschlossen.
  • Mit der Folie ist eine einfache Abtrennung möglich, die sich in einfacher und bekannter Weise mit Standardverfahren aufbringen lässt. Mit der Abtrennung durch die Folie kann ein Rückvolumen ausgebildet werden, das allein über die Größe des Hohlraums definiert ist, von dem nur noch das Volumen unterhalb der Abtrennfolie abzuziehen ist. Es ist praktisch durch die geometrischen Abmessungen des Mikrofonwandlers oder sonstiger Komponenten des Mikrofons nicht begrenzt.
  • Der Mikrofonwandler selbst muss nicht gegen das Gehäuse abdichten, wird durch die zur Abtrennung verwendete Folie abgedichtet und ist aufgrund der in der Regel flexiblen Folienabtrennung keinem thermomechanischen Stress durch das Hohlraumgehäuse ausgesetzt. Die Abdichtung der Öffnung im Hohlraumgehäuse erfolgt allein gegen das Schallführungselement, welches eine ausreichend mechanisch stabile Konstruktion aufweist und durch die Abdichtung mit mechanischem Stress belastet werden kann, ohne die Eigenschaften des Mikrofons negativ zu beeinflussen. Das Rückvolumen wird also allein durch die Größe des Hohlraums im Hohlraumgehäuse definiert.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Schallführungselement – ggfs. zuzüglich einer darauf befindlichen Deckschicht und/oder einer Klebstoffschicht – eine größere Höhe über der Bodenplatte auf als der Mikrofonwandler und kann so nach dem Schließen des Hohlraumgehäuses an der Innenseite der Abdeckung anliegen, während die Oberseite des MEMS Mikrofonwandlers beabstandet zur Innenseite der Abdeckung bleibt.
  • Das Schallführungselement ist so zwischen Bodenplatte und Abdeckung eingespannt, dass der Schallkanal gegen die Öffnung in der Abdeckung allein durch den Andruck abdichtet.
  • Zur besseren Abdichtung zwischen Schallführungselement und der Abdeckung kann die Abtrennfolie dienen, die ja das Schallführungselement überspannt. Möglich ist es auch, ein zusätzliches Dichtmittel wie z. B. einen Klebstoff oder eine zusätzliche Folie zwischen der Abtrennfolie über dem oberen Ende des Schallführungselements und dem Gehäuse vorzusehen. Dieses zusätzliche Dichtmittel kann beispielsweise auch als Dichtring ausgebildet sein. Dieser kann vorgefertigt auf der Unterseite der Abdeckung rund um die Öffnung oder auf dem oberen Ende des Schallführungselements um die Mündung des Schallkanals herum angebracht sein.
  • Möglich ist es jedoch auch, das Schallführungselement nachträglich nach dem Verschließen des Hohlraumgehäuses durch gezieltes Einbringen einer Dichtmasse abzudichten. Dazu ist es möglich, das Schallführungselement so auszubilden, dass sich nach dem Schließen des Hohlraumgehäuses ein kapillarer Spalt zwischen Schallführungselement und Abdeckung ausbildet, der durch die Kapillarkräfte ein sicheres Verlaufen einer flüssig applizierten Dichtmasse, beispielsweise eines Harzes ermöglicht und so eine vollständige Dichtung gewährleistet.
  • Das Mikrofon weist üblicherweise noch einen integrierten Schaltkreis auf, der beispielsweise als ASIC ausgebildet ist. Dieser Schaltkreis steuert die Funktion des Mikrofonwandlers und übernimmt zumindest zum Teil die Signalverarbeitung des vom Mikrofonwandler gelieferten elektrischen Signals. Der integrierte Schaltkreis ist ebenfalls auf der Bodenplatte montiert und kann wahlweise unterhalb der Abtrennung, also innerhalb des Vorvolumens angeordnet sein. Möglich ist es jedoch auch, mit der Abtrennung allein Mikrofonwandler und Schallführungselement zu überdecken und den integrierten Schaltkreis daneben innerhalb des Rückvolumens auf der Bodenplatte anzuordnen.
  • Mikrofonwandler und Schaltkreis sind elektrisch mit der Bodenplatte verbunden, die dazu entsprechende Anschlussflächen aufweist. Die Anschlussflächen sind mit elektrischen Außenkontakten auf der Unterseite der Bodenplatte verbunden, über die das Mikrofon in eine äußere Schaltungsumgebung eingebaut werden kann, beispielsweise in eine Audiovorrichtung oder ein Handy. Auf oder innerhalb der Bodenplatte kann noch eine elektrische Verschaltung der Komponenten vorgesehen sein.
  • Vorzugsweise ist die Abdeckung des Hohlraumgehäuses als eine auf der Bodenplatte aufgeklebte oder aufgelötete Kappe ausgebildet, unter der der Hohlraum des Hohlraumgehäuses eingeschlossen ist. Vorzugsweise ist die Kappe aus Metall ausgebildet oder umfasst zumindest eine Metallschicht. Dies hat den Vorteil, dass der Mikrofonwandler und der integrierte Schaltkreis elektromagnetisch gegen die Umgebung abgeschirmt sind und einen störungsfreien Betrieb des Mikrofons gewährleisten.
  • In einer Ausführung weist das Schallführungselement zumindest eine nach oben weisende plane Oberfläche auf, in der der Schallkanal mündet. Weiterhin weist das Schallführungselement zumindest ein Seitenteil auf, mit dem es auf der Bodenplatte aufsitzt. Der Schallkanal kann weitgehend geschlossen sein. Möglich ist es jedoch auch, das Schallführungselement mit nur einer Seitenwand auszuführen, wobei die Öffnung des Schallkanals in Richtung Mikrofonwandler weist, um eine optimale Führung des Schalls hin zur Membran auf der Unterseite des Mikrofonwandlers zu ermöglichen. Der Schallkanal kann einen akustisch optimierten Verlauf aufweisen und besitzt einen ausreichend großen Mindestquerschnitt, um zu hohe akustische Dämpfung zu vermeiden.
  • Das Schallführungselement kann aus Metall, Keramik, metallisiertem Kunststoff oder einem Leiterplattenmaterial gefertigt sein. Die letztgenannte Ausführung hat den Vorteil, dass das Material mit dem Montageprozess kompatibel ist und in einfacher Weise auf der Unterseite mit lötbaren Metallisierungen versehen werden kann. In der Leiterplattentechnologie sind auch Verfahren bekannt, in dem geometrisch strukturierte dreidimensionale Körper in kostengünstigen Verfahren herstellbar sind.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen allein der Veranschaulichung der Erfindung und sind daher nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Den Figuren sind daher weder absolute noch relative Maßangaben entnehmbar. Gleiche oder gleich wirkende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Mikrofon im schematischen Querschnitt gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 zeigt ein Mikrofon im schematischen Querschnitt gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 3 zeigt ein Mikrofon im schematischen Querschnitt gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
  • 4 zeigt einen Mikrofonwandler, ein Schallführungselement und einen integrierten Schaltkreis in perspektivischer Darstellung von schräg oben,
  • 5 zeigt dieselbe Anordnung in perspektivischer Darstellung von schräg unten,
  • 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel im schematischen Querschnitt mit einer möglichen Verschaltung in der Bodenplatte.
  • 1 zeigt das erste Ausführungsbeispiel im schematischen Querschnitt durch sämtliche Komponenten des Mikrofons. Ein Hohlraumgehäuse wird gebildet aus einer Bodenplatte BP und einer kappenförmig ausgebildeten Abdeckung AD, die mit Hilfe eines Befestigungsmittels BM auf der Oberseite der Bodenplatte montiert ist. Im Folgenden beziehen sich Begriffe wie oben oder unten auf die Anordnung in der Figur, die aber nichts über die wahren räumlichen Anordnung beim Einsatz des Mikrofons oder bezüglich seiner Ausrichtung in einer Schaltungsumgebung aussagen. Die kappenförmige Abdeckung AD ist beispielsweise aufgeklebt oder aufgelötet. Im letzten Fall sind dazu auf der Bodenplatte BP entsprechend metallisierte Flächen vorgesehen.
  • Auf der Oberseite der Bodenplatte sind ein Mikrofonwandler, beispielsweise ein als MEMS Bauteil ausgebildetes Kondensatormikrofon, ein Schallführungselement SFE und eine integrierte Schaltung IC, die als Chip ausgebildet ist, montiert. Zur Montage der drei Komponenten ist vorzugsweise die gleiche Technologie eingesetzt, hier zum Beispiel eine Flipchip-Anordnung über Lotbumps LB. Der Mikrofonwandler MW ist dabei so montiert, dass seine Membran ME und damit auch die elektrischen Anschlüsse nach unten weisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Schallführungselement SFE zwischen dem Mikrofonwandler MW und der integrierten Schaltung IC angeordnet. Vorzugsweise aber nicht zwingend sind in dieser Ausführung das Schallführungselement SFE und der Mikrofonwandler MW einander nahe benachbart angeordnet.
  • Mikrofonwandler, Schallführungselement und IC sind mit einer Laminierfolie, die als Abtrennung AT zwischen Vorvolumen FV und Rückvolumen RV dient, gegen die Bodenplatte BP abgedichtet. Die Abtrennung AT ist nach der Montage der drei Komponenten aufgebracht und beispielsweise unter Zuhilfenahme von Druck und erhöhter Temperatur auflaminiert.
  • Nach dem Erzeugen der Abtrennung z. B. durch Laminieren wird oberhalb der Membran ME eine Durchführung DF in der Abtrennfolie AT erzeugt, so dass die Membran mit dem Rückvolumen RF direkt unterhalb der Abdeckung AD in Verbindung steht.
  • Das Schallführungselement SFE ist ein mechanisch stabiles Teil, welches im Inneren einen Schallkanal aufweist. Der Schallkanal weist oben zumindest einen Durchlass DL für den Schalleintritt auf und öffnet sich unten in Richtung Mikrofonwandler MW. Der Schallkanal muss dazu nicht bis auf die Öffnungen geschlossen sein sondern kann im einfachsten Fall auch nur aus einer oder mehreren Seitenwänden bestehen, die sich hin zum Mikrofonwandler MW öffnen. Auf der Oberseite ist das Schallführungselements SFE plan ausgebildet und mit dem genannten Durchlass versehen.
  • Mikrofonwandler MW, Schallführungselement SFE und integrierte Schaltung IC sind in einem beliebigen Abstand zueinander angeordnet, der jedoch klein genug ist, dass zumindest der verbleibende Spalt zwischen Schallführungselement SFE und Mikrofonwandler MW von der Abtrennfolie AT überspannt werden kann.
  • Das Schallführungselement SFE ist in seiner Höhe über der Bodenplatte BP so bemessen, dass es nach dem Schließen des Hohlraumgehäuses fest zwischen Abdeckung und Bodenplatte BP eingespannt ist, gegebenenfalls im Zusammenwirken mit der Abtrennfolie, einer Deckschicht sowie gegebenenfalls einem Dichtmittel wie z. B. einer Klebstoffschicht auf der Oberseite des Schallführungselements. Der Mikrofonwandler weist eine geringere Höhe auf und daher durch das Gehäuse keiner mechanischen Belastung ausgesetzt. In der Abdeckung AD ist eine Öffnung OE für den Schalleinlass vorgesehen, die mit dem Durchlass DL auf der Oberseite des Schallführungselementes SFE fluchtet.
  • Gegen das Rückvolumen RV ist der Schallkanal abgedichtet. Aufgrund des an der Abdeckung AD anliegenden Schallführungselementes kann die Abdichtung durch die dicht an der Abdeckung AD anliegende Abtrennfolie AT oder gegebenenfalls zusätzlich durch ein Dichtmittel DM, beispielsweise einem Dichtungsring, erfolgen.
  • Auf diese Weise ist das Innere des Hohlraumgehäuses in ein Vorvolumen FV und ein Rückvolumen RV getrennt. Der Schallkanal im Inneren des Schallführungselements SFE, die Zwischenräume zwischen Mikrofonwandler, Schallführungselement und integrierte Schaltung IC sowie unterhalb der Komponenten zwischen den Lotbumps kann zum Vorvolumen FV dazugerechnet werden. Das Rückvolumen RV erstreckt sich zwischen der Abdeckung AD und der Abtrennfolie AT. Das innerhalb des Mikrofonwandlers MW über dessen Membran vorgebildete Hohlraumvolumen ist über die Durchführung DF mit dem übrigen Rückvolumen RV verbunden und wird diesem daher dazugerechnet.
  • Die Öffnung OE in der Abdeckung AD, der Durchlass DL in der Oberseite des Schallführungselements FE und der Schallkanal SK können den gleichen Querschnitt aufweisen und sind so übereinander angeordnet, dass sich ein durchgängiger Schallkanal ergibt.
  • Bei der Herstellung des Mikrofons ist es möglich, die Abtrennfolie AT oberhalb der Mündung des Schallkanals am Schallführungselement SFE zu belassen und die Öffnung für den Schalleintritt erst nach dem Aufsetzen der Abdeckung D zu erzeugen, beispielsweise mittels Bohren, Lasern oder Ätzen. Dabei ist es auch möglich, die Öffnung OE in der Abdeckung AD sowie gegebenenfalls entsprechende Öffnungen in Deckschicht und Dichtmittel zusammen mit dem Durchlass DL zu erzeugen, beispielsweise durch Laserbohren.
  • Die genaue Schallführung, also der Weg eines akustischen Signals von außerhalb des Mikrofons durch die Öffnung OE hin bis unter die Membran des Mikrofonwandlers MW ist in der Figur durch eine gestrichelte Linie mit Pfeil gekennzeichnet. Weist das Schallführungselement SFE einen ausreichend hohen akustischen Querschnitt auf, so ist trotz Schallumleitung keine Dämpfung des akustischen Signals zu erwarten, so dass die volle Funktionsfähigkeit des Mikrofons gewährleistet ist. Weil das Rückvolumen RV erfindungsgemäß um den gesamten Raum unterhalb der Abdeckung AD erhöht ist, weist das Mikrofon eine hohe Empfindlichkeit in Verbindung mit einem hohem Signal-Rauschabstand auf.
  • Die Erfindung ermöglicht es, das Schallführungselement SFE unabhängig von der Anordnung der integrierten Schaltung IC innerhalb des Hohlraumgehäuses anzuordnen, vorzugsweise jedoch unmittelbar benachbart zum Mikrofonwandler MW. 2 zeigt eine Anordnung, bei der der Mikrofonwandler MW zwischen der integrierten Schaltung IC und dem Schallführungselement SFE angeordnet ist. Auch hier überdeckt die als Abtrennung AT genutzte Laminatfolie die drei in gleicher Weise montierten Komponenten Schallführungselement SFE, Mikrofonwandler MW und integrierte Schaltung IC und schließt diese dicht gegen die Bodenplatte BP ab.
  • Eine dritte Ausführungsform ist in 3 dargestellt. Hier ist die integrierte Schaltung IC völlig unabhängig von Mikrofonwandler und Schallführungselement auf der Bodenplatte montiert. Dies kann nach dem Aufbringen der als Abtrennung AT genutzten Laminatfolie erfolgen, wenn diese danach lokal am Montageort der integrierten Schaltung IC wieder entfernt wird. Es ist auch möglich, die als Abtrennung AT genutzte Laminatfolie nur über Mikrofonwandler MW und Schallführungselement SFE zu ziehen und rund um diese beiden Komponenten mit der Oberfläche der Bodenplatte BP abzudichten. Die integrierte Schaltung IC verbleibt frei von der Abtrennung AT. Möglich ist es auch, die Abtrennung AT über der integrierten Schaltung IC wieder zu entfernen.
  • Wie die drei dargestellten Ausführungsformen zeigen, ist es mit der Erfindung möglich, die Schalleintrittsöffnung OE durch die Abdeckung AD über einen weiten Bereich innerhalb des Hohlraumgehäuses zu verschieben und damit praktisch frei zu wählen. Es ist dabei lediglich die räumliche Nähe zum Mikrofonwandler MW zu beachten, die die möglichen Positionen ein wenig einschränkt.
  • 4 zeigt eine mögliche geometrische Ausgestaltung eines Schallführungselements SFE anhand einer perspektivischen Darstellung, die einen Blick von schräg oben auf die Anordnung aus Mikrofonwandler MW, Schallführungselement SFE und integrierter Schaltung IC darstellt. Der Mikrofonwandler MW weist einen kristallinen Körper auf, von dem die im Inneren oberhalb der Membran ME ausgebildete Ausnehmung mit der Durchführung DF dargestellt ist.
  • Rechts neben dem Mikrofonwandler MW ist das Schallführungselement SFE als Formteil ausgebildet, welches oben eine plane Oberfläche mit mindestens einem, in der Figur beispielsweise mit zwei Durchlässen DL ausgebildet ist. Das Schallführungselement SFE weist zumindest zwei Seitenteile auf, mit denen es auf der Bodenplatte BP montiert ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Schallführungselement SFE einen in Richtung Mikrofonwandler MW geöffneten runden, ovalen oder anderweitig geformten Schallkanal SK auf.
  • 5 zeigt in der perspektivischen Ansicht von schräg unten die genaue Ausformung des Schallkanals, der unterhalb der planen Oberseite nur von dem halbrund gebogenen Seitenteil in die vom Mikrofonwandler MW weg weisende Richtung abgegrenzt ist, in der in der gezeigten Anordnung die integrierte Schaltung IC angeordnet ist. Die Anordnung der integrierten Schaltung IC kann jedoch auch an beliebiger anderer Stelle erfolgen und ist hier nur beispielhaft rechts neben dem Schallführungselement SFE.
  • 5 zeigt noch die Lotbumps LB, die auf der Unterseite von Mikrofonwandler, Schallführungselement und integrierter Schaltung beziehungsweise dem Chip mit der integrierten Schaltung angeordnet sind und sowohl zur mechanischen Befestigung als auch zur elektrischen Kontaktierung von Mikrofonwandler MW und integrierter Schaltung IC dienen. Das Schallführungselement SFE bedarf keiner elektrischen Anbindung, kann aber, sofern es aus metallischem Werkstoff gefertigt ist, mit Massepotenzial verbunden werden.
  • Neben der dargestellten Ausformung des Schallführungselementes SFE sind beliebig weitere Ausgestaltungen möglich, in denen der Schallkanal auch rohrförmig geschlossen sein kann und lediglich am unteren Ende in Richtung Membran eine Öffnung aufweist. Auf der Oberseite des Schallführungselements kann ein einziger Durchlass DL oder auch eine Vielzahl von im Querschnitt kleineren Durchlässen DL angeordnet sein. Damit ist es möglich, zum einen den Schallkanal vor dem Eindringen von Schmutzpartikeln zu schützen und zum anderen die akustische Impedanz bereits an dieser Stelle einzustellen.
  • 6 zeigt anhand eines schematischen Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Mikrofon eine nur schematisch dargestellte integrierte Verschaltung innerhalb der Bodenplatte BP. Die Anschlussflächen der Bodenplatte BP, auf die Mikrofonwandler MW und integrierte Schaltung IC aufgelötet sind, sind über Durchkontaktierungen mit zumindest einer Verschaltungsebene VE im Inneren der Bodenplatte BP verbunden. Weitere Durchkontaktierungen DK verbinden die Verschaltungsebene VE mit Außenkontakten AK auf der Unterseite der Bodenplatte BP. Zusätzlich zeigt die Figur wie die Abdeckung AD, beispielsweise eine metallische Kappe ebenfalls mit Hilfe einer Durchkontaktierung elektrisch angeschlossen und beispielsweise mit Massepotenzial zu verbunden werden kann, um eine bessere elektromagnetische Abschirmung des Mikrofons zu ermöglichen.
  • Insgesamt zeigt sich, dass mit dem Einsatz des Schallführungselements das Gehäusedesign sehr flexibel gestaltet werden kann. So muss beispielsweise bei Vorgabe einer geänderten Höhe des Hohlraumgehäuses, beispielsweise der Höhe der Abdeckkappe AD nicht in komplexen Fertigungsprozess des Mikrofonwandlers, also des MEMS-Bauteils eingegriffen werden. Stattdessen wird lediglich das einfache und kostengünstige Schallführungselement angepasst.
  • Mit dem Schallführungselement und optional einem zusätzlichen Dichtmittel DM, welches eine weitere Abdeckfolie oder ein Klebstoff und/oder eine Deckschicht sein kann, können auch leicht Höhentoleranzen berücksichtigt werden, ohne die kostspieligen Tiefziehwerkzeuge für eine metallische Abdeckung AD ändern zu müssen. Auch lässt sich die Öffnung für den Schalleintritt problemlos verlegen, ohne hohe Werkzeugkosten für modifizierte Spritzgussgehäuse zu verursachen.
  • Vorteilhaft ist auch, dass mechanischer und thermomechanischer Stress zwischen der Abdeckung und der Bodenplatte nicht auf den sensiblen MEMS-Chip einwirkt, sondern vom robusten und nicht zuverlässigkeitsrelevanten Schallführungselement aufgenommen wird.
  • Zur höheren mechanischen Stabilität verfügt das Schallführungselement vorzugsweise über wenigstens einen Quersteg oder eine Seitenwand, die es gegen solche Belastungen versteifen. Bei geeigneter Wahl von Material und bei geeigneter Formgebung kann das Schallführungselement auch in der Gestalt eines Brückenbogens ausgebildet werden. Auch ein Quader mit einem oder mehreren kommunizierenden Bohrungen für den Schallkanal ist möglich.
  • Zur Herstellung des Schallführungskanals, welcher vorzugsweise gradlinig durch das Schallführungselement geführt wird, kann besonders kostengünstig ein Stanzprozess eingesetzt werden.
  • Ein vorteilhafter Querschnitt des akustischen Kanals unterhalb der Schalleintrittsöffnung OE bis hin zur unteren Kante des Mikrofonwandlers liegt vorzugsweise nicht unter 0,02 mm2, beispielsweise bei 0,04 mm2 und vorteilhaft bei einem Querschnitt von 0,08 mm2 und mehr.
  • Zur Herstellung des Schallführungselements sind unterschiedliche Werkstoffe und Verfahren geeignet. Möglich ist zum Beispiel, das Schallführungselement als Kunststoffspritzteil, gegebenenfalls mit metallpartikelhaltigem Kunststoff herzustellen. Auch 3D-Druck und Herstellung als Sinterteil sind möglich. Auch ein strukturierter Siliziumchip, in dem der entsprechende Schallkanal und der Durchlass eingeätzt sind, kann als Schallführungselement verwendet werden. Um sich Metallisierungen zum Auflöten eines nicht aus Metall bestehenden Schallführungselements zu ersparen, kann das Schallführungselement auch auf der Bodenplatte aufgeklebt werden.
  • Bevorzugt ist es, für das Schallführungselement SFE ein Ein- oder Mehrlagenpanel aus einer keramischen HTCC- oder LTCC- oder organischen Laminatplatte einzusetzen, bei denen alle benötigten Details in großformatigem Vielfachnutzen kostengünstig durch großflächige Prozesse hergestellt werden können. Im Nutzen können tausender solcher Elemente parallel prozessiert und anschließend vereinzelt werden.
  • Die Erfindung ist nicht auf die wenigen in den Figuren dargestellten Ausführungen beschränkt. Vielmehr ist klar, dass die genaue Ausgestaltung des Hohlraumgehäuses wie eingangs beschrieben nicht auf eine Kombination aus flacher Bodenplatte und kappenförmiger Abdeckung beschränkt ist, sondern auch als wannenförmige Bodenplatte und flacher als Deckel ausgebildete Abdeckung aufgebaut sein kann. Dementsprechend sind auch Unterkombinationen der in den einzelnen Ausführungsformen dargestellten Details als weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen anzusehen, die jedoch nicht gesondert in dieser Kombination beschrieben sind.
  • Begriffs- und Bezugszeichenliste
    • BP
      Hohlraumgehäuse mit Bodenplatte,
      AD
      Abdeckung (Kappe oder Deckel) mit
      OE
      Öffnung für Schalleintritt
      MW
      Mikrofonwandler mit
      ME
      Membran
      SFE
      Schallführungselement mit
      SK
      Schallkanal
      AT
      Abtrennung, z. B. eine Folie, trennt
      FV
      Vorvolumen und
      RV
      Rückvolumen
      DF
      Durchführung (in Folie über Membran)
      DM
      Dichtmittel (zwischen Schallführungselement und Abdeckung)
      IC
      Schaltkreis
      DL
      Durchlass an Oberseite des Schallführungselements
      AK
      Außenkontakte
      DG
      Abdichtung
      LB
      Lotbumps
      VE
      Verschaltungsebene
      DK
      Durchkontaktierung
      BM
      Befestigungsmittel

Claims (10)

  1. Mikrofon mit einem geschlossenen Hohlraumgehäuse, das eine Bodenplatte (BP), eine Abdeckung (AD) und darin eine Öffnung (OE) für den Schalleintritt aufweist mit einem als MEMS Bauteil ausgebildeten Mikrofonwandler (MW) und einem Schallführungselement (SFE), das einen darin ausgebildeten Schallkanal (SK) aufweist, wobei Mikrofonwandler und Schallführungselement benachbart zueinander auf der Bodenplatte innerhalb des Hohlraumgehäuses angeordnet sind mit einer Abtrennung (AT), die das Innere des Hohlraumgehäuses in ein Vor- und ein Rückvolumen (FV, RV) unterteilt, bei dem der Schallkanal (SK) die Öffnung mit dem Vorvolumen verbindet und schalldicht gegen das Rückvolumen abgeschlossen ist, bei dem die Abtrennung (AT) als Folie ausgebildet ist, die zumindest den Mikrofonwandler (MW) und das Schallführungselement (SFE) überspannt und die gegen die Bodenplatte (BP) abdichtet, bei dem in der Folie oberhalb des Mikrofonwandlers eine Durchführung (DF) freigelassen ist, die das Rückvolumen innerhalb des Hohlraumgehäuses mit einem im MEMS Mikrofonwandler oberhalb einer Membran vorgebildeten Volumen verbindet bei dem das Schallführungselement mit dem Schallkanal dicht gegen die Abdeckung rund um die Öffnung abschließt.
  2. Mikrofon nach Anspruch 1, bei dem das Schallführungselement (SFE) alleine oder zusammen mit einer Deckschicht und/oder einer Klebstoffschicht eine größere Höhe über der Bodenplatte (BP) aufweist als der Mikrofonwandler (MW) und so nach dem Schließen des Hohlraumgehäuses an der Innenseite der Abdeckung (AD) anliegen kann, während die Oberseite des MEMS Mikrofonwandlers beabstandet zur Innenseite der Abdeckung bleibt.
  3. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Schallführungselement (SFE) zusammen mit dem Mikrofonwandler (MW) in der gleichen Technologie auf der Bodenplatte (BP) montiert ist und bei dem zur Abdichtung zwischen dem Schallführungselement und der Abdeckung (AD) die Folie und gegebenenfalls ein weiteres Dichtmittel dienen.
  4. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1–3, bei dem auf der Bodenplatte (BP) noch ein integrierter Schaltkreis (IC) montiert ist, der wahlweise unterhalb der Abtrennung (AT) und daher innerhalb des Vorvolumens (FV), oder im Rückvolumen (RV) angeordnet ist.
  5. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1–4, bei dem die Abdeckung (AD) als eine auf der Bodenplatte (BP) aufgeklebte oder gelötete Kappe ausgebildet ist, unter der der Hohlraum des Hohlraumgehäuses eingeschlossen ist.
  6. Mikrofon nach Anspruch 5, bei dem die Kappe aus Metall besteht oder zumindest ein Metallschicht umfasst.
  7. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1–6, bei dem das Schallführungselement (SFE) zumindest eine nach oben weisende plane Oberfläche mit einem Durchlass für den Schallkanal (SK) und ein Seitenteil aufweist, mit dem es auf der Bodenplatte aufsitzt.
  8. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1–7, bei dem das Schallführungselement (SFE) aus Metall, Keramik oder einem Leiterplattenmaterial gefertigt ist.
  9. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1–8, bei dem die Bodenplatte (BP) Anschlussflächen für den Mikrofonwandler (MW) und die integrierte Schaltung (IC) aufweist bei dem die Anschlussflächen elektrisch leitend mit Außenkontakten auf der Unterseite der Bodenplatte verbunden sind.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons mit vergrößertem Rückvolumen, bei dem auf eine Bodenplatte (BP) eines Hohlraumgehäuses einander nahe benachbart ein Mikrofonwandler (MW) und ein Schallführungselement (SFE) mit einem Schallkanal (SK) montiert werden, bei dem der Mikrofonwandler und das Schallführungselement mit einer Folie überdeckt werden, die gegen die Bodenplatte abdichtet, bei dem eine Durchführung (DF) durch die Folie über dem Mikrofonwandler (MW) und ein Durchlass durch die Folie an der oberen Mündung des Schallkanals auf der Oberseite des Schallführungselements vorgesehen werden, bei dem das Hohlraumgehäuse durch Aufsetzen einer Abdeckung (AD) auf die Bodenplatte (BP) geschlossen wird, wobei das Schallführungselement (SFE) die Abdeckung (AD) über der Bodenplatte (BP) abstützt, wobei eine Öffnung (OE) in der Abdeckung nach dem Aufsetzen mit der oberen Mündung des Schallkanals (SK) abschließt und die untere Öffnung des Schallkanals mit einem Vorvolumen (FV) unter der Folie verbunden ist, wobei eine Membran an der Unterseite des Mikrofonwandlers mit dem Vorvolumen verbunden ist, wobei das Vorvolumen durch die Folie von dem zwischen Abdeckung und Folie eingeschlossenen Rückvolumen (RV) getrennt wird.
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