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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Schallwandleranordnung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
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Stand der Technik
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Obwohl prinzipiell auf beliebige mikromechanische Schallwandleranordnungen, beispielsweise Lautsprecher und Mikrofone, anwendbar, werden die vorliegende Erfindung und die ihr zugrunde liegende Problematik anhand von mikromechanischen Mikrofonanordnungen auf Siliziumbasis erläutert.
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Mikromechanische Mikrofonanordnungen weisen üblicherweise eine auf einem MEMS-Chip integrierte Schallwandlungseinrichtung zum Wandeln von Schallenergie in elektrische Energie auf, wobei eine durch Schallenergie auslenkbare erste Elektrode und eine feststehende, perforierte zweite Elektrode kapazitiv zusammenwirken. Die Auslenkung der ersten Elektrode wird durch die Differenz der Schalldrücke vor und hinter der ersten Elektrode bestimmt. Ändert sich die Auslenkung, wird die Kapazität des durch die erste und zweite Elektrode gebildeten Kondensators verändert, was messtechnisch erfassbar ist.
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Bändchenmikrofone sind bereits seit längerem bekannt. Sie funktionieren mit einem induktiven Funktionsprinzip, wobei die Auslenkung einer Membran zu einer Änderung eines magnetischen Flusses durch eine Spulenanordnung führt, was wiederum eine Spannung in der Spulenanordnung induziert.
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Durch die Induktion eines der induzierten Spannung entsprechenden Stromes entfällt die Notwendigkeit der Erzeugung und Regelung einer hohen Betriebsspannung des kapazitiven Wirkprinzips, was zu einer erheblichen Verminderung der Leistungsaufnahme und einer Kostenreduktion durch Entfall der hochspannungserzeugenden Schaltungsteile führt.
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Im Gegensatz zum kapazitiven Wirkprinzip ergeben sich damit zahlreiche Vorteile. So lässt sich eine Richtungsabhängigkeit des Bändchenmikrofons realisieren, da eine Möglichkeit zum Betrieb als Differenzdruckmikrofon besteht. Das induktive Prinzip erlaubt wegen seiner geringen Leistungsaufnahme eine Always-On- und Wake-Up-Funktionalität. Die Empfindlichkeit skaliert mit der Bändchenlänge und -anzahl und nicht wie beim kapazitiven Prinzip mit der Auslenkungsfläche. Kapazitive MEMS-Mikrofone sind daher nicht ohne Performanceeinbußen verkleinerbar. Weiterhin besteht eine erhöhte mechanische Robustheit wegen der geringen Masse des schwingungsfähigen Materials.
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Aus der
US 6,434,252 B1 und der
WO 2006/047048 A2 sind Bändchenmikrofone bekannt, bei denen ein in einem Magnetfeld befindliches Bändchen durch Schallwellen zu Schwingungen angeregt wird, wodurch eine Spannung in dem Bändchen induziert wird.
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Die
US 8,031,889 B2 offenbart ein miniaturisiertes Bändchenmikrofon, welches eine geringe Empfindlichkeit aufweist, da die Spulen in einer Ebene ausgebildet sind und lediglich durch Auslenkungskomponenten in vertikaler Richtung eine Spannung induziert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine mikromechanische Schallwandleranordnung nach Anspruch 1 und ein entsprechendes Herstellungsverfahren nach Anspruch 15.
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Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft eine sehr stromsparende, miniaturisierte und empfindliche mikromechanische Schallwandleranordnung. Diese weist einen niedrigen Stromverbrauch auf, da kein aktiver Betrieb stattfindet. Die erfindungsgemäße mikromechanische Schallwandleranordnung eignet sich insbesondere für Always-On-Applikationen mit Wake-Up-Funktionalität. Kleinere Schallwandleranordnungen werden möglich, da das Skalierungsverhalten sich von demjenigen des kapazitiven Wirkprinzips unterscheiden. Ein großer Dynamikbereich lässt sich aufgrund geringer Masse des niedrigdimensionalen leitfähigen Bändchenmaterials erzielen.
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Durch die Möglichkeit der Platzierung von magnetisierbaren Schichten in unmittelbarer Nähe der Ruhelage der Bändchen wird ein hoher magnetischer Fluss und damit eine hohe magnetische Flussänderung durch die Spulenanordnung bei Auslenkung des Bändchens eine hohe magnetische Flussänderung durch die Spulenanordnung möglich. Die verwendeten neuartigen, niedrigdimensionalen Materialien ermöglichen minimale Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchspannung. Darüber hinaus erlaubt die geringe Massendichte der niedrigdimensionalen Materialien einen sehr großen dynamischen Messbereich, insbesondere zu hohen Frequenzen hin.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das niederdimensionale leitfähige Material ein- oder zweidimensional. Derartige Materialien lassen sich bruchfest und hochelastisch ausbilden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das niederdimensionale leitfähige Material aus folgender Gruppe ausgewählt: Graphen, Silicen, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanobändchen, Divanadiumpentaoxid, Dichalkogenide, insbesondere Molybdändisuifid, Wolframdisuldif, Titandisulfid, Molybdändisulfid. Die Abscheidungsprozesse dieser Materialien sind gut beherrschbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die ersten Wicklungsabschnitte der Spulenanordnung streifenförmig und überspannen die Durchgangsöffnung. So lässt sich ein großer Bereich abdecken und eine entsprechend hohe Empfindlichkeit erzielen. Um eine möglichst große Sensitivität zu erreichen, sollte die Luftleckage an den Bändchen vorbei möglichst gering sein, d.h., der Abstand zwischen zwei Bändchen mit einem gemeinsamen Fluidzugangsloch muss möglichst klein sein, und die Bändchen sollten das Fluidzugangsloch vollständig lateral überspannen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung verlaufen die ersten Wicklungsabschnitte oberhalb der Durchgangsöffnung im Wesentlichen parallel zur Vorderseite. Dies sorgt für maximale Auslenkbarkeit durch den auftreffenden Schalldruck.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erstrecken sich die ersten Wicklungsabschnitte bis in die Peripherie der Durchgangsöffnung oberhalb der Vorderseite. So lässt sich eine stabile Verankerung vorsehen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die ersten Wicklungsabschnitte auf einem Membranbereich aufgebracht, der die Durchgangsöffnung überspannt. Dies erhöht den Staudruck und damit die Dynamik. Der Membranbereich kann von einem niederdimensionalen, nicht-leitfähigen Material, wie z. B. hexagonales Bornitrid, gebildet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung schließen sich zweite Wicklungsabschnitte an die ersten Wicklungsabschnitte an, welche im wesentlichen senkrecht zur Vorderseite verlaufen, wobei sich dritte Wicklungsabschnitte an die zweiten Wicklungsabschnitte anschließen, welche im Wesentlichen koplanar zur Vorderseite beabstandet zu den ersten Wicklungsabschnitten verlaufen. Eine derartige Geometrie ist günstig herstellbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die zweiten und dritten Wicklungsabschnitte aus einem vom niederdimensionalen leitfähigen Material verschiedenen Material hergestellt. Hierzu eignet sich beispielsweise ein steifes Metall, das die Stabilität unterstützt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die dritten Wicklungsabschnitte Perforationen zum Schalldurchtritt auf. So lässt sich der Staudruck hinter den ersten Wicklungsbereichen reduzieren.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist das Substrat mit seiner Rückseite auf einem Träger mit einer Trägeröffnung angebracht, wobei die Trägeröffnung mit der Durchgangsöffnung in Fluidkommunikation steht und wobei auf der Vorderseite ein Deckel am Träger angebracht ist, der ein abgeschlossenes Rückvolumen definiert. Ein solches Rückvolumen vermindert ungewünschte Dämpfungseffekte.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Magneteinrichtung oberhalb der Vorderseite auf dem Substrat in Richtung der Spulenachse angeordnet und magnetisiert. Eine derartige Anordnung lässt sich einfach herstellen und sorgt für einen großen Magnetfluss durch die Spule.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist die Magneteinrichtung in eine Wand des Deckels in Richtung der Spulenachse integriert. Dies vermindert den Herstellungsaufwand.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die Durchgangsöffnung an der Rückseite eine Kaverne und ein sich daran anschließendes Durchgangsloch auf. So lässt sich ein geeignetes Vordervolumen bilden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a)–c) schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1) in einem ersten vertikalen Querschnitt, 1b) in einem zweiten vertikalen Querschnitt entlang der Linie A-A‘ und 1c) in Draufsicht;
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2 eine schematische vertikale Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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3 eine schematische vertikale Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.
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1a)–c) zeigen schematische Darstellungen einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und zwar 1) in einem ersten vertikalen Querschnitt, 1b) in einem zweiten vertikalen Querschnitt entlang der Linie A-A‘ und 1c) in Draufsicht.
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In 1a)–c) bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Substrat mit einer Vorderseite VS und einer Rückseite RS, welches beispielsweise aus einem Halbleitermaterial (z.B. Silizium), Glas oder Keramik gebildet ist. Das Substrat 1 weist eine sich zwischen der Rückseite RS und der Vorderseite VS erstreckende Durchgangsöffnung K, FZ auf, welche an der Rückseite eine Kaverne K und ein sich daran anschließendes Durchgangsloch FZ umfasst. Eine derartige Substratgeometrie lässt sich durch einen bekannten rückseitigen Ätzprozess mit entsprechenden Ätzstoppschichten ausbilden.
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Auf der Vorderseite VS befindet sich in der Peripherie des Durchgangslochs FZ eine Isolationsschicht I, beispielsweise aus einem Oxid. Oberhalb der Isolationsschicht I ausgebildet ist eine Spulenanordnung SA mit einer Spulenachse X, welche im Wesentlichen parallel zur Vorderseite VS verläuft, wobei die Spulenanordnung SA das Durchgangsloch FZ der Durchgangsöffnung K, FZ überspannt. Die Spulenanordnung weist eine Wicklungseinrichtung mit einer Mehrzahl von Wicklungen W1, W2, W3, W4 auf, welche erste Wicklungsabschnitte N1, N2, N3 aus mindestens einer Schicht eines niederdimensionalen leitfähigen Materials aufweisen.
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Das niederdimensionale leitfähige Material ist beispielsweise Graphen, Silicen, Divanadiumpentaoxid, Kohlenstoffnanoröhrchen, Kohlenstoffnanobändchen, ein Dichalkogenid, insbesondere Molybdändisuifid, Wolframdisulfid, Titandisulfid, Molybdändioxid, o.ä.
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Die ersten Wicklungsabschnitte N1, N2, N3 sind oberhalb der Vorderseite VS auf der Isolationsschicht I verankert und überdecken das Durchgangsloch FZ nahezu vollständig bis auf kleine Spalte S1, S2, S3 zwischen den einzelnen Wicklungen W1, W2, W3, W4.
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Zweite Wicklungsabschnitte VA schließen sich an die ersten Wicklungsabschnitte N1, N2, N3 an, welche im Wesentlichen senkrecht zur Vorderseite VS verlaufen, und dritte Wicklungsabschnitte HA schließen sich an die zweiten Wicklungsabschnitte VA an, welche im Wesentlichen koplanar zur Vorderseite VS beabstandet zu den ersten Wicklungsabschnitten N1, N2, N3 verlaufen. Dadurch ist eine Öffnung O der Spulenanordnung SA definiert. Das Material der zweiten und dritten Wicklungsabschnitte VA, HA ist aus einem vom niederdimensionalen leitfähigen Material verschiedenen Material hergestellt, beispielsweise aus Metall, wie z.B. Nickel. Eine derartige Spulengeometrie lässt sich durch Abscheideprozesse verbunden mit Opferschichtprozessen herstellen.
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An den Längsenden der Spulenanordnung SA in Richtung der Spulenachse X ausgebildet sind Permanentmagnetbereiche M1, M2, welche einen axialen Magnetfluss F durch die Spulenanordnung SA hindurch erzeugen. Diese Permanentmagnetbereiche M1, M2 lassen sich durch Abscheiden und anschließendes Strukturieren eines entsprechenden permanentmagnetischen bzw. ferromagnetischen Materials herstellen.
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Tritt Schall SC durch die Durchgangsöffnung K, FZ, so sind die ersten Wicklungsabschnitte N1, N2, N3 durch diesen Schall SC auslenkbar, und es wird eine entsprechende Spannung in der Spulenanordnung SA induziert, welche sich an Anschlusspads P1, P2 abgreifen lässt, welche mit den Enden der Spulenanordnung SA verbunden sind. Im vorliegenden Beispiel sind die ersten, zweiten und dritten Wicklungsabschnitte N1, N2, N3, VA, HA streifenförmig ausgebildet, sodass sie mit den geringen Spalten S1, S2, S3 einen großen Bereich abdecken können. Dies erhöht die Empfindlichkeit der Schallwandleranordnung.
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Ein entsprechender Auswerte-ASIC ist nicht dargestellt und kann beispielsweise auch auf dem Substrat integriert werden oder in einem separaten Chip.
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2 zeigt eine schematische vertikale Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 2 ist das Substrat 1 gemäß der ersten Ausführungsform ausgestaltet, wobei die Spulenanordnung SA nur schematisch angedeutet ist, und auf einen Träger TR mit einer Trägeröffnung TL angebracht, wobei die Trägeröffnung mit der Durchgangsöffnung in Fluidkommunikation steht, sodass Schall SC von außen durch die Trägeröffnung TL und die Durchgangsöffnung K, FZ an die Spulenanordnung SA gelangen kann. Über der Vorderseite VS auf dem Träger TR angebracht ist ein Deckel D, der ein abgeschlossenes Rückvolumen BV über der Vorderseite VS definiert. Ein derartiges Rückvolumen BV ist vorteilhaft, um ungewollte Dämpfungseffekte zu vermindern. Die Permanentmagnetisierung zeigt ebenfalls in Richtung der Spulenachse X.
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Die Magneteinrichtung M1', M2' ist bei dieser Ausführungsform in eine Wand DW des Deckels D in Richtung der Spulenachse X integriert, beispielsweise durch Einlagerung eines entsprechenden ferromagnetischen Materials.
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Zusätzlich bei dem Substrat 1 der zweiten Ausführungsform angedeutet ist eine durchgehende Kontaktierung DK mit einem Bondbereich B auf der Vorderseite des Substrats 1, welche dazu benutzt werden kann, eine elektrische Verbindung zum Träger TR herzustellen.
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3 zeigt eine schematische vertikale Querschnittsdarstellung einer mikromechanischen Schallwandleranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei der dritten Ausführungsform gemäß 3 ist die Isolationsschicht mit Bezugszeichen I' bezeichnet. Diese bildet über dem Durchgangsloch FZ der Durchgangsöffnung K, FZ einen Membranbereich M aus, der das Durchgangsloch FZ überspannt. Bei dieser Ausführungsform werden die ersten Wicklungsabschnitte N1, N2, N3 vom Membranbereich M getragen, wobei der Membranbereich M durch den Schall SC auslenkbar ist. Somit lässt sich mehr Staudruck für den Schall SC erzeugen. Die dritten Wicklungsabschnitte HA' der Wicklungen W2', W3' sind bei dieser Ausführungsform zusätzlich mit Perforationen L1 bis L6 zum Schalldurchtritt versehen, was den sich hinter dem Membranbereich M bildenden Staudruck vermindert, sodass die Dynamik erhöht ist.
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Ansonsten ist die dritte Ausführungsform gleich wie die erste Ausführungsform aufgebaut.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend vollständig beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
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Insbesondere sind die gezeigten Geometrien und Materialien nur beispielhaft und können je nach Anwendung nahezu beliebig variiert werden.
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Obwohl bei den obigen Ausführungsformen die Magneteinrichtung aus einem ferromagnetischen Material besteht, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern könnte auch durch eine elektromagnetische Spuleneinrichtung realisiert werden.
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Auch ist die Erfindung nicht auf Mikrofone beschränkt, sondern auch auf andere Schallwandler anwendbar, wie z.B. Lautsprecher.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6434252 B1 [0007]
- WO 2006/047048 A2 [0007]
- US 8031889 B2 [0008]
