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Hochwertige MEMS-Mikrofone weisen in der Regel Rückplattenlöcher auf, wobei Durchmesser von 5-15 µm im Vergleich zur Luftspaltgröße von in der Regel 2-4 µm relativ groß sind, da dadurch das Signal-RauschVerhältnis (SNR - Signal-to-Noise Ratio) von Mikrofonen verbessert wird. Leider können dadurch Partikel Zugang zum Luftspalt erhalten, wenn sich eine ihrer Abmessungen im Bereich von wenigen µm befindet und sich die anderen Abmessungen im Bereich von 10 µm befinden. Infolgedessen wird dadurch die akustische Leistung des Mikrofons, wie zum Beispiel Empfindlichkeit, Rauschen und Gesamtklirrfaktor THD (THD - Total Harmonic Distortion), beeinträchtigt. Im Laufe der Zeit werden sich Partikel im Luftspalt ansammeln und letztendlich das Mikrofon völlig unbrauchbar machen.
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Um zu vermeiden, dass größere Partikel in die Schalleintrittsöffnung eines Mikrofons eintreten, ist heutzutage ein Filter außerhalb des Mikrofons im Schallkanal platziert, der in der Regel als eine Schallöffnung in einer Trägerplatte, auf der das Mikrofon montiert ist, realisiert ist. Der Filter hält größere Partikel mit Abmessungen von vielen 10 µm zurück, erhöht aber auch den Widerstand im Schallweg und führt somit zu einer SNR-Reduzierung. Diese Art von Filtern ist mit dem Nachteil behaftet, dass sie keine kleinen Partikel von einigen wenigen µm davon abhält, die Rückplatte zu erreichen. Ferner erhöhen Siebe mit solchen Löchern den Widerstand des Schallwegs und beeinträchtigen die Leistung des Mikrofons.
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Siebe mit Poren-/Lochgrößen von 2-5 µm, die dünn genug sind, dass sie den Widerstand nicht zu sehr erhöhen, stehen nicht zur Verfügung und wären auch schwierig zu handhaben/anzubringen.
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Einige Mikrofonausführungen mit integriertem Staubsieb sind zu finden:
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Die
EP 2 566 183 A1 zeigt ein Textilsieb mit einem Porendurchmesser von vielen 10 um.
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Die
US 6088463 A zeigt einen nicht spezifischen Filter auf einer Schalleintrittsöffnung. Die
US 7221767 B2 zeigt einen nicht spezifischen Filter auf einer Schalleintrittsöffnung eines MEMS-Chips. Die
US 7974430 B2 zeigt ein klassisches ECM-Mikrofon mit einem in der Metallkappe angebrachten Staubsieb mit Löchern mit einem Durchmesser von 0.1mm. Die
US 8447057 B2 verwendet die obere Metallschicht des Mikrofon-PCB zur Bildung eines Staubgitters. Löcher in dieser Art von Technologie können nicht im µm-Bereich hergestellt werden, sondern nur in einem Bereich von vielen 10 µm. Die offenbarten Löcher in der Rückplatte weisen Durchmesser von 2 µm bis 80 µm auf. Löcher mit einem Durchmesser von ca. 2 µm in einer Rückplatte beeinträchtigen jedoch drastisch die SNR-Leistung des Mikrofons.
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Die
US 2014/0091406 A1 offenbart einen aus Akustikgewebe hergestellten Filter wie ein Flächengebilde oben auf einer Keramikschicht in einer Art von DIL-Package (DIL - Dual in-line). Hier weisen die Löcher in der Regel einen Durchmesser im Bereich von 10 µm und darüber und eine Dicke von > 10 µm auf.
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Aus der
KR 10 1 303 954 B1 ist ein MEMS Mikrofon auf einem Träger bekannt, bei dem eine Schallöffnung im Träger mit einem Filterchip versehen ist, der ein Sieb mit parallelen Löchern aufweist.
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Bei allen bekannten Mikrofonen ist es üblich, dass die Dicke/Lochlänge des zusätzlichen Filters oder Staubgitters mehr als 2 µm beträgt und somit den akustischen Widerstand des Systems zu sehr erhöht und die SNR-Leistung reduziert.
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Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines MEMS-Bauelements und vorzugsweise eines MEMS-Mikrofons, das einen verbesserten Partikelfilter aufweist, der die mechanische und elektrische Bauelementleistung nicht zu sehr verschlechtert. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Filters für den Schallkanal des Mikrofons, der sich leicht herstellen lässt und kleinere Partikel als bekannte Staubgitter zurückhält.
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Diese und andere Aufgaben werden von einem MEMS-Mikrofon nach Anspruch 1 gelöst. Ausführungsformen der Erfindung werden durch abhängige Ansprüche angegeben.
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Um das oben genannte Problem bekannter Filter, das Hinzufügen eines zu großen akustischen Serienwiderstands im Schallkanal, der sich negativ auf das Mikrofon-SNR auswirkt, zu überwinden und gleichzeitig zu vermeiden, dass kleine Partikel in den Luftspalt eintreten, wird ein spezieller Filterchip in oder auf der Trägerplatte des Mikrofons vor dem MEMS-Chip integriert. Der Filterchip ist im Schallkanal angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Anordnung überspannt der Filterchip den gesamten Durchmesser einer Schallöffnung in der Trägerplatte und „schließt“ sie. Jegliche(r) Schall, Luft oder Partikel muss/müssen das Sieb passieren oder werden von dem Sieb an einem Passieren gehindert.
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Der Filterchip kann ein keramischer Chip oder ein Chip aus einem kristallinen Material sein. In einer auf einer Oberfläche des Filterchips aufgebrachten dünnen Schicht wird das Sieb durch Strukturieren von Löchern in der Schicht gebildet. Der Filterchip weist eine durchgehende Durchbrechung auf, die so unter dem Sieb ausgebildet und positioniert ist, dass das Sieb die Durchbrechung überspannt und schließt. Der Körper des Filterchips stellt einen Klemmrahmen für das Sieb bereit. Somit können selbst sehr dünne Siebe bereitgestellt werden, die nicht alleine oder ohne den Rahmen gehandhabt werden könnten. Nichtsdestotrotz weist der Filterchip eine ausreichende mechanische Stabilität für dünne Siebe auf.
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Die Verwendung von Halbleiter-/MEMS-Technologie gestattet die Fertigung von extrem dünnen Schichten für das Sieb mit kleinen Löchern, die den akustischen Widerstand nur geringfügig erhöhen und gleichzeitig verhindern, dass kleine Partikel in den Luftspalt zwischen der Membran und der Rückplatte des MEMS-Chips eintreten. Siebe mit Poren/Lochgrößen von 3-5 µm, die dünn genug sind, dass sie den akustischen Widerstand des Filters nicht zu sehr erhöhen, standen vorher nicht zur Verfügung, da es schwierig war, solche Siebe zu handhaben oder anzubringen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Sieb aus einer Schicht mit einer Dicke von weniger als 2 µm strukturiert. In solch einer Schicht können beispielsweise durch Ätzen Löcher mit Durchmessern von 2 bis 50 µm ausgebildet werden. Die Schicht kann aus irgendeinem Material gebildet werden, die eine ausreichende mechanische Festigkeit für ein dünnes Sieb mit gewünschter geringer Dicke bereitstellt. Bevorzugt sind Materialien, wie sie in Halbleiterprozessen verwendet werden, die sich leicht strukturieren lassen, wie Oxide oder Nitride. Es ist jedoch auch möglich, das Sieb aus einem Metall herzustellen. Speziell Metalle, die gesputtert oder galvanisch aufgebracht werden können, wie Al, Cu und Ni, können bevorzugt verwendet werden, aber auch andere Metalle sind möglich.
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Es ist jedoch möglich, die Schicht und somit das Sieb nur 0,1 µm dünn und die Löcher klein, zum Beispiel mit einem Durchmesser von 0,5 µm bis 20 µm oder vorzugsweise von 0,5 µm bis 2 µm, herzustellen. Mit solchen Abmessungen des Siebs werden kleine Partikel mit einer Größe von wenigen Mikrometern daran gehindert, durch das Sieb zu passieren und somit die Rückplatte oder den Spalt zwischen der Rückplatte und der Membran zu erreichen.
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Darüber hinaus kann eine bekannte Schalleintrittsöffnung, die aus nur einem Loch (das heißt, der Schallöffnung) in der Trägerplatte besteht, durch das Sieb mit mehreren kleinen Löchern mit einem Durchmesser von ca. 50 µm oder darunter ersetzt werden. Die parallel ausgebildeten kleinen Löcher weisen den gleichen akustischen Widerstand wie das einzige Schalleintrittsloch auf.
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Außerdem umfasst der Filterchip ein in einer zweiten Schicht strukturiertes zweites Sieb, das auf einer Oberfläche gegenüber dem ersten Sieb angeordnet ist. Das zweite Sieb überspannt den Durchlass mit durchgehenden parallelen zweiten Löchern, die das zweite Sieb bilden. Der Durchmesser der ersten Löcher im ersten Sieb, das der Rückplatte zugekehrt ist, ist kleiner als der Durchmesser der zweiten Löcher, die von der Rückplatte abgekehrt sind.
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Dadurch wird ein zweistufiger Filter gebildet. Dieser Filter kann eine erste Seite mit einer µm-Porengröße und eine zweite Seite mit einer 10-µm-Porengröße aufweisen, die beide durch Strukturieren einer jeweiligen dünnen Schicht mit einer Dicke von ca. 1 µm gebildet sein können.
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Ein anderer zweistufiger Filter kann durch ein Gitter bereitgestellt werden, das in einer Schicht der Trägerplatte strukturiert ist und das das Schallloch an einer vom MEMS-Chip abgekehrten Stelle unter dem Filterchip überspannt. Das Gitter umfasst dritte Löcher mit einem Durchmesser, der größer ist als Durchmesser der ersten und zweiten Löcher.
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Ein dreistufiger Filter kann durch Kombinieren eines in der Trägerplatte integrierten Gitters mit einem Filterchip, der ein erstes oder zweites Sieb aufweist, bereitgestellt werden. Der Durchmesser der Löcher nimmt in Richtung des MEMS-Chips ab und nimmt somit von dem Gitter zu dem zweiten und ersten Sieb ab.
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Allgemein kann die Porenform und -größe für einen minimalen akustischen Widerstand und eine maximale Filterleistung optimiert werden. Ein mehrstufiger Filter kann Partikel mit höherer Zuverlässigkeit herausfiltern, selbst wenn man mit einem großen Lochdurchmesser im Gitter oder im zweiten Sieb startet.
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Bei einer Ausführungsform liegt der erste Durchmesser zwischen 0,5 µm und 5 µm, der zweite Durchmesser liegt zwischen 5 µm und 20 µm und die Dicke des ersten Siebs liegt zwischen 0,10 µm und 0,5 µm, und die Dicke des zweiten Siebs liegt zwischen 0,3 und 5 µm.
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Der Filterchip kann an beliebiger Stelle im Schallkanal angeordnet werden. Vorzugsweise wird er so in der Trägerplatte angeordnet, dass er die Schallöffnung verschließt. Dort kann er zumindest teilweise in einer Aussparung der Oberfläche der Trägerplatte vergraben und angeordnet werden. Als Alternative dazu wird der Filterchip auf der oberen Fläche der Trägerplatte, das heißt, zwischen der Trägerplatte und dem MEMS-Chip, angeordnet. Bei einer weiteren Alternative kann der Filterchip auf der dem MEMS-Chip entgegensetzten Oberfläche der Trägerplatte oder in der Nähe davon angeordnet oder darin vergraben werden.
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Vorzugsweise sind die Aussparung im MEMS-Chip, der Durchlass des Filterchips, die Schallöffnung sowie das erste und das zweite Sieb koaxial und somit in einer Linie angeordnet, um einen geraden Schallkanal mit einem geringen akustischen Serienwiderstand zu ermöglichen.
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Auf der Oberfläche des ersten oder zweiten Siebs ist eine Metallschicht aufgebracht, die als ESD-Schutzabschirmung verwendet werden kann. Die Metallschicht ist elektrisch mit einem Masseanschluss der Trägerplatte verbunden. Dazu kann der Filterchip unter Verwendung von Leitklebstoff zur Verbindung der Metallschicht auf dem Sieb und einer jeweiligen Kontaktfläche auf der Trägerplatte in oder auf der Schallöffnung montiert werden.
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Solch eine zusätzliche Metallschicht stellt eine sehr einfache Erweiterung des Fertigungsprozess des Filterchips dar und erfordert keinen wesentlichen verfahrenstechnischen Aufwand. Ferner kann eine hydrophobe Beschichtung auf der Oberfläche eines der Siebe aufgebracht werden, vorzugsweise auf dem Sieb, das sich neben dem MEMS-Chip befindet und den kleinsten Lochdurchmesser aufweist. Solch eine Beschichtung verhindert das Eindringen von flüssigem Wasser durch das Sieb in das Mikrofon.
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Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen und die zugehörigen Figuren ausführlicher erläutert. Die Figuren sind zum besseren Verständnis nur schematisch und nicht maßstäblich. Identische oder äquivalente Teile werden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
- 1 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon nach dem Stand der Technik mit einer Rückplatte, die der Umgebung direkt ausgesetzt ist,
- 2 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon nach dem Stand der Technik mit einem in der Trägerplatte integrierten Filterchip,
- 3 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon nach dem Stand der Technik mit einem zwischen dem Träger /HTCC und MEMS-Mikrofonchip platzierten Filterchip,
- 4 zeigt in einer Draufsicht einen Filterchip, wie er in dem Mikrofon von 2 verwendet werden kann,
- 5 zeigt in einer Draufsicht einen Filterchip, wie er in dem Mikrofon von 3 verwendet werden kann,
- 6 zeigt ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon nach dem Stand der Technik mit einem Filterchip und einem in der Trägerplatte integrierten groben Gitter,
- 7 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon nach dem Stand der Technik mit einem in der Trägerplatte integrierten zweistufigen Filterchip,
- 8 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon nach dem Stand der Technik mit einem zweistufigen Filterchip und einem in der Trägerplatte integrierten zusätzlichen groben Gitter,
- 9A bis 9D zeigen in einer Querschnittsansicht einen Prozessablauf für einen Filterchip mit Einzelsieb,
- 10A bis 10F zeigen in einer Querschnittsansicht einen Prozessablauf für einen Filterchip mit Doppelsieb,
- 11 zeigt in einer Querschnittsansicht ein Bottom-Port-MEMS-Mikrofon nach dem Stand der Technik mit einem in der Trägerplatte auf seiner Unterseite integrierten Doppelsieb/Filterchip,
- 12 zeigt in einer Querschnittsansicht einen Filterchip mit verbesserter ESD-Abschirmung,
- 13 zeigt in einer Querschnittsansicht eine Trägerplatte mit verbesserter ESD-Abschirmung.
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1 zeigt in einer Querschnittsansicht ein MEMS-Mikrofon nach dem Stand der Technik. Das Mikrofon umfasst einen MEMS-Chip MC, der so auf einer Trägerplatte CB montiert ist, dass eine Membran MB und eine Rückplatte BP des MEMS-Chips MC einer Schallöffnung SO in der Trägerplatte CB zugekehrt sind. Ferner umfasst das MEMS-Mikrofon 1 einen ASIC SC, der ein kleiner Halbleiterchip ist, welcher die Funktion des MEMS-Mikrofons 1 unterstützt und steuert.
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Der Mikrofonchip MC und der ASIC SC sind unter einer Kappe CP angeordnet, die auf der oberen Oberfläche der Trägerplatte CB montiert ist. Eine akustische Dichtung AS, bei der es sich um eine Folie handeln kann, dichtet den MEMS-Chip MC und den ASIC SC gegen die Oberfläche der Trägerplatte CB ab, um dazwischen ein Vorder-Volumen FV einzuschließen. Der MEMS-Chip MC weist eine Aussparung über der Membran auf, und die akustische Dichtung ist über der Aussparung entfernt, um die Membran und die Rückplatte freizulegen. Somit wird zwischen der Kappe CP und der akustischen Dichtung/der Aussparung ein Rückvolumen BV eingeschlossen.
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Auf der Unterseite der Trägerplatte sind Kontaktpads PD ausgebildet, die mit dem ASIC und in einigen Fällen auch mit dem MEMS-Mikrofon elektrisch verbunden sind. Diese Kontaktpads PD werden zur Verbindung des MEMS-Mikrofons 1 mit einer äußeren Schaltungsanordnung verwendet und dienen auch dem Montieren des Mikrofons in dieser Schaltungsanordnung.
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Die Trägerplatte CB kann eine mehrschichtige Struktur aufweisen und kann aus HTCC (high temperature co-fired ceramics) oder FR4 gebildet sein, um eine hohe mechanische Stabilität zu gewährleisten. Innerhalb der mehrschichtigen Struktur können eine oder mehrere Verdrahtungsschichten angeordnet sein, um die Kontaktpads des MEMS-Chips oder des ASIC mit den Kontaktpads PD auf der unteren Fläche der Trägerplatte CB zu verbinden. Durch die Verdrahtungsschicht kann auch eine Verbindung zwischen MEMS-Chip MC und ASIC SC gebildet werden.
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Die Kappe CP, die unter sich den MEMS-Chip MC und den ASIC SC einschließt, kann aus Metall bestehen. Es ist aber auch irgendein anderes mechanisch stabiles Material möglich, um die Kappe CP zu bilden. Es ist von Vorteil, wenn die Kappe CP mindestens eine Metallschicht aufweist, um eine Abschirmung des Mikrofons zu gewährleisten. In jedem Fall ist das Metall der Kappe CP mit einem Masse-Pad auf der Trägerplatte verbunden, das mit einem Massekontaktpad auf der unteren Fläche der Trägerplatte CB verbunden ist. Eine Verbindung zwischen der Kappe CP und der Trägerplatte CB kann durch einen Leitklebstoff oder durch Löten erfolgen.
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Ein in 1 gezeigtes MEMS-Mikrofon 1 ist eine spezielle Ausführungsform, muss aber nicht wie gezeigt ausgestaltet sein. Zur leichteren Bezugnahme beginnt die folgende Erläuterung der Erfindung mit einem Mikrofon, wie in 1 gezeigt. Der zentrale Gedanke der Erfindung bezieht sich auf eine neue Struktur des Schallkanals, der das gesamte Volumen zwischen der Schallöffnung SO und der Rückplatte BP ist. Es wird jedoch jegliche andere Variation der bzw. des Mikrofonausführung und -packages, die sich nicht direkt auf den zentralen Gedanken der Erfindung bezieht, als innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung liegend angesehen. Nur als Beispiel kann der Mikrofonchip MC an der Oberfläche der Trägerplatte CB nicht nur durch eine Bumpverbindung, wie in 1 gezeigt, sondern durch irgendein anderes Verbindungsverfahren montiert sein.
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2 zeigt in der gleichen Querschnittsansicht ein MEMS-Mikrofon 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Um 1 Rechnung zu tragen, werden die gleichen Bauelemente des Mikrofons von 1 gezeigt. Die Erfindung stellt einen Filterchip FC bereit, der auf der Trägerplatte angeordnet und, wie in 2 gezeigt, in einer Aussparung auf der oberen Fläche der Trägerplatte CB vergraben ist. Der Filterchip FC umfasst ein Vollmaterial BM mit einem Durchlass AP, der durch ein Sieb MSH, das den Durchlass AP überspannt, überdeckt und „verschlossen“ ist. Unter „verschlossen“ soll verstanden werden, dass neben den Löchern im Sieb kein anderer Spalt oder keine andere Öffnung verbleibt und somit kein anderer Zugang als der durch die Löcher im Sieb gebildete Durchgang zu dem Durchlass besteht. Das Vollmaterial des Filterchips FC bildet einen Spannrahmen für das Sieb MSH. Das Sieb umfasst parallel angeordnete Löcher, die alle den gleichen Durchmesser von ca. 50 um oder darunter aufweisen. Somit wird die Schallöffnung SO des MEMS-Mikrofons 1 durch das Sieb verschlossen, wodurch Partikel mit einem Durchmesser, der größer als der Durchmesser der Löcher ist, daran gehindert werden, die Rückplatte zu erreichen, und jegliche Beschädigung oder Störung durch diese Partikel verhindert wird.
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Der Filterchip FC und das entsprechende Sieb MSH können eine beliebige Form aufweisen. Es ist jedoch von Vorteil, wenn das Sieb und der Durchlass die gleiche Form wie die Rückplatte aufweisen, um eine maximale Überlappung zu gewährleisten. Bevorzugt sind runde Rückplatten und somit rund geformte Siebe. Es ist jedoch auch möglich, dass das Sieb eine kleinere Fläche als die Rückplatte und die Aussparung im MEMS-Chip MC aufweist.
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4 zeigt in einer Draufsicht eine mögliche Form eines Filterchips FC, der im Mikrofon von 2 verwendet werden kann. Das Vollmaterial BM und somit der Filterchip FC weist eine rechteckige Form gemäß der Form der Aussparung im MEMS-Chip und der Form der Rückplatte auf. Das Sieb MSH überspannt einen Durchlass AP mit einer runden Form. Hätte die Rückplatte des MEMS-Mikrofons eine rechteckige Fläche, müsste der Filterchip FC die gleiche Form wie die Rückplatte aufweisen.
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3 zeigt in einer anderen Querschnittsansicht eine andere Anordnung des erfindungsgemäßen Filterchips in einem erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofon 1. Hier ist der Filterchip FC auf der oberen Oberfläche der Trägerplatte CB knapp unter dem MEMS-Chip MC angeordnet und montiert. Der Filterchip FC weist eine Form und eine Abmessung auf, die größer als die der Schallöffnung in der Trägerplatte CB ist und überdeckt die Schallöffnung SO somit vollständig. Das Sieb MSH kann auf der Unterseite des Filterchips FC angeordnet sein, wie in der Figur gezeigt, um einen ausreichend großen Spalt zur Rückplatte zu gewährleisten. Es ist jedoch auch möglich, dass sich das Sieb auf der der Rückplatte BP zugekehrten Seite des Filterchips FC befindet.
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5 zeigt eine mögliche Form eines Filterchips, die der Ausführungsform von 3 entspricht. Der Filterchip FC weist konvex abgerundete Ecken auf, die der Bumpverbindung des Filterchips FC mit der Trägerplatte CB entsprechen. Die Bumps können in den konkaven Teilen/Aussparungen des Filterchips FC angeordnet sein.
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6 zeigt eine weitere weiterentwickelte Ausführungsform eines MEMS-Mikrofons 1 gemäß der Erfindung. Hier ist der Filterchip FC mit dem Sieb MSH mit einem Gitter GRD kombiniert, das in einer unteren Schicht der Trägerplatte CB ausgebildet ist. In diesem Fall muss die Trägerplatte CB eine mehrschichtige Struktur aufweisen, so dass jede der Schichten der Trägerplatte getrennt strukturiert werden kann. Das Gitter GRD bedeckt die Schallöffnung SO und stellt dritte Löcher mit einem Durchmesser bereit, der größer ist als der Durchmesser der ersten Löcher im Sieb MSH des Filterchips FC. Das Gitter GRD wird dazu verwendet, große Partikel in einer ersten Stufe herauszufiltern, wobei das Sieb MSH Partikel mit einem kleineren Durchmesser herausfiltert. Der Filterchip FC kann in einer Aussparung in der oberen Fläche der Trägerplatte CB angeordnet sein, kann aber auch auf der oberen Fläche montiert sein, um die Schallöffnung zu überdecken.
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Ferner kann das Gitter GD in einer Schicht der Trägerplatte ausgebildet sein, die nicht die untere Schicht ist. Es ist von Vorteil, wenn zwischen dem Gitter GRD und dem Sieb MSH ein ausreichender Abstand gehalten wird.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofons 1, wobei eine zweistufige Filterung durch den Filterchip FC ermöglicht wird. Dazu umfasst der Filterchip FC ein erstes Sieb MSH1, das oben auf dem Filterchip angeordnet ist, und ein zweites Sieb MSH2, das auf der unteren Fläche des Filterchips FC angeordnet ist. Im Vergleich zu der zweistufigen Filterung der Ausführungsform von 6 kann das zweite Sieb des Mikrofons von 7 eine feinere Siebweite als das Gitter von 6 umfassen. In diesem Fall wird bevorzugt, dass der Filterchip FC so in einer Aussparung der Trägerplatte angeordnet ist, dass zwischen dem oberen oder ersten Sieb MSH1 und der Rückplatte BP ein ausreichender Abstand gehalten wird. Die Relation der Lochdurchmesser des ersten und zweiten Siebs (und des Gitters GRD) kann so gewählt werden, dass eine maximale Filterwirkung erzielt wird.
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8 zeigt ein weiteres weiterentwickeltes MEMS-Mikrofon 1 mit einer dreistufigen Filterung. Drei Filterungsstufen werden durch eine Kombination der Ausführungsformen von 6 und 7 erreicht. Ein Filterchip FC mit einem ersten und einem zweiten Sieb MSH1/MSH2 ist mit einem in einer Schicht der mehrschichtigen Trägerplatte CB ausgebildeten Gitter GRD kombiniert. Hier werden drei verschiedene Durchmesser von Öffnungen/Löchern in dem Gitter, ersten und zweiten Sieb so ausgewählt, dass der Lochdurchmesser unten am Gitter am größten und am obersten Sieb MSH1 am kleinsten ist.
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Die 9A bis 9D zeigen einen Herstellungsprozess eines Filterchips FC in einer Querschnittsansicht, wobei jede Figur der 9A bis 9D den Filterchip in einer jeweiligen Herstellungsstufe, die einem jeweiligen Schritt folgt, zeigt.
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9A zeigt einen massiven Filterchip (Vollmaterial BM), der ein kristalliner Siliziumchip sein kann. Oben auf dem Vollmaterial BM des Filterchips ist eine erste Schicht L1 zum Beispiel aus Siliziumdioxid und darauf eine zweite Schicht L2 zum Beispiel aus Siliziumnitrid aufgebracht. Eine Dicke des Filterchips reicht dazu aus, die erforderliche mechanische Stabilität zu gewährleisten. Die erste Schicht L1 aus Siliziumoxid dient als Ätzstoppschicht für die zweite Schicht L2 aus Siliziumnitrid, aus der das spätere Sieb gebildet wird. Somit hält eine Dicke der zweiten Siliziumnitridschicht L2 die gewünschte Dicke des späteren Siebs Siebs ein.
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9B zeigt die aus Siliziumnitrid hergestellte zweite Schicht L2 nach einem Strukturierungsschritt, wobei erste Löcher in die zweite Schicht L2 geätzt worden sind. Die Löcher weisen den gewünschten Durchmesser des ersten Siebs MSH1 auf und sind parallel, vorzugsweise in einem gleichmäßigen Muster, angeordnet. Die Strukturierung kann mithilfe einer Fotolackmaske und eines zweckdienlichen Strukturierungsverfahrens wie Plasmaätzen oder chemisches Nassätzen erfolgen.
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Im nächsten Schritt ist ein Durchlass AP in den Filterchip FC aus der dem Sieb gegenüberliegenden Fläche ausgebildet worden. Bei Verwendung von reaktivem Ionenätzen (DRIE) kann die Siliziumoxidschicht L1 als Ätzstopp verwendet werden. 9C zeigt die Anordnung nach dem Ätzschritt.
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Im nächsten Schritt ist die Ätzstopp-Siliziumoxidschicht (erste Schicht L1) durch reaktives Ionenätzen von der Unterseite oder alternativ durch Nassätzen entfernt worden. 9D zeigt die Anordnung nach dem Entfernen der Schicht L1 zum Freilegen des Siebs von unten. Die Siliziumnitridschicht L2 mit dem regelmäßigen Lochmuster bildet nun das den Durchlass AP des Filterchips FC überspannende Sieb MSH. Ausführungsformen des somit fertig gestellten Filterchips FC werden zum Beispiel in den 4 und 5 in einer Draufsicht gezeigt. Aber der Filterchip FC kann auch eine beliebige andere Form aufweisen. Der Durchlass AP weist jedoch vorzugsweise eine runde Form auf.
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10A bis 10F zeigen verschiedene Schritte zur Herstellung eines zweistufigen Filterchips FC mit einem ersten und einem zweiten Sieb MSH. Das Verfahren beginnt mit einem Chip aus Vollmaterial BM, vorzugsweise einem Siliziumchip. Auf der Oberseite des Siliziumchips werden eine erste Schicht L1 aus Siliziumoxid und eine zweite Schicht L2 aus Siliziumnitrid L2 aufgebracht, wie bereits unter Bezugnahme auf 9A gezeigt. Auf der Unterseite des Filterchips FC bzw. auf der Unterseite des Chips aus Vollmaterial BM wird eine dritte Schicht L3 aus Siliziumnitrid aufgebracht. 10A zeigt die Anordnung in diesem Stadium.
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Im nächsten Schritt wird die zweite Schicht L2 aus Siliziumnitrid, wie zum Beispiel bereits in 9B gezeigt, strukturiert. Die erste Schicht aus Siliziumoxid L1 dient als Ätzstopp bei Verwendung von reaktivem Ionenätzen. 10B zeigt die Anordnung in diesem Stadium.
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Im nächsten Schritt wird die dritte Schicht L3 aus Siliziumnitrid auf der Unterseite des Vollmaterialchips BM bzw. des Filterchips dahingehend strukturiert, ein regelmäßiges Muster aus Löchern darin zu bilden. Alle Löcher in der dritten Schicht L3 weisen den gleichen Durchmesser auf, der größer ist als der Durchmesser der Löcher in der zweiten Schicht aus Siliziumnitrid L2. 10C zeigt den Filterchip FC mit den beiden strukturierten Siliziumnitridschichten L2 und L3, die den späteren Sieben des Filterchips entsprechen.
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Im nächsten Schritt wird der Filterchip unter Verwendung von reaktivem Ionenätzen (DRIE) durch die Öffnungen in der dritten Schicht L3 aus Siliziumnitrid von der Unterseite her geätzt. Da reaktives Ionenätzen anisotrop wirkt, braucht es einen zweiten Schritt des isotropen Ätzens, um den Hohlraum zwischen der ersten Schicht aus Siliziumoxid und der dritten Schicht aus Siliziumnitrid vollständig zu ätzen und auszubilden. Dies kann durch Nassätzen oder durch ein isotropes Plasmaätzen erfolgen. 10E zeigt den Filterchip mit dem somit zwischen den beiden Sieben fertiggestellten Hohlraum. Die erste Schicht L1 aus Siliziumoxid bleibt als Ätzstopp und muss in einem weiteren Schritt entfernt werden. 10F zeigt den so fertiggestellten Filterchip mit dem ersten Sieb MSH1 und dem zweiten Sieb MSH2 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Oberfläche des Filterchips FC. Beide Siebe überspannen den Durchlass AP des Filterchips, so dass ein Passieren des Filterchips ein Passieren erster und zweiter Löcher im ersten und zweiten Sieb MSH1 und MSH2 umfasst.
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11 zeigt eine andere Ausführungsform eines MEMS-Mikrofons 1 gemäß der Erfindung. Die Struktur dieses Mikrofons ähnelt dem in 7 gezeigten Mikrofon. Der Hauptunterschied besteht in der Anordnung des Filterchips, der hier in einer Aussparung in der unteren Fläche der Trägerplatte CB vergraben ist. Die Aussparung weist einen Durchmesser auf, der größer als der Durchmesser der Schallöffnung SO ist. Die Schallöffnung wird durch die beiden Siebe des Filterchips FC vollständig verschlossen. Das zweite Sieb MSH2 mit den Löchern mit größerem Durchmesser ist zur Unterseite hin ausgerichtet, während das erste Sieb MSH1 mit dem kleineren Lochdurchmesser dem über der Schallöffnung SO angeordneten MEMS-Chip MC zugekehrt ist.
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12 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Filterchips FC gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Eine Metallschicht ML ist oben auf dem Sieb MSH oder oben auf einem der Siebe des Filterchips FC aufgebracht. Dadurch wird ein verbesserter ESD- und EMI-Schutz erreicht. Die Metallschicht ML kann zum Beispiel in einem letzten Schritt nach Fertigstellung des Filterchips, wie in den 9D oder 9F gezeigt, aufgebracht werden. Das Aufbringen kann Sputtern einer Metallschicht umfassen, die galvanisch verstärkt sein kann oder die vollständig durch Sputtern aufgebracht werden kann.
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Wenn der Filterchip zwei Siebe MSH umfasst, wird die Metallschicht ML vorzugsweise auf dem Sieb aufgebracht, das von dem MEMS-Chip abgekehrt ist. Zum Fertigstellen des ESD/EMI-Schutzschilds muss die Metallschicht mit einem Massepotenzial des MEMS-Mikrofons auf der Trägerplatte CB kontaktiert werden. Der Kontakt kann durch Verwendung eines elektrisch leitenden Klebstoffs für die Montage des Filterchips auf oder in der Trägerplatte erreicht werden.
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13 zeigt in einem schematischen Querschnitt durch eine nur teilweise gezeigte Trägerplatte CB um die Schallöffnung SO herum eine zweite Metallschicht ML2, die von unterhalb der Trägerplatte auf das Gitter GRD aufgebracht ist, das in der unteren Schicht der Trägerplatte CB zum Überspannen der Schallöffnung SO strukturiert ist. Bei dieser Ausführungsform muss die zweite Metallschicht ML dahingehend strukturiert sein, einen Kurzschluss der Kontaktpads D auf der unteren Fläche der Trägerplatte CB zu vermeiden. Bei dieser Ausführungsform muss auch das Sieb geerdet und somit an ein Massepotenzial in Form eines Kontaktpads, das sich auf Massepotenzial befindet, angeschlossen sein.
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Ähnlich der Metallschicht auf dem Sieb MSH kann auf eines der Siebe MSH eine hydrophobe Schicht aufgebracht werden. Solch eine hydrophobe Schicht (in der Figur nicht gezeigt) kann verhindern, dass Feuchtigkeit den Filterchip bzw. das Sieb passiert. Vorzugsweise wird die hydrophobe Schicht auf die gesamte Oberfläche (das heißt, auf alle Siebseiten) des Siebs MSH, das sich neben dem MEMS-Chip MC befindet, aufgebracht. Die hydrophobe Schicht kann einen hydrophoben Film umfassen, der aus einem fluorierten Polymer besteht.
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Die Erfindung ist unter Bezugnahme auf nur einige Ausführungsformen erläutert worden, ist aber nicht auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Die Struktur des Mikrofons sowie des Gehäuses und die Anordnung des ASIC können auch auf beliebige andere Weise ausgeführt sein. Wichtig für die Erfindung ist nur das Schließen des Schallkanals durch den Filterchip mittels Überspannen der Schallöffnung in der Trägerplatte.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- MEMS-Mikrofon
- AP
- Durchlass des Filterchips
- AS
- akustische Dichtung
- BM
- Vollmaterial des Filterchips
- BP
- Rückplatte
- BV
- hinteres Volumen
- CB
- Trägerplatte
- FC
- Filterchip
- FV
- Frontvolumen
- GRD
- Gitter
- L1,L2
- erste und zweite Schicht auf dem Filterchip
- MB
- Membran
- MC
- MEMS-Chip
- ML
- Metallschicht
- MSH1, MSH2
- erstes und zweites Sieb
- PD
- Kontaktpads
- SCH
- ASIC (Halbleiterchip)
- SO
- Schallöffnung
