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Die Erfindung betrifft einen Kondensatorwandler bzw. ein Kondensatormikrofon, insbesondere einen Elektretwandler bzw. Elektretmikrofon, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Hintergrund
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Elektroakustische Kondensatorwandler im Allgemeinen bestehen prinzipiell aus zwei Elektroden: dies sind eine bewegliche und dünne, elektrisch leitende Membran, die als erste Elektrode dient, sowie als zweite Elektrode eine unbewegliche Gegenelektrode. Die Membran ist entweder metallisch, oder sie ist nicht-metallisch und beidseitig mit einer elektrisch leitenden Beschichtung versehen. Elektrode und Gegenelektrode sind in einem geringen Abstand (ca. 10 - 50 µm) zueinander angeordnet, mit einem dazwischen liegenden Luftspalt. Bei einer Sonderform des Kondensatorwandlers, dem Elektretwandler, befindet sich zwischen beiden Elektroden noch eine Elektretschicht, die das notwendige elektrische Feld zwischen den Elektroden erzeugt.
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Der Luftspalt, also der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode, kann durch einen isolierenden Abstandsring erhalten werden. Dieser kann z.B. durch Ausstanzen aus einer beispielsweise 30 µm dicken Polymer-Folie gewonnen werden, wie z.B. in JPH11-88989 A beschrieben. Er stellt jedoch ein separates Bauteil dar. Außerdem entsteht durch den Abstandsring eine Totkapazität (d.h. ein parasitärer Kondensator), der die elektroakustischen Parameter des Wandlers deutlich verschlechtert.
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Bei der Montage des Elektretwandlers werden dessen Komponenten einschließlich der Membran, des Abstandsrings und der Gegenelektrode mit Elektretschicht nacheinander bzw. „gestapelt“ in ein Gehäuse eingesetzt, weshalb man von „Stapelbauweise“ spricht. Bei der Montage eines Elektretwandlers in Stapelbauweise wird eine Vielzahl von einzelnen, z.T. sehr kleinen Bauteilen benötigt. Dabei kommt es zu einer Akkumulation von Fehlern und Bauteiltoleranzen. Allerdings ist insbesondere bei der Montage der Gegenelektrode und der Membran höchste Genauigkeit erforderlich. Die Montage in der bekannten Stapelbauweise ist daher schwierig, zeitaufwändig, fehleranfällig und teuer. Außerdem führt die Stapelbauweise dazu, dass ein Funktionstest erst nach vollständiger Montage möglich ist.
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Eine alternative Bauform ist aus
DE10 2006 042855 A1 bekannt. Wie in
1 gezeigt, ist die Elektretschicht
120 hinter der metallisch beschichteten Membran
110 (von der Einsprechöffnung
165 aus gesehen) auf der Gegenelektrode
130 angeordnet. Diese Bauform ist auch als „Back-Elektretkapsel“ bekannt. Die Membran
110 darf die Elektretschicht
120 bzw. die Gegenelektrode
130 nicht berühren, sondern muss von ihr elektrisch isoliert sein und einen Abstand einhalten. Die Isolation wird hier durch einen Isolator
140 erreicht und der Abstand wird durch einen Abschnitt
155 des Gehäuses
150 erzeugt, wie in
1 gezeigt. Der Isolator stellt jedoch, ebenso wie der Abstandsring, ein separates Bauteil dar. In der in
1 gezeigten Bauform ist die Gegenelektrode
130 über ein Verbindungselement
184 mit einer Platine
180 elektrisch verbunden. Der elektrische Anschluss der beschichteten Membran
110 an die Platine
180 kann auch über das Gehäuse
150 erfolgen, wenn dieses elektrisch leitfähig ist. Die Einsprechöffnung
165 kann mit einer luftdurchlässigen Schutzgaze
168 verdeckt sein. Bei anderen bekannten Kondensator- bzw. Elektret-Mikrofonen können zusätzlich auch ein Membranträgerring und/oder elektrische Anschlüsse der beschichteten Membran und der Gegenelektrode erforderlich sein. Weitere in
1 dargestellte Komponenten des Elektret-Mikrofons sind die Platine
180 mit elektronischen Bauteilen
182 und dem Verbindungselement
184 sowie eine Gegenkappe
170. Auch bei dieser bekannten Bauform kommt es zur Akkumulation von Bauteilfehlern und -toleranzen. Außerdem muss für jede Kapsel individuell der Isolator
140 innerhalb des Gehäuses
150 genau positioniert werden, um eine vorgegebene gewünschte Höhe des Luftspaltes einzuhalten.
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DE 10 2012 219 915 A1 zeigt ein Akustikmodul für einen Elektretwandler mit einem mindestens teilweise mit einer ersten leitfähigen Schicht versehenen Gegenelektrode und einer mindestens teilweise mit einer elektrischen Schicht versehenen Membran.
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DE 29 39 397 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen einer Elektretvorrichtung mit einem Substrat mit einer ersten leitfähigen Schicht und einer mit einer leitfähigen Schicht versehenen Membran.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines einfachen und auf möglichst wenige Bauteile beschränkten Aufbaus eines Elektretwandlers. Eine weitere Aufgabe besteht darin, den Aufbau so zu gestalten, dass die für die Funktion wesentlichen Bauteile Membran und Gegenelektrode (ggf. mit Elektretschicht) frühzeitig und möglichst vor Einbau der elektronischen Bauteile akustisch getestet werden können. Weiterhin sollen akustisch relevante Fehler und Abweichungen (Streuung) bei der Montage minimiert werden.
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Diese Aufgaben werden durch einen Elektretwandler mit einem Akustikmodul gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird ein Akustikmodul für einen Elektretwandler vorgesehen, das ein teilweise metallisiertes nichtleitendes Substrat sowie eine elektrisch leitende Membran enthält, wobei mindestens die Metallisierungsschicht des Substrats durch mechanischen Druck in das Substrat eingeprägt ist und wobei die Membran auf einem die eingeprägte Metallisierungsschicht umgebenden Rand des Substrats aufliegt. In der Bauform als Elektretwandler kann die Metallisierungsschicht des Substrats mit einer Elektretschicht versehen sein, bevor beide in das Substrat eingeprägt werden. Alternativ kann auch die leitend beschichtete Membran mit einer Elektretschicht versehen sein. Das Substrat kann durch einen sehr präzise herstellbaren Prägestempel geformt werden. Ein Vorteil der Erfindung ist, dass durch den Prägestempel der Luftspalt (d.h. der Abstand zwischen Membran und Elektretschicht), der einer der wichtigsten Parameter eines Elektretwandlers ist, sehr genau (z.B. <1 µm) eine vorgegebene Höhe einhält. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die hohe Reproduzierbarkeit des Luftspaltes, d.h. die Streuung der Höhe des Luftspaltes bei der Herstellung der Elektretwandler wird deutlich reduziert. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass sich durch entsprechende Mehrfach-Stempel aus einer Platte mehrere Substrate in einem Arbeitsgang gleichzeitig herstellen lassen.
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Der Anspruch 10 betrifft eine Elektret-Mikrofonkapsel mit einem erfindungsgemäßen Akustikmodul.
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In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Akustikmoduls gemäß Anspruch 11.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 9 und 12 bis 14 beschrieben.
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Figurenliste
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt. Darin zeigt
- 1 eine bekannte Bauform eines Elektretwandlers;
- 2-6 Zwischenprodukte der Montage eines erfindungsgemäßen Akustikmodules für einen Elektretwandler in einer ersten Ausführungsform;
- 7 ein erfindungsgemäßes Akustikmodul für einen Elektretwandler in der ersten Ausführungsform;
- 8 verschiedene Arten der Membranbefestigung für ein erfindungsgemäßes Akustikmodul;
- 9 Zwischenprodukte der Montage eines erfindungsgemäßen Akustikmodules für einen Elektretwandler in einer alternativen Ausführungsform mit einem Membranträger;
- 10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Akustikmoduls; und
- 11 eine Schnittansicht einer Elektret-Mikrofonkapsel mit einem Akustikmodul.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Im Folgenden werden an Hand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. 2 - 7 zeigen Zwischenprodukte der Montage eines erfindungsgemäßen Akustikmodules 200 für einen Elektretwandler in einem ersten Ausführungsbeispiel.
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2 zeigt einen Querschnitt durch einen Substratkörper 205, der z.B. kreisrund sein kann. Der Substratkörper ist eine Scheibe aus einem hochwertigen, temperatur- und formbeständigen Kunststoff mit sehr hohem elektrischem Oberflächen- und Durchgangswiderstand, geringer Wasseraufnahme und möglichst niedriger Dielektrizitätskonstante. Die Hochwertigkeit äußert sich z.B. auch in seiner Zähigkeit, d.h. das Material ist nicht spröde. Dafür kommen z.B. Polyetherimide/PEI (z.B. ein unter dem Handelsnamen „Ultem 1000“ vertriebenes PEI) oder Sulfon (Dimethylsulfon) in Frage. 2 zeigt auch eine im Wesentlichen mittige Bohrung 210 im Substratkörper 205, deren Zweck im folgenden Schritt erklärt wird, sowie eine gefräste oder geprägte umlaufende Nut 201.
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Der Substratkörper 205 wird zunächst beidseitig metallisiert, z.B. durch Bedampfen oder Sputtern mit entsprechenden Masken. 3 zeigt den metallisierten Substratkörper. Dabei wird auch die Bohrung 210 metallisiert, so dass eine elektrische Verbindung 212 zwischen den beiden metallisierten Oberflächen 220,221 entsteht. Nun kann die Metallisierungsschicht 220 einer Seite als Gegenelektrode verwendet werden, während die Metallisierungsschicht 221 der anderen Seite eine Kontaktfläche zu einem nachfolgenden Verstärkerbaustein (FET, IC etc.) verwendet wird. Dabei ist es wichtig, dass zumindest auf einer Seite die Metallisierungsschicht 220 nicht die gesamte Oberfläche des Substratkörpers 205 bedeckt, sondern zumindest einen umlaufenden äußeren Rand freilässt.
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Grundsätzlich können die beiden Metallisierungsschichten 220,221 auch auf andere Art miteinander elektrisch verbunden werden (z.B. über einen äußeren Ring etc.), so dass u.U. auf die Bohrung 210 verzichtet werden kann.
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Wie in 4 dargestellt, wird im nächsten Schritt auf die Metallisierungsschicht 220 der ersten Seite, die als Gegenelektrode dienen soll, eine gleichmäßige Elektretschicht 230 aufgebracht. Es kann sich z.B. um eine dünne Fluorethylen-Propylen (FEP)-Folie gleichmäßiger Stärke handeln (z.B. im Bereich 10 - 30 µm), die direkt auf die Metallisierungsschicht 220 geklebt wird. Die Elektretschicht 230 kann die Metallisierungsschicht 220 teilweise oder vollständig bedecken, geht aber nicht darüber hinaus.
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Anschließend werden ein oder mehrere Löcher 215 in die gesamte Baugruppe eingebracht, z.B. mechanisch oder durch Laserstrahl gebohrt. Die Löcher 215 befinden sich im mittleren, metallisierten Bereich, wie in 5 gezeigt, und stellen später die akustische Verbindung zwischen dem Luftvolumen unter der Membran und dem Rückvolumen des akustischen Wandlers (bzw. der Umgebungsluft) dar. Ohne wenigstens ein Loch 215 wäre die Membran nur sehr eingeschränkt schwingfähig und der Wandler hätte eine sehr niedrige Empfindlichkeit. Die Löcher 215 können jedoch im Prinzip auch nach dem Prägen eingebracht werden.
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Ein wichtiger Schritt ist das nun folgende Prägen einer Vertiefung in den Substratkörper, die später den Luftspalt bildet. Dabei wird das Substrat bis über die sogenannte Glasübergangstemperatur von beispielsweise ca. 240°C erhitzt und dann z.B. mit einem Stempel ein Druck auf einen mittleren Bereich der ersten Seite des erhitzten Substrats ausgeübt.
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Dieser Bereich umfasst mindestens den von der ersten Metallisierungsschicht 220 und der Elektretschicht 230 bedeckten Bereich. Das Elektretmaterial hat eine höhere Glasübergangstemperatur (z.B. 300°C) als das Substrat und wird daher, ebenso wie das Metall, durch das Prägen nicht verformt. Mindestens ein Teil des Randes wird nicht (oder nur weniger als der mittlere Bereich) von dem Stempel eingeprägt. Auf Grund der Zähigkeit und der Temperatur- und Formbeständigkeit des Substratmaterials zerfällt das Substrat nicht, sondern verformt sich im Wesentlichen plastisch; ein nicht-metallisierter Rand bleibt stehen, der die erste Metallisierungsschicht 220 und die Elektretschicht 230 umgibt. Direkt auf diesem nicht-metallisierten Rand des Substrats wird später die Membran 240 aufgebracht und z.B. verklebt. Die Höhe des Randes bzw. die Tiefe der Prägung definiert dadurch den Abstand t zwischen der Elektretschicht 230 und der Membran 240, der den Luftspalt bildet. Dabei kann es beim Prägen auch passieren, dass die erste Metallisierungsschicht 220 und/oder die Elektretschicht 230 in das Substrat eingedrückt werden. In jedem Fall entspricht die Tiefe t der Prägung zwischen dem mittleren Bereich und dem ihn umgebenden Rand dem Abstand zwischen der Gegenelektrode (einschließlich Elektretschicht) und der Membran. Diese Tiefe bzw. dieser Abstand verschafft nicht nur der Membran Raum zum Schwingen, sondern bestimmt maßgeblich die elektroakustischen Parameter des Wandlers und kann durch die Form des Prägestempels sehr genau auf einen gewünschten Wert eingestellt werden, z.B. auf t = 45 µm. Grundsätzlich ist der Abstand t in weiten Grenzen variabel wählbar, z.B. zwischen 10 und 100 µm. Dabei lässt sich der gewählte Wert bei hoher Genauigkeit (<1µm) und hoher Reproduzierbarkeit, d.h. geringer Streuung, einstellen. Ein typischer Wert kann z.B. zwischen 10 und 50 µm liegen. Maßgeblich dafür ist die Form des Stempels.
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Dabei bietet das Prägeverfahren gegenüber dem Stand der Technik den weiteren Vorteil, dass kein separates Bauteil vorgesehen werden muss, um den Luftspalt (d.h. den Abstand zwischen Gegenelektrode und Membran) präzise einzuhalten.
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6 zeigt das beschichtete Substrat 205 nach dem Prägen. Ein kleiner Ausschnitt zeigt den Rand der eingeprägten Vertiefung im Detail. Weiterhin ist beispielhaft eine Draufsicht auf die Baugruppe in diesem Zustand dargestellt. Der mittlere beschichtete Bereich 220, 230 mit Löchern 215 und der ihn umgebende, nicht beschichtete Bereich 205a sind durch die Prägung vertieft. An der Kante 205b der eingeprägten Vertiefung beginnt ein konzentrischer, erhöhter Randbereich 205c, auf dem später die Membran aufgebracht wird. Außerdem ist eine umlaufende äußere Nut 201 vorhanden.
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Wie in 7 gezeigt, kann die Membran 240 nach dem Prägen über die Baugruppe gespannt und im Außenbereich in der Nut 201 mit dem Substrat verklebt werden. Dabei können unterschiedliche Formen der Nut verwendet werden. Die in 7 gezeigte umlaufende Nut 201 bietet eine relativ große Klebefläche. Alternativen sind in 8 dargestellt. Die in 8 a) gezeigte Fase 201' ist einfacher herzustellen als die Nut. Die in 8 b) gezeigte Nutfüllung 201" bis über die gesamte Baugruppen- bzw. Substrathöhe bietet eine sehr große Klebefläche und außerdem die Möglichkeit, den Durchmesser bzw. die äußere Form des (ursprünglich z.B. kreisrunden) Substrats zu verändern. Als weitere Option kann die Membran 240 durch einen Spannring 250 gespannt und optional auch verklebt werden, wie in 8 c) dargestellt. Dadurch entsteht eine zweite Variante des Akustikmoduls 200'. Dabei kann der Spannring 250 auch zur elektrischen Kontaktierung der Membran 240 genutzt werden.
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9 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Akustikmoduls 200", bei der auf dem Substrat keine Nut vorgesehen wird. Dadurch wird die Herstellung des Substrats vereinfacht. Dabei entsprechen die in 9 a) - g) gezeigten Zwischenprodukte denjenigen aus 1 - 6 und 8 c) (Darstellung in 9 a) - f) ist leicht gestaucht). Im Unterschied zu den vorher beschriebenen Ausführungsformen wird hier die Membran 240 erst auf den Trägerring 255 aufgebracht, z.B. geklebt, und dann mit diesem zusammen auf die Substratbaugruppe gesetzt. In dieser Ausführungsform schließt das Akustikmodul daher oben (d.h. in Richtung der Einsprechöffnung) mit einem Trägerring 255 ab, während die vorher beschriebenen Ausführungsformen nach oben hin eben (plan) sein können. Daher ist dann bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen z.B. ein aufliegender Abstandsring oder eine Stufe im Gehäuse nötig, um der Membran Raum zum Schwingen zu geben.
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In allen oben beschriebenen Ausführungsformen wird ein elektrischer Anschluss an der Beschichtung der Membran 240 und der andere elektrische Anschluss an der als Kontaktfläche dienenden zweiten Metallisierungsschicht 221 angebracht, die durch eine elektrisch leitende Verbindung 212 mit der Gegenelektrode 220 verbunden ist.
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Abweichend von den oben beschriebenen Beispielen, oder zusätzlich, kann die Elektretschicht prinzipiell auch auf dem mittleren Bereich der Membran statt auf der Metallisierungsschicht aufgebracht werden, oder die Membran kann aus Elektretfolie (z.B. FEP-Folie) hergestellt werden. Dabei erhöht sich allerdings die Masse der schwingenden Membran, was im Allgemeinen nachteilig ist. Auch hat Elektretfolie normalerweise nachteilige mechanische Eigenschaften, weshalb sie als Membran nicht gut geeignet ist.
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Das so erhaltene erfindungsgemäße Akustikmodul für einen Elektretwandler enthält ein an der Oberfläche teilweise metallisiertes, nichtleitendes Substrat 205,205' sowie eine elektrisch leitende Membran 240, wobei mindestens die als Gegenelektrode fungierende Metallisierungsschicht 220 des Substrats durch mechanischen Druck in das Substrat eingeprägt ist und wobei die Membran 240 auf einem die eingeprägte Metallisierungsschicht umgebenden Rand 205c des Substrats aufliegt, der bei der Prägung entsteht. Bei Bedarf ist es weiterhin möglich, zwischen den Rand des Substrats und die Membran eine weitere Schicht einzufügen (z.B. eine Klebstoffschicht), wobei sich aber der Abstand zwischen der Membran und der Gegenelektrode vergrößern kann. Allerdings muss diese Schicht eine reproduzierbar gleichmäßige Dicke haben, weil sonst Abweichungen in der Luftspalthöhe entstehen. Dies kann jedoch schwierig sein. Das erfindungsgemäße Akustikmodul lässt sich separat testen, bevor es mit weiteren Komponenten, z.B. einer elektronischen Schaltung, Anschlussleitungen, Schutzgaze etc., in ein Mikrofongehäuse eingebaut wird. Dabei sind für den Test die elektrischen Anschlüsse leicht zugänglich.
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10 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Akustikmoduls für einen Elektretwandler. Das Verfahren 300 enthält mindestens die folgenden Schritte: mindestens einseitiges, teilweises Beschichten 310 eines nichtleitenden Substrats mit einer elektrisch leitenden Schicht (z.B. erste Metallisierungsschicht 220), Kontaktieren 320 der elektrisch leitenden Schicht von der gegenüberliegenden Seite des Substrats (z.B. durch Bohren und Beschichtung erhaltene Durchkontaktierung 212), Beschichten 330 der elektrisch leitenden Schicht 220 mit einer Elektretschicht 230, Einprägen 340 mindestens des beschichteten Bereichs in das Substrat, wobei ein die eingeprägte Beschichtung umgebender, erhöhter Rand 205c des Substrats stehenbleibt, und Aufbringen 350 einer elektrisch leitfähigen Membran 240 auf den Rand des Substrats. Die Durchkontaktierung 212 kann auf der Gegenseite des Substrats mit einer zweiten Metallisierungsschicht 221 oder z.B. einer Lötstelle verbunden sein, um den elektrischen Anschluss der Gegenelektrode zu ermöglichen. Das Einprägen 340 kann mit einem Erwärmen des beschichteten Substrats verbunden sein.
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Optionale weitere Schritte des Verfahrens umfassen das Beschichten des Substrats mit einer zweiten elektrisch leitenden Schicht auf der gegenüberliegenden Seite, das Bohren mindestens eines Lochs 215 durch das beschichtete Substrat zur akustischen Anbindung, das Durchführen eines Funktionstests mit dem Akustikmodul und den Einbau des erfolgreich getesteten Akustikmoduls in ein Gehäuse, wobei es mit einem oder mehreren elektrischen Anschlüssen und/oder elektronischen Bauteilen (z.B. FET) verbunden werden kann.
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In einer Ausführungsform betrifft die Erfindung eine Elektret-Mikrofonkapsel oder ein Elektret-Mikrofon mit einem Akustikmodul wie oben beschrieben. 11 zeigt exemplarisch eine Elektret-Mikrofonkapsel 400 mit einem Akustikmodul 200 in einem Gehäuse 410, das an der Oberseite Einsprechlöcher 420 aufweist. Diese können in bekannter Weise durch Gaze geschützt sein (nicht dargestellt). Ein Abstandsring 430 kann zwischen dem Akustikmodul 200 und der Oberseite des Gehäuses 410 vorgesehen sein, um der Membran Raum zum Schwingen zu geben. Dies kann auch der Membranträgerring 255 sein. Hinter dem Akustikmodul 200 befindet sich ein Luftvolumen 450, das mit dem hinter der Membran 240 befindlichen Luftvolumen durch die Bohrungen 215 akustisch verbunden ist. Über eine Kontaktierung 440 ist die Gegenelektrode des Akustikmoduls 200 mit einer Leiterplatte 460 verbunden, die elektronische Bauteile und auch die äußeren Anschlüsse (nicht dargestellt) aufweisen kann. Die Membran kann durch eine weitere elektrische Verbindung (nicht dargestellt) mit der Leiterplatte 460 verbunden sein, z.B. die leitfähige Innenseite des Gehäuses 410 oder eine weitere Durchkontaktierung.
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Alle offenbarten Varianten können auch miteinander kombiniert werden, auch wenn eine solche Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist. Mit dem Begriff Wandler sind generell Schallwandler gemeint.
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Die Erfindung ist vorteilhaft für Schallwandler, insbesondere für Elektretmikrofone und Elektret-Mikrofonkapseln nutzbar. Obwohl in den Beispielen nur Elektretwandler genannt werden, kann die Erfindung grundsätzlich auch für Kondensatorwandler im Allgemeinen verwendet werden.
