DE102020108527B4

DE102020108527B4 - Mikrofonkomponente und verfahren zur herstellung einer mikrofonkomponente

Info

Publication number: DE102020108527B4
Application number: DE102020108527.3A
Authority: DE
Inventors: Pirmin Hermann Otto Rombach; Dennis Mortensen
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2040-03-28
Also published as: DE102020108527A1; US11736845B2; US20230308792A1; US20210306728A1

Abstract

Eine Mikrofonkomponente (1) weist eine Membran (2) und eine Rückplatte (3) auf, wobei die Membran (2) eine Vielzahl von Löchern (5) aufweist, wobei die Löcher (5) Durchmesser (d) aufweisen, die kleiner als 5 µm sind. Die Löcher (5) können für Druckausgleich zwischen einem Vordervolumen und einem Rückvolumen der Mikrofonkomponente (1) vorgesehen sein.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrofonkomponente, insbesondere eine MEMS-Mikrofonkomponente (MEMS, micro-electrical-mechanical systems - mikroelektromechanisches Systeme). Insbesondere weist die Mikrofonkomponente eine Membran für den Empfang eines akustischen Eingangssignals auf. Solch eine Mikrofonkomponente kann zum Beispiel in einem Mikrofon für ein Headset verwendet werden.
MEMS-Mikrofone können während der Komponentenmontage in Telefone, aber auch während des Betriebs, extremem Luftdruck ausgesetzt sein. Als Beispiel kann es an der Membran zu Überdruckpegeln von 7 bar kommen. Solche hohen Drücke können zu einer Beschädigung der Membran und/oder der Rückplatte führen. Daher ist ein hoher Grad an Robustheit gegen hohen Luftdruck erforderlich.
Dem Problem von Überdruck kann dadurch begegnet werden, dass der Druckabfall über die Membran reduziert wird, indem der Druck zwischen dem Vordervolumen und dem Rückvolumen des Mikrofons schnell genug ausgeglichen wird, um den Druckabfall niedrig zu halten. Die US 2013/0223654 A1 offenbart einstellbare Ventilationsöffnungen in einem Außenbereich der Membran. Die US 2017 230 757 A1 offenbart ein Mikrofon, bei dem eine Membran ein einziges zentrales Lüftungsloch zur Bereitstellung von Luftdruckausgleich zwischen einem Vordervolumen und einem Rückvolumen des Mikrofons aufweist. Mehrere kleinere Lüftungslöcher können eine Doppelfunktion als Freisetzungslöcher erfüllen, um dem Oxid-Ätzmittel zu helfen, in den Spalt einzutreten und die Struktur am Ende des MEMS-Chip-Fertigungsprozesses freizulegen.
Die nachveröffentlichte Druckschrift DE 10 2019 123 077 A1 offenbart ein Mikrofon in einem Doppelmembran-Design, bei dem eine Rückplatte zwischen zwei Membranen angeordnet ist. Die Membranen weisen eine Vielzahl von kleinen Löchern auf, durch die ein Ätzmedium im Herstellungsprozess eintreten kann.
Obgleich durch das Öffnen von Ventilationskanälen während schneller Anstiege oder Bereitstellen eines zentralen Lochs in der Membran eine Reduzierung des Druckabfalls ermöglicht wird, wird jedoch die Genauigkeit für den LFRO (low frequency roll-off, Niederfrequenz-Pegelabfall) für hohe akustische Signale vermindert.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer verbesserten Mikrofonkomponente.
Gemäß einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Mikrofonkomponente, die eine Membran und eine Rückplatte aufweist, insbesondere eine MEMS-Mikrofonkomponente. Die Mikrofonkomponente kann als Kondensator fungieren, wobei eine erste Kondensatorplatte durch die Membran gebildet wird und eine zweite Kondensatorplatte durch die Rückplatte gebildet wird. Es kann eine Vorspannung an die Membran oder Rückplatte angelegt werden. Ein Auslenken der Membran aufgrund von Schalldruck ändert die Kapazität zwischen der Membran und der Rückplatte, was zu einem elektrischen Ausgangssignal führt. Die Mikrofonkomponente kann mit einer elektrischen Signalverarbeitungsschaltung, wie zum Beispiel einer ASIC, verbunden sein.
Die Mikrofonkomponente kann in MEMS-Technologie hergestellt sein. Insbesondere kann zur Herstellung der Membran und der Rückplatte ein Ätzprozess verwendet werden. Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform hat die Mikrofonkomponente ein Einzelmembrandesign. Demgemäß weisen die Mikrofonkomponente und das sich ergebende Mikrofon nur eine einzige Membran zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals aus einem akustischen Eingangssignal auf. Die Membran und die Rückplatte können auf einem Substrat gehalten werden. Die Membran kann sich auf der Seite des akustischen Eingangs des Mikrofons befinden, und die Rückplatte kann sich oben auf der Membran mit einem Spalt zu der Membran befinden. Es ist auch möglich, dass die Mikrofonkomponente ein Einzelmembran- und Doppelrückplattendesign hat. In diesem Fall kann sich die einzige Membran zwischen zwei Rückplatten befinden.
Die Membran umfasst mehrere Löcher. Der Durchmesser der Löcher ist kleiner als 5 µm. Bei speziellen Ausführungsformen sind die Durchmesser der Löcher gleich oder kleiner als 2 µm.
Löcher mit solchen kleinen Durchmessern ermöglichen einen schnellen Druckausgleich bei hohen Drucklasten. Insbesondere weist der Strömungswiderstand kleiner Löcher bei zunehmendem Druckabfall eine geringere Zunahme als der Strömungswiderstand eines Lochs mit einem größeren Durchmesser auf. Dies lässt sich durch das weniger turbulente Verhalten von Luftströmung durch ein kleines Loch erklären. Somit ist die Bereitstellung vieler kleiner Ventilationslöcher statt eines oder einiger weniger größerer Ventilationslöcher mit dem Vorteil verbunden, dass der Druckabfall zwischen dem Vordervolumen und dem Rückvolumen bei hohen Druckabfällen schneller ausgeglichen werden kann. Dies verbessert die Robustheit der Mikrofonkomponente bei Beaufschlagung mit hohem Druck.
Die Löcher können zusätzlich oder alternativ Zugang zu dem Ätzmittel während eines späteren Entfernens der Opferschicht ermöglichen. Aufgrund der kleinen Größe der Löcher können keine Partikel, die größer als der Lochdurchmesser sind, nach der Herstellung in das Mikrofon eintreten.
Die Anzahl von Löchern in der Membran kann mindestens 100 betragen. Die Anzahl von Löchern kann mehrere Hundert oder mehrere Tausend betragen.
Die hohe Anzahl von kleinen Löchern ermöglicht einen schnellen Druckausgleich bei mittlerem und auch bei hohem Überdruck.
Zusätzlich dazu ermöglicht die hohe Anzahl von kleinen Löchern das Halten des LFROs auf der gleichen Höhe wie für eine Membran mit einigen wenigen größeren Löchern oder einem einzigen größeren Loch.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform werden die Anzahl und die Durchmesser von Löchern so eingestellt, dass ein voreingestellter Wert des Niederfrequenz-Frequenzabfalls erreicht wird. Der Durchmesser des Lüftungslochs wirkt sich auf die Niederfrequenzleistung des Mikrofons aus, so dass der Widerstand des Lüftungslochs und die Kapazität des Hohlraums als ein Niederfrequenz-Sperrfilter wirken. Als Beispiel können die Durchmesser der Löcher auf einen speziellen Wert, wie zum Beispiel einen Mindestwert, der durch Technologien, wie zum Beispiel reaktives Ionenätzen, gefertigt werden kann, eingestellt werden. Die Anzahl von Löchern wird so ausgewählt, dass der voreingestellte Wert des Niederfrequenz-Pegelabfalls erreicht wird.
Alle Löcher in der Membran können den gleichen Durchmesser haben. Bei einigen Ausführungsformen kann die Membran Löcher mit verschiedenen Durchmessern aufweisen. Zum Beispiel können erste Löcher mit einem ersten Durchmesser, der kleiner als 5 µm ist, als Löcher zum Ermöglichen eines Druckausgleichs vorgesehen werden. Darüber hinaus können zweite Löcher mit einem zweiten Durchmesser, der kleiner als 5 µm, aber größer als die ersten Löcher sind, in erster Linie als Freisetzungslöcher vorgesehen werden, um dem Oxidätzmittel dabei zu helfen, in den Spalt einzutreten und die Struktur am Ende des MEMS-Chip-Fertigungsprozesses freizulegen. Die Anzahl von ersten Löchern kann größer als die Anzahl von zweiten Löchern sein. Die Anzahl von zweiten Löchern ist so, dass sich die zweiten Löcher störend auf die Funktion der ersten Löcher auswirken.
Bei einer Ausführungsform können die Löcher über die gesamte oder fast die gesamte Membranfläche verteilt sein. Insbesondere können die Löcher gleichmäßig über die Membranfläche verteilt sein. Ein Trägerbereich zum Tragen der Membran auf einem Substrat kann frei von Löchern sein.
Bei einigen Ausführungsformen können Bereiche der Membran, die die größte mechanische Beanspruchung bei hohen Drucklasten erfahren, frei von irgendwelchen Löchern sein. Als Beispiel kann ein Bereich, der direkt an den Trägerbereich angrenzt, frei von irgendwelchen Löchern sein. Dieser Bereich kann sich von dem Trägerbereich bis zu einem Abstand von mindestens 20 µm von dem Trägerbereich erstrecken. Bei einigen Ausführungsformen kann der Abstand zum Beispiel in einem Bereich von 50 µm bis 100 µm liegen.
Alternativ oder zusätzlich kann ein zentraler Bereich der Membran frei von irgendwelchen Löchern sein. Alternativ ist die Anzahl von Löchern pro Fläche in dem zentralen Bereich kleiner als die Anzahl von Löchern pro Fläche in einem Bereich außerhalb des zentralen Bereichs.
Das Bereitstellen eines zentralen Bereichs ohne Löcher oder eines zentralen Bereichs mit weniger Löchern ist mit dem Vorteil verbunden, dass ein Druckimpuls über eine größere Membranfläche verteilt werden kann, bevor er die kleineren Löcher zum Ablassen der Luft erreicht.
Die Größe des zentralen Bereichs kann von der erwarteten Frequenzantwort und dem auf diesen Bereich einwirkenden Druckimpuls abhängig sein. Als Beispiel kann der zentrale Bereich einen Radius von 1/10 oder 1/5 oder sogar mehr des Gesamtradius der verformbaren Membranfläche aufweisen.
Die Löcher können sich innerhalb eines kreisförmigen Ringbereichs der Membran befinden. Der kreisförmige Ringbereich kann durch einen ersten Radius und einen zweiten Radius definiert sein. Die Anzahl von Löchern pro Fläche außerhalb des Ringbereichs kann kleiner als die Anzahl von Löchern pro Fläche in dem kreisförmigen Ringbereich sein, oder die Anzahl von Löchern außerhalb des Ringbereichs kann frei von irgendwelchen Löchern sein.
Der Bereich, in dem sich die Löcher befinden, kann eine andere geometrische Form als ein kreisförmiger Ring aufweisen. Insbesondere kann die Form von der Form der Membran abhängig sein. Als Beispiel kann die Membran eine rechteckige oder ovale Form aufweisen. In diesem Fall kann der Bereich, in dem sich die Löcher befinden, eine rahmenartige Form mit einer rechteckigen oder ovalen Geometrie aufweisen.
Die Rückplatte kann weitere Löcher aufweisen. Die weiteren Löcher können einen Durchmesser von ca. 5 µm bis 20 µm haben. Die weiteren Löcher dienen dazu, den akustischen Widerstand der Komponente zu reduzieren. Die weiteren Löcher können im Vergleich zu den Löchern in der Membran groß ein. Als Beispiel kann der Durchmesser der weiteren Löcher in der Rückplatte mindestens das Doppelte des Durchmessers der Löcher in der Membran betragen.
Die Löcher in der Membran können in einer Draufsicht der Rückplatte innerhalb der Rückplattenlöcher positioniert sein. Dies ist mit der technischen Wirkung verbunden, dass die Löcher in der Rückplatte nicht zu einer Änderung des akustischen Widerstands der Membranventilationslöcher führen.
Die Anzahl von weiteren Löchern in der Rückplatte kann größer als die Anzahl von Löchern in der Membran sein. Als Beispiel können die weiteren Löcher in der Rückplatte auch in Bereichen positioniert sein, in denen die Membran frei von irgendwelchen Löchern ist oder eine geringere Anzahl von Löchern aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der im Vorhergehenden beschriebenen Mikrofonkomponente. Insbesondere umfasst die Mikrofonkomponente mehrere Löcher mit Durchmessern, die kleiner als 5 µm sind.
Im Verfahren wird ein Wert für Niederfrequenz-Pegelabfall ausgewählt, und es wird ein Durchmesser der Löcher in der Membran ausgewählt. Die Anzahl von Löchern wird so ausgewählt, dass der ausgewählte Wert für Niederfrequenz-Pegelabfall oder -sperrung in der Mikrofonkomponente erreicht wird. Als Beispiel kann der Durchmesser der Löcher so klein wie möglich ausgewählt werden, um den Widerstand über das Loch auch für hohen Druck konstant zu halten. Die Anzahl von Löchern kann dahingehend eingestellt werden, die gewünschten Eigenschaften zu erreichen. Die erforderliche Anzahl von Löchern kann durch ein Simulationswerkzeug oder durch Testen bestimmt werden.
Als Beispiel können die Löcher in der Membran durch einen Ätzprozess, wie zum Beispiel reaktives Ionenätzen, eingebracht werden.
Die vorliegende Offenbarung umfasst mehrere Aspekte einer Erfindung. Jedes Merkmal, das bezüglich eines der Aspekte beschrieben wird, ist hier auch bezüglich des anderen Aspekts offenbart, selbst wenn das jeweilige Merkmal im Zusammenhang mit dem speziellen Aspekt nicht explizit erwähnt wird.
Weitere Merkmale, Ausgestaltungen und Zweckmäßigkeiten gehen aus der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren hervor.

1A zeigt eine Ausführungsform einer Mikrofonkomponente in einem Längsschnitt,
1B zeigt einen Ausschnitt der Rückplatte des Mikrofons aus 1 in einer perspektivischen Ansicht von der Rückseite,
2A zeigt eine Rückplatte einer Ausführungsform einer Mikrofonkomponente in einer Draufsicht,
2B zeigt eine Membran der Ausführungsform der Mikrofonkomponente mit der Rückplatte aus 2A,
3 zeigt ein Diagramm des Strömungswiderstands über dem Druckabfall für verschiedene Lochdurchmesser in einer Membran,
4 zeigt ein Diagramm des Druckabfalls über der Zeit für verschiedene Mengen von Ventilationslöchern mit verschiedenen Durchmessern in einer Membran.

Elemente mit der gleichen Struktur und/oder Funktionalität können in den Figuren mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet werden. Es versteht sich, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen veranschaulichende Darstellungen sind und nicht zwangsweise maßstäblich gezeichnet sind.
1A zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Mikrofonkomponente 1, insbesondere einer MEMS-Mikrofonkomponente.
Die Mikrofonkomponente 1 weist eine verformbare Membran 2 für den Empfang eines akustischen Eingangssignals auf. Die Komponente 1 weist ferner eine Rückplatte 3 auf. Die Membran 2 fungiert als eine bewegliche Elektrode, und die Rückplatte 3 fungiert als eine Gegenelektrode, insbesondere eine nicht verformbare, steife Gegenelektrode. Die Membran 2 und die Rückplatte 3 werden von einem Substrat 4 getragen. Insbesondere weist die Membran 2 einen Trägerbereich 10 auf, der auf dem Substrat 4 fixiert ist. Die Rückplatte 3 weist einen weiteren Trägerbereich 12 auf, der über Isolationsteile und die Membran 2 auf dem Substrat 4 fixiert ist.
Es kann eine Vorspannung zwischen der Membran 2 und der Rückplatte 3 angelegt werden. Wenn die Membran 2 unter einem akustischen Eingangssignal auslenkt, ändert sich die Kapazität zwischen der Membran 2 und der Rückplatte 3, was zu einem elektrischen Ausgangssignal führt. Dementsprechend fungieren die Membran 2 und die Rückplatte 3 als ein Wandler zur Umwandlung eines akustischen Eingangssignals in ein elektrisches Signal. Ein Mikrofon kann die Mikrofonkomponente 1, insbesondere ein MEMS-Chip, und eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung eines elektrischen Signals, insbesondere einen ASIC-Chip, umfassen.
Die Membran 2 weist eine Vielzahl von Löchern 5 auf. Die Löcher 5 können Durchmesser haben, die kleiner als 5 µm sind. Als Beispiel können die Löcher 5 Durchmesser haben, die kleiner gleich 2 µm sind. Ferner sind Durchmesser von 1,5 µm und nur 0,5 µm oder sogar noch kleiner möglich. Alle Löcher 5 können den gleichen Durchmesser haben. Die Anzahl von Löchern in der Membran kann zum Beispiel mehrere Hundert oder mehrere Tausend betragen.
Durch solche kleinen Ventilationslöcher 5 kann der Strömungswiderstand selbst bei hohen Druckgradienten konstant gehalten werden. Im Gegensatz dazu haben große Ventilationslöcher 5 einen zunehmenden Widerstand mit zunehmenden Druckgradienten. Der zunehmende Widerstand kann aufgrund der Entstehung von Turbulenzen am Loch bei starker Luftströmung entstehen. Demgemäß gestatten große Ventilationslöcher 5 möglicherweise keinen schnellen Ausgleich des Drucks zwischen dem Vordervolumen und dem Rückvolumen (siehe auch 3 und die Beschreibung hierzu).
Die Rückplatte 3 weist weitere Löcher 6 auf, die zur Verringerung des akustischen Widerstands der Mikrofonkomponente 1 vorgesehen sein können. Die weiteren Löcher 6 sind größer als die Löcher 5 in der Membran. Als Beispiel können die weiteren Löcher 6 Durchmesser von 5 bis 20 µm haben. Die Löcher 5 in der Membran 2 können Durchmesser von höchstens der Hälfte der Durchmesser der weiteren Löcher 6 in der Rückplatte 3 haben.
Die Löcher 5 und die weiteren Löcher 6, die in 1A gezeigt sind, sind nur konzeptionell. Die Anzahl der Löcher 5 und der weiteren Löcher 6 kann signifikant höher sein.
1B zeigt einen Teil der Rückplatte 3 der Mikrofonkomponente 1 aus 1 in einer perspektivischen Draufsicht auf die Rückplatte 3. Die Position des in 1A gezeigten Querschnitts wird durch die Linie A--A' angezeigt.
Wie in 1B deutlich zu sehen ist, können die Löcher 5 in der Membran 2 so konfiguriert sein, dass sie bezüglich der weiteren Löcher 6 in der Rückplatte 3 lateral zentriert sind. Die Membran 2 kann so viele Löcher wie die Rückplatte 3 haben. Die Membran 2 kann eine geringere Anzahl von Löchern als die Rückplatte 3 haben.
2A zeigt eine Rückplatte 3, und 2B zeigt eine Membran 2 einer Ausführungsform einer Mikrofonkomponente. Die Mikrofonkomponente kann die Mikrofonkomponente 1 der 1A und 1B sein. Wie in 2A zu sehen ist, hat die Rückplatte 3 eine Vielzahl von Löchern 6. Die Löcher 6 können gleichmäßig über die gesamte Fläche der Rückplatte 3 verteilt sein.
Ein Trägerbereich 12, in dem die Rückplatte 3 auf dem Substrat getragen wird, kann frei von jeglichen Löchern sein.
Da die Rückplatte 3 keine signifikante Verformung erfährt und keine signifikante mechanische Beanspruchung zeigt, können die Löcher in der Rückplatte 3 auch in einem direkt an den Trägerbereich 12 angrenzenden Bereich positioniert sein.
Wie in 2B zu sehen ist, befinden sich die Löcher 5 in der Membran 2 innerhalb eines durch einen Innenradius r1 und einen Außenradius r2 definierten kreisförmigen Ringbereichs 8. Die Löcher 5 sind innerhalb des kreisförmigen Ringbereichs 8 gleichmäßig verteilt. Ein Außenbereich 9, der direkt an den kreisförmigen Ringbereich 8 angrenzt und sich ganz bis zum Rand 11 der Membran 2 erstreckt, weist keinerlei Löcher 5 auf.
Der Außenbereich 9 umfasst den Trägerbereich 10, in dem die Membran 2 auf dem Substrat 4 getragen wird, und umfasst einen zusätzlichen Abstandsbereich 21. Dementsprechend befinden sich die Löcher 5 in einem Abstand a von dem Trägerbereich 10. Der Abstand a kann zum Beispiel mindestens 20 µm sein. Der Abstand a kann zum Beispiel zwischen 50 und 100 µm sein. Der Abstandsbereich 21 ist ein Bereich, in dem es während der Auslenkung der Membran 2 zu einer hohen mechanischen Beanspruchung kommen kann und wird deshalb von den Löchern 5 freigehalten.
3 zeigt ein Diagramm des Strömungswiderstands R pro Loch 5 der Membran 2 über dem Druckabfall ΔP zwischen dem Vordervolumen und dem Rückvolumen. Der Druckabfall ΔP ist die Differenz zwischen Druck im Vordervolumen und im Rückvolumen, d.h., der Druckgradient.
Die verschiedenen Kurven d2, d5, d6, d9 zeigen Ergebnisse für die Löcher 5 in der Membran 2 mit den Durchmessern d von

d2: ca. 2 µm; genau 1,88 µm
d5: ca. 5 µm; genau 4,6 µm
d6: ca. 6 µm; genau 5,72 µm
d9: ca. 9 µm; genau 9 µm.

Die gestrichelten Linien und durchgezogenen Linien ergeben sich aus zwei verschiedenen Simulationsverfahren. Wie deutlich zu sehen ist, ist der Strömungswiderstand R für kleinere Löcher größer, bleibt aber mit zunehmendem Druckabfall im Vergleich zu größeren Löchern auf einem konstanteren Wert. Eine Zunahme des Strömungswiderstands R für einen festgelegten Lochdurchmesser d kann durch turbulentes Verhalten bei einem erhöhten Druckabfall ΔP erklärt werden. Kleinere Löcher 5 zeigen jedoch ein weniger turbulentes Verhalten der Luftströmung und daher eine geringere Zunahme des Strömungswiderstands R bei zunehmendem Druck.
4 zeigt ein Diagramm des Druckabfalls ΔP über die Zeit T über die Membranen 2 mit unterschiedlichen Anzahlen N und Größen von Löchern 5 bei Anlegen eines verstärkten Druckabfalls ΔP bis zu einem Maximalpegel. Demgemäß wird eine Druckrampe PR angesteuert.
Die gestrichelten Linien und durchgezogenen Linien ergeben sich aus zwei verschiedenen Simulationsverfahren. Insbesondere ergeben sich die durchgezogenen Linien aus einem 3D-FEM-Modell (FEM - finite element method, Finite-Elemente-Methode) und die gestrichelten Linien aus einem 2D-FEM-Modell.
Für verschiedene Anzahlen von Löchern 5 sind die Durchmesser d so eingestellt, dass der Niederfrequenz-Pegelabfall (LFRO) konstant ist. Im vorliegenden Fall kann der LFRO auf 35 Hz eingestellt sein. Es ist auch möglich, dass der Durchmesser d der Löcher 5 so ausgewählt wird und dass die Anzahl N von Löchern 5 so eingestellt wird, dass der Niederfrequenz-Pegelabfall (LFRO) konstant ist. Im Allgemeinen bestimmen der Durchmesser und die Löcher den Gesamtwiderstand der Lüftungslöcher 5. Wenn der Gesamtwiderstand verringert ist, wird der Pegelabfall auf eine kleinere Frequenz verschoben.
In einem Verfahren zur Herstellung einer Mikrofonkomponente 1 kann ein Mindestdurchmesser d der Löcher 5 durch die verwendete Technologie definiert werden. Die Löcher 5 können durch einen Ätzprozess, wie zum Beispiel reaktives Ionenätzen, in die Membran 2 eingebracht werden. Bei gegebenem Mindestdurchmesser d der Löcher 5 wird die Anzahl N der Löcher 5 so ausgewählt, dass ein spezieller LFRO erreicht wird.
Die verschiedenen Kurven N4, N8, N16, N32 zeigen Ergebnisse für die folgende Anzahl von Löchern und die folgenden Durchmesser jedes der Löcher:

N4: 4 Löcher; Durchmesser 7,2 µm
N8: 8 Löcher; Durchmesser 5,7 µm
N16: 16 Löcher; Durchmesser 4,6 µm
N32: 32 Löcher; Durchmesser 3,6 µm

Wie in 4 zu sehen ist, werden die Kurven bei zunehmender Anzahl N und abnehmendem Durchmesser d der Löcher zunehmend flacher. Der Druckabfall ΔP erreicht bei zunehmender Anzahl N und abnehmendem Durchmesser d der Löcher auch schneller einen Nullwert. Insgesamt gleicht sich der Druck zwischen dem Vordervolumen und dem Rückvolumen bei einer zunehmenden Menge von Löchern schneller aus.
Die Anzahl von Löchern kann von der Größe des Rückvolumens abhängig sein. Insbesondere können bei einem größeren Rückvolumen mehr Löcher für Druck erforderlich sein, um Druckausgleich in der gleichen Zeit wie für ein kleineres Rückvolumen zu erreichen.
Kurz gefasst können die Löcher so klein wie möglich konstruiert werden, um ihren Strömungswiderstand bei hohen Druckabfällen konstant zu halten. Die Anzahl von Löchern wird so ausgewählt, dass eine geringe Toleranz für den Niederfrequenz-Pegelabfall (LFRO) des Mikrofons erreicht wird.
Bezugszeichenliste

1: Mikrofonkomponente
2: Membran
3: Rückplatte
4: Substrat
5: Löcher in Membran
6: weitere Löcher in Rückplatte
7: zentraler Bereich
8: kreisförmiger Ringbereich
9: Randbereich
10: Trägerbereich der Membran
11: Rand
12: weiterer Trägerbereich der Rückplatte
21: Abstandsbereich
r1: Innenradius des kreisförmigen Rings
r2: Außenradius des kreisförmigen Rings
R: Radius der Membran
d: Durchmesser von Löchern in Membran
D: Durchmesser von weiteren Löchern in Rückplatte
R: Strömungswiderstand pro Loch
ΔP: Druckabfall
T: Zeit
PR: Druckrampe
LFRO: Niederfrequenz-Pegelabfall
N: Anzahl von Löchern
a: Abstand von Trägerbereich

Claims

Mikrofonkomponente, umfassend: eine Membran (2, 13) und eine Rückplatte (3), wobei die Membran (2, 13) eine Vielzahl von Löchern (5) aufweist, wobei die Löcher (5) Durchmesser (d) kleiner als 5 µm haben, wobei die Mikrofonkomponente ein Einzelmembrandesign hat.
Mikrofonkomponente nach Anspruch 1, wobei die Löcher (5) Durchmesser (d) kleiner gleich 2 µm haben.
Mikrofonkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl (N) der Löcher (5) in der Membran (2) mindestens 100 beträgt.
Mikrofonkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anzahl (N) und die Durchmesser (d) der Löcher (5) so eingestellt sind, dass ein voreingestellter Wert des Niederfrequenz-Pegelabfalls (LFRO) erreicht wird.
Mikrofonkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (2) einen Trägerbereich (10) hat, in dem die Membran (2) auf einem Substrat (4) getragen wird, wobei ein Abstandsbereich (21), der sich von dem Trägerbereich (10) bis hin zu mindestens 20 µm von dem Trägerbereich (10) erstreckt, frei von irgendwelchen Löchern (5) ist.
Mikrofonkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (2) einen zentralen Bereich (7) hat, der einen ersten Radius (r1) hat, wobei die Anzahl (N) der Löcher (5) pro Fläche in dem zentralen Bereich (7) geringer ist als die Anzahl (N) der Löcher (5) pro Fläche in einem an den zentralen Bereich (7) angrenzenden Bereich oder wobei der zentrale Bereich (7) frei von jeglichen Löchern (5) ist.
Mikrofonkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Löcher (5) innerhalb eines kreisförmigen Ringbereichs (8) der Membran (2) positioniert sind, wobei der kreisförmige Ringbereich (8) durch einen ersten Radius (r1) und einen zweiten Radius (r2) definiert wird, wobei die Anzahl der Löcher (5) pro Fläche außerhalb des kreisförmigen Ringbereichs (8) geringer ist als die Anzahl (N) der Löcher (5) pro Fläche innerhalb des kreisförmigen Ringbereichs (8), oder wobei die Bereiche (7, 9) außerhalb des kreisförmigen Ringbereichs (8) frei von jeglichen Löchern sind.
Mikrofonkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rückplatte (3) weitere Löcher (6) umfasst, wobei die Löcher (5) in der Membran (2) in einer Draufsicht auf die Rückplatte (3) innerhalb der Löcher (6) der Rückplatte (3) positioniert sind.
Mikrofonkomponente nach Anspruch 8, wobei die weiteren Löcher (6) in der Rückplatte (3) größere Durchmesser (D) als die Löcher (5) in der Membran (2) haben.
Mikrofonkomponente nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei die Anzahl der weiteren Löcher (6) in der Rückplatte (3) größer ist als die Anzahl der Löcher (5) in der Membran (2) .
Mikrofonkomponente, umfassend: eine Membran (2, 13) und eine Rückplatte (3), wobei die Membran (2, 13) eine Vielzahl von Löchern (5) aufweist, wobei die Löcher (5) Durchmesser (d) kleiner als 5 µm haben, wobei die Anzahl (N) und die Durchmesser (d) der Löcher (5) so eingestellt sind, dass ein voreingestellter Wert des Niederfrequenz-Pegelabfalls (LFRO) erreicht wird.
Mikrofon, aufweisend die Mikrofonkomponente (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und eine elektronische Schaltung zur Verarbeitung eines Ausgangssignals der Mikrofonkomponente.
Verfahren zur Herstellung des Mikrofons oder der Mikrofonkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mikrofonkomponente (1) durch MEMS-Technologie hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei ein Wert für Niederfrequenz-Pegelabfall (LFRO) ausgewählt wird und ein Durchmesser (d) der Löcher (5) in der Membran (2) ausgewählt wird, und wobei die Anzahl (N) der Löcher (5) so ausgewählt wird, dass der ausgewählte Wert für Niederfrequenz-Pegelabfall (LFRO) erreicht wird.