DE112015004672T5

DE112015004672T5 - Akustische Vorrichtung mit einer an einer diskreten Anzahl von Positionen unterstützten Membran

Info

Publication number: DE112015004672T5
Application number: DE112015004672.0T
Authority: DE
Inventors: Sagnik Pal; Sung Bok Lee
Original assignee: Knowles Electronics LLC
Current assignee: Knowles Electronics LLC
Priority date: 2014-10-13
Filing date: 2015-10-06
Publication date: 2017-07-06
Also published as: US20160105748A1; CN111294716B; CN107113503A; US10178478B2; WO2016060886A1; CN107113503B; CN111294716A; US10887700B2; TW201626822A; US20170374469A1; US9743191B2; US20190141451A1

Abstract

Eine akustische Vorrichtung umfasst eine Rückplatte, eine Membran und mindestens eine Säule. Die Membran und die Rückplatte sind voneinander beabstandet. Mindestens eine Säule ist ausgestaltet, die Rückplatte und die Membran über den Abstand zumindest temporär zu verbinden. Die Steifigkeit der Membran ist im Vergleich zur Steifigkeit einer Membran in Abwesenheit der Säule erhöht. Die mindestens eine Säule stellt eine eingespannte Randbedingung bereit wenn die Membran elektrisch vorgespannt ist und die eingespannte Grenzfläche wird an Stellen bereitgestellt, wo die Membran durch die mindestens eine Säule gestützt wird.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Dieses Patent beansprucht Begünstigung unter 35 U.S.C. §119(e) aufgrund der vorläufigen U.S. Anmeldung 62/063183 mit dem Titel ”Akustische Vorrichtung mit an einer diskreten Anzahl von Positionen eingespannter Membran”, die am 13. Oktober 2014 eingereicht wurde und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme vollumfänglich eingebunden ist.
Gebiet der Technik
Diese Anmeldung betrifft akustische Vorrichtungen und genauer MEMS Mikrofone.
Stand der Technik
Im Laufe der Jahre wurden verschiedene Arten akustischer Vorrichtungen verwendet. Eine Art Vorrichtung ist ein Mikrofon. In einem Mikrosystem (MEMS) Mikrophon, beinhaltet ein MEMS-Chip eine Membran und eine Rückplatte. Der MEMS-Chip wird durch eine Basis unterstützt und durch ein Gehäuse umgeben (z. B. einen Becher oder Deckel mit Wänden). Eine Öffnung kann sich durch die Basis (für eine Vorrichtung mit Bodenöffnung) oder durch die Decke des Gehäuses (für eine Vorrichtung mit Deckenöffnung) oder durch die Seite des Gehäuses (für eine Vorrichtung mit Seitenöffnung) hindurch erstrecken. In jedem Fall tritt Schallenergie durch die Öffnung hindurch, deformiert die Membran und erzeugt eine sich ändernde elektrische Kapazität zwischen der Membran und der Rückplatte, die ein elektrisches Signal erzeugt. Mikrophone werden in verschiedenen Arten von Geräten wie Personal Computern, Mobiltelefonen und Tablets verwendet.
Eine Art eines MEMS Mikrophons verwendet eine freischwebende Membran. Die vorgespannte freischwebende Membran sitzt typischerweise auf Stützpfosten, die entlang der Peripherie der Membran angeordnet sind. Die Stützpfosten beschränken die Bewegung der Membran. Freischwebende Membrane neigen zu einer hohen mechanischen Nachgiebigkeit. Folglich, können Designs, die freischwebende Membrane verwenden unter hohen Klirrfaktorpegeln (THD) leiden, insbesondere beim Betreiben bei hohen Schalldruckpegeln (sound pressure levels, SPLs).
All diese Probleme haben zu einiger Unzufriedenheit der Benutzer mit den bisherigen Ansätzen geführt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein umfassenderes Verständnis der Offenbarung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung und die beigefügten Figuren Bezug genommen werden, wobei:
1 eine perspektivische Schnittzeichnung eines Bereiches einer Mikrophonvorrichtung gemäß diverser Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 eine perspektivische Schnittzeichnung eines Bereiches der Mikrophonvorrichtung entlang der Linie A-A in 1 gemäß diverser Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfasst;
3 eine Draufsicht auf die Mikrophonvorrichtung der 1 und 2 gemäß diverser Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfasst;
4 eine seitliche Schnittzeichnung des zentralen Teils der Vorrichtung der 3 entlang Linie B-B gemäß diverser Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfasst;
5A–B Eine Graphik umfasst, die einige der Aspekte des Betriebs des Mikrophons der 1–4 gemäß diverser Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 eine Draufsicht der Mikrophonvorrichtung aus 1 und 2 umfasst, welche eine Ausgestaltung mit einer nicht-kreisförmigen Membran und multiple Säulen gemäß diverser Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung dargelegt;
7 eine perspektivische Schnittzeichnung eines Bereiches eines weiteren Beispiels einer Mikrophonvorrichtung umfasst, die entlang der Linie A-A der 1 gemäß diverser Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung vorgenommen ist.
Geschickte Handwerker werden verstehen, dass Elemente der Zeichnungen zugunsten der Einfachheit und Klarheit dargestellt sind. Es ist ferner verständlich, dass bestimmte Maßnahmen und/oder Schritte in einer bestimmten Reihenfolge des Auftretens beschrieben oder aufgezeigt sein können, wobei ein Fachmann verstehen wird, dass eine solche Spezifität mit Bezug auf die Reihenfolge nicht wirklich benötigt ist. Es ist auch verständlich, dass die hierin verwendeten Begriffe und Ausdrücke in Übereinstimmung solcher Begriffe und Ausdrücke mit Bezug auf ihre entsprechenden jeweiligen Forschungsbereiche und Studien die gewöhnliche Bedeutung haben, es sei denn, eine bestimmte Bedeutung wird hier eingeräumt.
Detaillierte Beschreibung
Bei den derzeitigen Konzepten wird eine Mikrosystem (MEMS) Vorrichtung mit einer zentral eingespannten Membran zur Verfügung gestellt. Solche Geräte gewährleisten im Vergleich zu bisherigen freischwebenden Konzepten eine größere Linearität und geringeren THD. Genauer gesagt verbindet in gewisser Hinsicht eine zentrale Säule das Zentrum der Membran einer oder mehrerer Membrane mit dem Zentrum der Rückplatte. Die zentrale Säule entspricht vorteilhafter Weise etwa einer eingespannten Rundbedingung am Zentrum der Membran, wodurch die Steifigkeit der Membran erhöht wird. In einigen Ausgestaltungen stellt die zentrale Säule auch eine elektrische Verbindung zur Membran zur Verfügung, wodurch auf einen separaten Membran-Zuführungskanal verzichtet werden kann, der in vorherigen Konzepten genutzt (und typischerweise benötigt) wird. In einigen Ausgestaltungen kann die Säule unter einem Versatz zum Zentrum der Membran angeordnet sein.
Unter anderen Gesichtspunkten und wenn die Membran vorgespannt ist, ist die Membran gespannt und durch das elektrostatische Feld, welches durch die Vorspannung aufgebaut wird, gegen die Pfosten gezogen. Zusätzlich nehmen bestimmte Bereiche der Membran unter Vorspannung eine doppelt-gebogene Form an. Eines oder beide der Spannung und der doppelt-gebogenen Form resultieren in einer erhöhten Steifigkeit der Membran und verbesserter Linearität des Betriebes, sodass der Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal des Mikrofons und dem Ausgangssignal des Mikrofons eine sehr geringe Nichtlinearität aufweist.
Bezugnehmend auf die 1–4 wird eine Mikrophonvorrichtung 100 beschrieben. Ein MEMS Gerät 102 beinhaltet einen ersten Messumformer 104 (beinhaltend eine erste Membran 106 und eine erste Rückplatte 108) und einen zweiten Messumformer 110 (beinhaltend eine zweite Membran und eine zweite Rückplatte, beide nicht gezeigt). Es versteht sich, dass sich die detaillierte Beschreibung hierin nur auf den ersten Messumformer bezieht, aber dass diese Beschreibung gleichermaßen für den zweiten Messumformer gilt.
Insbesondere auf 1 Bezug nehmend, ist das MEMS Gerät 102 auf einer Basis 120 angeordnet. Auch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) 122 ist auf der Basis 120 angeordnet und mit dem MEMS Gerät 102 verbunden. Öffnung 124 erstreckt sich durch die Basis 120 und erlaubt der Schallenergie durch die Messumformer im MEMS Gerät 102 empfangen zu werden. Eine Abdeckung 128 ist oben auf der Basis 120 angeordnet. Es versteht sich, dass dies ein Gerät mit Bodenöffnung ist, aber es offensichtlich ist, dass sich Öffnungen alternativ durch die Abdeckung 128 hindurch erstrecken können und das Gerät zu einem Gerät mit Deckenöffnung oder Seitenöffnung wird, abhängig von der Position der Öffnung.
Im Betrieb wird Schallenergie von den zwei Messumformern 104 und 110 im MEMS Gerät 102 durch Öffnungen 124 empfangen. Die Messumformer 104 und 110 im MEMS Gerät 120 wandeln die Schallenergie in elektrische Signale um. Die elektrischen Signale werden dann durch die ASIC 122 weiterverarbeitet. Das Weiterverarbeiten kann zum Beispiel, um zwei Beispiele zu nennen, Abschwächung oder Verstärkung beinhalten. Andere Beispiele sind möglich. Die weiter verarbeiteten Signale werden dann auf Pads (nicht gezeigt) auf der Basis 120 übertragen die mit Kundengeräten koppeln. Zum Beispiel kann die Vorrichtung 100 in einem Mobiltelefon, Personal Computer oder Tablet enthalten sein und die Kundengeräte können Geräte oder Schaltkreise sein, die mit dem Mobiltelefon, Personal Computer, Tablet oder anderen Geräten in Zusammenhang stehen.
Was nun die Beschreibung der zentralen Säulenanordnung betrifft, so versteht es sich, dass diese Diskussion mit Bezug auf den ersten Messumformer 104 stattfinden. Dennoch versteht es sich, dass die Konstruktion der Anordnung des zweiten Messumformers 110 identisch zu der Beschreibung des ersten Messumformers 104 sein kann.
Insbesondere mit Bezug auf 2, 3 und 4 beinhaltet der erste Messumformer 104 eine zentrale Säule 112, die die Rückplatte 108 mit der Membran 106 verbindet. Typischerweise besteht die Rückplatte 108 aus einer elektrisch leitenden Rückplattenelektrode 109 und einem oder mehreren Strukturmaterialien. Die Membran 106 und die Rückplattenelektrode 109 bilden einen elektrischen Kondensator aus. Pfosten 114 beschränken die Bewegung der Membran 106 an einer Peripherie der Membran 106. Bei einem Beispiel sind die Pfosten 114 aus Siliziumnitrid konstruiert und ungefähr 6 Pfosten werden verwendet. Diese Anzahl ist bedeutend geringer als in bisherigen Ansätzen, die eine freischwebende Membran verwenden. 3 zeigt eine Draufsicht eines schematischen Aufbaus eines MEMS-Chips mit zwei Messumformern. Die Membrane 302 sind an der Säule 301 befestigt. Jeder Messumformer hat 6 Pfosten 303. Die sternenartige Form 304 stellt die Rückplattenelektrode dar. Die Rückplattenelektroden 304 und die Membrane 302 bilden den Arbeitskondensator des MEMS aus. Die sternförmige Elektrode 304 maximiert den Arbeitskondensator des MEMS und bietet im Vergleich zu kreisrunden oder Donut-förmigen Elektroden ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis. Andere Konstruktionsmaterialien und Anzahl an Pfosten und Säulen können auch verwendet werden. Einige Ausgestaltungen können eine oder mehrere Säulen und keine Pfosten aufweisen. Andere Beispiele können eine oder mehrere Säulen und eine oder mehrere Pfosten haben. In einigen Ausgestaltungen kann die Rückplattenelektrode nicht sternförmig sein. Eine Seitenansicht des Querschnitts entlang der Linie BB in 3 ist in 4 gezeigt. Mit Bezug auf 4 wird die zentrale Säule 112 im Detail beschrieben. Die zentrale Säule 112 beinhaltet eine Siliziumnitridschicht 440 und eine Polysiliziumsschicht 446. Die Polysiliziumsschicht 448 bildet die Membran 106 aus. In dieser Ausgestaltung bilden die Schritte der Polysilizium- und Siliziumnitrid-Abscheidung, welche die Säule ausbilden, auch die Rückplatte aus. Folglich ist die zentrale Säule in diesem Beispiel einstückig mit der Rückplatte 108 ausgeformt und physisch mit der Membran 106 verbunden. Dennoch ist es verständlich dass in anderen Ausgestaltungen die zentrale Säule nur mit dem Membranmaterial oder nur mit dem Rückplattenmaterial ausgebildet sein kann, oder dass alle drei Elemente separat ausgebildet sind. Zusammen bilden diese Elemente eine zentrale Säule mit einem hohlen Bereich 456. Es ist verständlich, dass die ein Beispiel der Anordnung einer zentralen Säule ist und dass andere Beispiele möglich sind. In diesem Beispiel ist die Säule axialsymmetrisch zur zentralen Achse 449. In anderen Ausgestaltungen muss die Säule nicht axialsymmetrisch sein. In bestimmten Ausgestaltungen kann die Säule massiv sein oder eine käfigartige, aus mehreren Segmenten geformte Struktur haben. In diesem Beispiel liegt am Übergang der Säule zur Membran ein spitzer Winkel 450 vor. In anderen Ausgestaltungen kann die Verbindung zwischen Säule und Membran und/oder die Verbindung zwischen Säule und Rückplatte abgeschrägt und/oder verrundet sein. Abschrägen und/oder Verrunden sollen die Struktur stärken, sodass diese besser Luftdetonationsereignissen standhalten können.
Derart konfiguriert entspricht die zentrale Säule 112 vorteilhafterweise in etwa einer eingespannten Randbedingung im Zentrum der Membran, wodurch die Steifigkeit der Membran erhöht wird. Die zentrale Säule 112 stellt auch eine elektrische Verbindung zu der Membran 106 bereit, wodurch die Notwendigkeit eines separaten Membrankanals beseitigt wird, der in bisherigen Ansätzen verwendet wurde um eine elektrische Verbindung zur Membran zu realisieren. Dennoch kann die Säule in anderen Ausgestaltungen dazu benutzt werden, nur eine eingespannte Randbedingung bereitzustellen und die elektrische Verbindung zur Membran kann durch andere Ansätze realisiert sein.
In einem weiteren Beispiel kann die nicht vorgespannte Membran nicht physisch an der Säule befestigt sein, wie in 7 gezeigt; Eine Vorspannung, die zwischen der Membran und der Rückplatte angelegt wird, kann genutzt werden, um die Membran gegen die Säule zu ziehen. Dadurch wird eine eingespannte Randwertbedingung im Kontaktbereich zwischen Membran und Säule angenähert.
Wenn eine elektrische Vorspannung zwischen der Membran 106 und der Rückplattenelektrode 109 angelegt wird, wird die Membran aufgrund der reduzierten Anzahl der verwendeten Pfosten gespannt. Zusätzlich nehmen bestimmte Bereiche der Membran 106 unter Vorspannung ein doppelt gekrümmtes Profil an. Eines oder beide der Spannung und des doppelt gekrümmten Profils resultieren in erhöhter Steifigkeit der Membran 106 und verbesserter Linearität des Betriebes, sodass ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen dem Eingangssignal des Mikrofons und dem Ausgangssignal des Mikrofons 100 existiert.
Mit Bezug auf 5A–B werden verschiedene Graphen gezeigt, die einige Gesichtspunkte des Betriebes des Mikrofons zeigen. Der Graph 5A zeigt einen nicht vorgespannte Membran 502 (es ist keine elektrische Vorspannung ist zwischen der Membran 106 und der Rückplattenelektrode 109 angelegt). Es ist ersichtlich das die Membran 502 gewölbt ausgeformt ist. Der Graph in 5B zeigt die Auslenkung der Membran 502 um periphere Pfosten. Die Auftreffstellen zwischen der Membran 502 und den Pfosten sind mit 504 bezeichnet. Die Membran 502 wird durch die zentrale Klemme 506 gehalten. 5B stellt das Profil der Membran dar, wenn eine elektrische Vorspannung zwischen der Membran 106 und der Rückplattenelektrode 109 angelegt wird. Wie erwähnt wird durch die hierin bereitgestellten Ansätze eine steifere Membran zur Verfügung gestellt. Wenn die elektrische Vorspannung zwischen der Membran 106 und der Rückplattenelektrode 109 angelegt wird, wird die Membran gespannt und doppelt gekrümmt. In 5B sind die Doppelkrümmungen durch die mit 508 und 510 bezeichneten Pfeile angegeben. Anstelle einer einzelnen maximalen Durchbiegungsstelle stellen die vorliegenden Ansätze einen maximalen Durchbiegungsbereich um einen Donut-förmigen Bereich 512 (der zwischen der zentralen Klemme und den peripheren Pfosten vorhanden und durch die Krümmungen 508 und 511 geformt ist) zur Verfügung. Die resultierende Konfiguration kompensiert vollständig oder größtenteils die aufgrund der erhöhten Steifigkeit der Membran eingebüßte Empfindlichkeit.
Wie auch erwähnt wurde kann die zentrale Klemme auch als elektrische Verbindung zur Membran verwendet werden und dies fördert eine verbesserte Miniaturisierung.
Die Säule kann nicht im Zentrum der Membran angeordnet sein. Darüber hinaus können sich mehrere Säulen innerhalb eines einzelnen Messumformers befinden. 6 umfasst eine Draufsicht der Mikrophonvorrichtung der 1 und 2, die ein Beispiel einer Vorrichtung mit einer nicht-kreisrunden Membran 602 und mehreren Säulen 601 aufzeigt. In diesem Beispiel gibt es zehn Pfosten 603, drei Säulen 601 und die nicht-kreisrunde Membran 602 maximiert die Ausnutzung der Fläche des MEMS-Chips, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis pro Flächeneinheit des Chips verbessert wird.
Ausgestaltungen, die einen kapazitiven Übertragungsmechanismus verwenden, wurden beschrieben, dennoch sind auch Übertragungsmodi wie piezzoresistive, piezzoelektrische und elektromagnetische Übertragung möglich. Andere Modi der Übertragung sind auch möglich.
Mit Bezug auf 7 ist ein anderes Beispiel einer Messumformer-Struktur beschrieben. Das Beispiel der 7 ist ähnlich dem Beispiel der 2 und gleich nummeriert Elemente in 2 entsprechen gleich nummerierten Elementen in 7. Im Beispiel der 7 beinhaltet der erste Messumformer 704 eine zentrale Säule 712, welche die Rückplatte 708 mit der Membran 706 verbindet. Jedoch ist im Gegensatz zu 2 im Beispiel der 7 die zentrale Säule 712 separat ausgestaltet und ist nicht permanent mit der Membran 706 verbunden. Die Rückplatte 708 besteht aus einer elektrisch leitfähigen Rückplattenelektroden 709 und einem oder mehreren Strukturmaterialien. Die Membran 706 und die Rückplattenelektroden 709 bilden einen elektrischen Kondensator heraus. Pfosten 714 beschränken die Bewegung der Membran 706 an einer Peripherie der Membran 706. In einem Beispiel sind die Pfosten 714 aus Siliziumnitrid hergestellt und ungefähr 6 Pfosten werden verwendet. Andere Beispiele sind möglich.
Es ist verständlich, dass unter bestimmten Gesichtspunkten bei hierin beschriebenen Anordnungen mit zentraler Säule, die zentrale Säule von einer zentralen Achse versetzt sein kann. Unter anderen Gesichtspunkten können, wie in 6 gezeigt, mehrere Säulen verwendet werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen dieser Erfindung sind hierin beschriebenen, umfassend die den Erfindern bekannte beste Ausführungsform, die Erfindung auszuführen. Es sollte verstanden werden, dass die gezeigten Ausgestaltungen lediglich beispielhaft sind und nicht zur Einschränkung des Schutzumfangs der Erfindung herangezogen werden sollten.

Claims

Eine akustische Vorrichtung, umfassend: eine Rückplatte; eine Membran, die Membran und die Rückplatte sind voneinander beabstandet und durch einen Abstand voneinander getrennt; mindestens eine Säule, die ausgestaltet ist zumindest temporär die Rückplatte und die Membran zu verbinden; derart, dass die Steifigkeit der Membran im Vergleich zur Steifigkeit der Membran in Abwesenheit der Säule erhöht wird und dass die mindestens eine Säule eine eingespannte Randbedingung bereitstellt, wenn die Membran elektrisch vorgespannt ist und die eingespannte Grenzfläche an Stellen bereitgestellt wird, wo die Membran durch die mindestens eine Säule gestützt wird.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membran im Allgemeinen ein kreisrundes Profil hat mit einer Achse, die sich senkrecht zum Zentrum der Membran und durch die Rückplatte hindurch erstreckt.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei eine Säule um die Achse herum ausgebildet ist und ausgestaltet ist, die Rückplatte und die Membran zumindest temporär zu verbinden.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Säule mehrere Säulen umfasst.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membran und die mindestens eine Säule einstückig miteinander ausgestaltet sind.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membran und die mindestens eine Säule separat ausgestaltet sind.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Säule mit einer separaten Rückplatte verbunden ist.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Säule eine elektrische Verbindung zwischen der Rückplatte und der Membran zur Verfügung stellt.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei beim Anlegen einer elektrischen Vorspannung an die Membran, Abschnitte der Membran ein doppelt gekrümmtes Profil annehmen.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Membran aus Polysilizium gebildet ist.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Säule eine Siliziumnitridschicht und eine Polysiliziumschicht umfasst.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Säule im Allgemeinen axialsymmetrisch ist.
Die akustische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Säule nicht-axialsymmetrisch ist.