DE112019001416T5

DE112019001416T5 - Dielektrischer kamm für mems-vorrichtung

Info

Publication number: DE112019001416T5
Application number: DE112019001416.1T
Authority: DE
Inventors: Mohsin Nawaz; Shubham Shubham; David Schafer; Michael Pedersen; Claus Fürst; Mohammad Shajaan; Jay Cech
Original assignee: Knowles Electronics LLC
Current assignee: Knowles Electronics LLC
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2021-02-04
Also published as: WO2019183283A2; CN112088539A; WO2019183283A3; US20210029470A1; US11825266B2; CN112088539B

Abstract

Mikrofone umfassen ein Gehäuse, das eine Kavität definiert, eine Vielzahl von Leitern, die innerhalb der Kavität angeordnet sind, wenigstens einen dielektrischen Stab, der innerhalb der Kavität angeordnet ist, und eine Wandler-Membran. Die Leiter sind so strukturiert, dass sie sich als Reaktion auf Druckänderungen bewegen, während das Gehäuse fixiert bleibt. Ein erster Leiter erzeugt erste elektrische Signale als Reaktion auf die Druckänderungen, die sich aus Änderungen des Atmosphärendrucks ergeben. Ein zweiter Leiter erzeugt zweite elektrische Signale als Reaktion auf Druckänderungen, die sich aus akustischer Aktivität ergeben. Der dielektrische Stab ist in Bezug auf die Kavität fixiert und bleibt unter den Druckänderungen fixiert. Der dielektrische Stab befindet sich neben wenigstens einem der Leiter. Als Reaktion auf einen angelegten Druck, der ein atmosphärischer Druck und/oder ein akustischer Druck ist, übt die Membran des Wandlers eine Kraft auf das Gehäuse aus und verschiebt wenigstens einen Abschnitt der Leiter in Bezug auf den dielektrischen Stab.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE PATENTANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Vorteile der am 21. März 2018 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/646.003 , deren Offenbarung hier durch Verweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
HINTERGRUND
Mikrofone werden in verschiedenen Arten von Vorrichtungen wie PCs, Mobiltelefonen, Mobilvorrichtungen, Headsets, Kopfhörern und Hörgeräten eingesetzt. Da die Vorrichtungen jedoch immer kleiner werden, benötigen sie auch kleinere Mikrofone. Kleinere Mikrofone weisen oft einen größeren Signalverlust aufgrund von Reibung auf und haben oft ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis als größere Mikrofone.
ZUSAMMENFASSUNG
Eine Implementierung betrifft ein Mikrofon, das einen dielektrischen Kamm („dielectric comb“) und eine Steuerschaltung umfasst. Der dielektrische Kamm umfasst ein Gehäuse, das eine Kavität definiert, eine Vielzahl von Leitern, die innerhalb der Kavität positioniert sind, und wenigstens einen dielektrischen Stab, der innerhalb der Kavität positioniert ist. Die Vielzahl von Leitern ist so strukturiert, dass sie sich als Reaktion auf Druckänderungen bewegen, während das Gehäuse fixiert bleibt. Die Druckänderungen umfassen Druckänderungen, die sich aus akustischer Aktivität ergeben, und Druckänderungen, die sich aus Änderungen des atmosphärischen Drucks ergeben. Die Vielzahl von Leitern umfasst wenigstens einen ersten Leiter und wenigstens einen zweiten Leiter. Der wenigstens eine erste Leiter ist so konfiguriert, dass er erste elektrische Signale als Reaktion auf die Druckänderungen erzeugt, die sich aus Änderungen des Atmosphärendrucks ergeben. Der wenigstens eine zweite Leiter ist so konfiguriert, dass er zweite elektrische Signale als Reaktion auf die Druckänderungen erzeugt, die sich aus der akustischen Aktivität ergeben. Der wenigstens eine dielektrische Stab ist innerhalb der Kavität positioniert und in einer festen Position in Bezug auf die Kavität befestigt, so dass der wenigstens eine dielektrische Stab unter den Druckänderungen fixiert bleibt. Jeder der wenigstens einen dielektrischen Stäbe liegt neben wenigstens einem ersten Leiter oder wenigstens einem zweiten Leiter der Vielzahl von Leitern. Die Steuerschaltung umfasst eine Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung und eine Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung. Die Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung ist elektrisch mit dem wenigstens einen ersten Leiter gekoppelt und so konfiguriert, dass sie die ersten elektrischen Signale empfängt und ein Atmosphärendruck-Signal erzeugt, das die aus den Änderungen des Atmosphärendrucks resultierenden Druckänderungen anzeigt. Die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung ist elektrisch mit dem wenigstens einen zweiten Leiter gekoppelt und so konfiguriert, dass sie die zweiten elektrischen Signale empfängt und ein akustisches Signal erzeugt, das die Druckänderungen anzeigt, die sich aus der akustischen Aktivität ergeben.
Bei einigen Implementierungen umfasst das Mikrofon des Weiteren wenigstens einen Isolator, der mit dem Gehäuse gekoppelt und als Reaktion auf Druckänderungen gegenüber dem Gehäuse beweglich ist. Die Vielzahl von Leitern ist mit dem wenigstens einen Isolator gekoppelt.
In einigen Implementierungen umfasst die Steuerschaltung des Weiteren eine Ladungspumpe, die elektrisch mit wenigstens einem Verbindungsabschnitt der Vielzahl von Leitern verbunden ist, um eine Vorspannungsladung für wenigstens den Abschnitt der Vielzahl von Leitern bereitzustellen. Die Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie die ersten elektrischen Signale verarbeitet, um ein Ladungspumpen-Vorspannungssignal als Reaktion auf die Druckänderungen zu erzeugen, die sich aus den Änderungen des Atmosphärendrucks ergeben.
In einigen Implementierungen ist das Ladungspumpen-Vorspannungssignal so konfiguriert, dass es eine elektrische Kraft zwischen der Vielzahl von Leitern erzeugt, um die Vielzahl von Leitern in eine Richtung entgegengesetzt zu einer Bewegungsrichtung zu bewegen, die durch die Änderungen des Atmosphärendrucks verursacht wird.
Bei einigen Implementierungen ist die elektrische Kraft so konfiguriert, dass die Vielzahl von Leitern in eine Ruhelage zurückgeführt wird, in der die Vielzahl von Leitern ohne die Druckänderungen, die sich aus den Änderungen des atmosphärischen Drucks ergeben, positioniert wäre.
Bei einigen Implementierungen umfasst das Mikrofon des Weiteren eine Membran, die sich in die Kavität erstreckt und eine Kraft auf den dielektrischen Kamm ausübt. Die Druckänderungen bewirken eine Bewegung der Membran. Die Änderungen in der Bewegung der Membran bewirken eine Bewegung der Vielzahl von Leitern relativ zur Vielzahl der dielektrischen Stäbe.
Bei einigen Ausführungen umfasst die Membran eine erste Balgplatte, eine zweite Balgplatte, die durch eine erste nachgiebige Struktur an der ersten Balgplatte befestigt ist, und eine dritte Balgplatte, die durch eine zweite nachgiebige Struktur an der zweiten Balgplatte befestigt ist. Die erste Balgplatte und die zweite Balgplatte sind ringförmig und die dritte Balgplatte ist kreisförmig.
Bei einigen Implementierungen umfasst die Membran eine erste Schicht, die aus einem ersten Material mit einem ersten Elastizitätsmodul gebildet ist, und eine zweite Schicht, die aus einem zweiten Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul gebildet ist, der kleiner ist als der erste Elastizitätsmodul.
Bei einigen Implementierungen ist die Kavität ein Vakuum.
Eine weitere Implementierung bezieht sich auf einen Wandler für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), der eine Balg-Membran umfasst. Die Balg-Membran umfasst eine erste Balgplatte, eine oder mehrere zweite Balgplatten, eine dritte Balgplatte und eine Vielzahl von nachgiebigen Strukturen. Die erste Balgplatte ist ringförmig. Die eine oder mehrere zweite Balgplatten sind ringförmig. Die dritte Balgplatte ist kreisförmig. Die Vielzahl von nachgiebigen Strukturen verbindet die erste Balgplatte, die eine oder mehrere zweite Balgplatten und die dritte Balgplatte. In einer Ruhelage sind die erste Balgplatte, die eine oder mehreren zweiten Balgplatten und die dritte Balgplatte im Wesentlichen parallel. Als Reaktion auf einen angelegten Druck, wobei der angelegte Druck wenigstens einer von Atmosphärendruck und Schalldruck ist, erstreckt sich der MEMS-Wandler in eine ausgefahrene Position, in der die erste Balgplatte und die eine oder mehreren zweiten Balgplatten in Bezug auf die dritte Balgplatte geneigt sind.
Bei einigen Implementierungen tritt die erste Position in Abwesenheit einer von außen einwirkenden Kraft auf.
Bei einigen Implementierungen sind die erste Balgplatte, die zweite Balgplatte und die dritte Balgplatte so aufgebaut, dass sie sich als Reaktion auf Änderungen des angelegten Drucks bewegen.
In einigen Implementierungen ist die Vielzahl der nachgiebigen Strukturen so konfiguriert, dass die Werte zwischen 1 nm/Pa und 10nm/Pa eingehalten werden, wenn der MEMS-Wandler zyklischen Belastungen ausgesetzt ist.
Bei einigen Implementierungen haben die erste Balgplatte, die eine oder mehrere zweite Balgplatten und die dritte Balgplatte jeweils eine Dicke von im Wesentlichen 0,5µm bis im Wesentlichen 2µm.
Bei einigen Implementierungen beträgt der Abstand zwischen benachbarten der ersten Balgplatte, der einen oder mehreren zweiten Balgplatten und der dritten Balgplatte im Wesentlichen 0,5µm bis 5µm.
Bei einigen Implementierungen umfasst die eine oder mehrere zweite Balgplatten drei zweite Balgplatten.
Bei einigen Implementierungen umfasst die eine oder mehrere zweite Balgplatten fünf zweite Balgplatten.
Bei einigen Implementierungen umfasst die eine oder mehrere zweite Balgplatten sieben zweite Balgplatten.
Eine weitere Implementierung bezieht sich auf einen MEMS (Microelectromechanical System) -Wandler, der zur Verwendung mit einem Mikrofonsystem konfiguriert ist, das ein Gehäuse, das eine Kavität definiert, und einen Drucksensor umfasst, der innerhalb der Kavität positioniert ist. Der MEMS-Wandler umfasst eine erste Schicht und eine zweite Schicht. Die erste Schicht umfasst eine Kontaktschicht, die so strukturiert ist, dass sie eine Kraft auf den Drucksensor ausübt. Die erste Schicht besteht aus einem ersten Material mit einem ersten Elastizitätsmodul. Die zweite Schicht wird auf der ersten Schicht gebildet. Die zweite Schicht ist aus einem zweiten Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul gebildet, der niedriger als das erste Elastizitätsmodul ist. Wenigstens ein Abschnitt der ersten Schicht und der zweiten Schicht sind am Gehäuse befestigt, um eine Durchbiegung in Bezug auf das Gehäuse zu ermöglichen. Die zweite Schicht ist so strukturiert, dass sie die durch das Gehäuse auf den MEMS-Wandler während der Durchbiegung ausgeübte konzentrierte Spannung aufnimmt und die konzentrierte Spannung als verteilte Spannung auf die erste Schicht überträgt.
Bei einigen Implementierungen hat die erste Schicht eine Dicke von 100nm - 1µm, um ein Vakuum in der Kavität aufrechtzuerhalten.
Bei einigen Implementierungen liegt das erste Elastizitätsmodul zwischen 50GPa und 200GPa.
Bei einigen Implementierungen liegt das zweite Elastizitätsmodul zwischen 1GPa und 10GPa.
Eine weitere Implementierung bezieht sich auf eine Steuerschaltung für ein Mikrofon eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Die Steuerschaltung umfasst eine Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung und eine Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung. Die Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie ein erstes Signal von einer ersten Vielzahl von Leitern einer beweglichen Abtaststruktur des MEMS-Mikrofons empfängt, die als Reaktion auf die Bewegung der beweglichen Abtaststruktur erzeugt werden, und dass sie das erste Signal verarbeitet, um ein Signal zu erzeugen, das eine Änderung des Atmosphärendrucks anzeigt. Die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie ein zweites Signal von einer zweiten Vielzahl von Leitern der beweglichen Abtaststruktur empfängt. Die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie das zweite Signal verarbeitet, um ein Signal zu erzeugen, das eine akustische Aktivität anzeigt.
Bei einigen Implementierungen umfasst die Steuerschaltung des Weiteren eine Ladungspumpe, die mit der beweglichen Sensorstruktur verbunden ist. Die Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie die Ladungspumpe so steuert, dass sie auf Grundlage des Signals, das die Änderung des Atmosphärendrucks anzeigt, ein Vorspannungssignal an einen oder mehrere von wenigstens der ersten Vielzahl von Leitern der beweglichen Abtaststruktur liefert.
Bei einigen Implementierungen ist die Vorspannungsladung so bemessen, dass die bewegliche Sensorstruktur vorgespannt wird, um die Änderung des Atmosphärendrucks zu kompensieren.
Bei einigen Implementierungen hat das zweite Signal einen hochfrequenten Abschnitt und einen niederfrequenten Abschnitt. Die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung umfasst einen Filter, der so konfiguriert ist, dass er den niederfrequenten Abschnitt des zweiten Signals entfernt.
Bei einigen Implementierungen hat das zweite Signal eine Amplitude. Die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung umfasst eine Rückkopplungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die Amplitude des zweiten Signals bestimmt. Als Reaktion darauf, dass die Amplitude eine vorbestimmte Schwelle überschreitet, ist die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung so konfiguriert, dass sie ein Rückkopplungssignal erzeugt, um die Amplitude des zweiten Signals zu reduzieren, um eine Überlastung der Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung zu verhindern.
Bei einigen Implementierungen unterscheidet sich die zweite Vielzahl von Leitern von der ersten Vielzahl von Leitern.
Eine weitere Implementierung bezieht sich auf ein Mikrofon, das ein Gehäuse, das eine Kavität definiert, eine Vielzahl von Leitern, die innerhalb der Kavität positioniert sind, wenigstens einen dielektrischen Stab, der innerhalb der Kavität positioniert ist, und eine Wandler-Membran umfasst. Die Vielzahl von Leitern ist so strukturiert, dass sie sich als Reaktion auf Druckänderungen bewegen, während das Gehäuse fixiert bleibt. Die Druckänderungen umfassen Druckänderungen, die sich aus akustischer Aktivität ergeben, und Druckänderungen, die sich aus Änderungen des atmosphärischen Drucks ergeben. Die Vielzahl von Leitern umfasst wenigstens einen ersten Leiter und wenigstens einen zweiten Leiter. Der wenigstens eine erste Leiter ist so konfiguriert, dass er erste elektrische Signale als Reaktion auf die Druckänderungen erzeugt, die sich aus Änderungen des Atmosphärendrucks ergeben. Der wenigstens eine zweite Leiter ist so konfiguriert, dass er zweite elektrische Signale als Reaktion auf die Druckänderungen erzeugt, die sich aus der akustischen Aktivität ergeben. Der wenigstens eine dielektrische Stab ist innerhalb der Kavität positioniert und in einer festen Position in Bezug auf die Kavität befestigt, so dass der wenigstens eine dielektrische Stab unter den Druckänderungen fixiert bleibt. Jeder der wenigstens einen dielektrischen Stäbe liegt neben wenigstens einem der Leiter der Vielzahl von Leitern. Die Membran des Wandlers umfasst eine erste Balgplatte, eine oder mehrere zweite Balgplatten, eine dritte Balgplatte und eine Vielzahl von nachgiebigen Strukturen. Die erste Balgplatte ist ringförmig. Die eine oder mehrere zweite Balgplatten sind ringförmig. Die dritte Balgplatte ist kreisförmig. Die Vielzahl von nachgiebigen Strukturen verbindet die erste Balgplatte, die eine oder mehrere zweite Balgplatten und die dritte Balgplatte. In einer Ruhelage sind die erste Balgplatte, die eine oder mehreren zweiten Balgplatten und die dritte Balgplatte im Wesentlichen parallel. Als Reaktion auf einen angelegten Druck, wobei der angelegte Druck wenigstens einer von atmosphärischem Druck und akustischem Druck ist, erstreckt sich der MEMS-Wandler in eine ausgefahrene Position, in der die erste Balgplatte und die eine oder mehreren zweiten Balgplatten in Bezug auf die dritte Balgplatte geneigt sind und der MEMS-Wandler eine Kraft auf den dielektrischen Kamm ausübt. Die Kraft verschiebt wenigstens einen Abschnitt der Vielzahl von Leitern in Bezug auf wenigstens einen Abschnitt der dielektrischen Stäbe.
Eine weitere Ausführungsform umfasst ein Mikrofon, das ein Gehäuse, das eine Kavität definiert, eine Vielzahl von Leitern, die innerhalb der Kavität positioniert sind, wenigstens einen dielektrischen Stab, der innerhalb der Kavität positioniert ist, und einen Wandler umfasst. Die Vielzahl von Leitern ist so strukturiert, dass sie sich als Reaktion auf Druckänderungen bewegen, während das Gehäuse fixiert bleibt. Die Druckänderungen umfassen Druckänderungen, die sich aus akustischer Aktivität ergeben, und Druckänderungen, die sich aus Änderungen des atmosphärischen Drucks ergeben. Die Vielzahl von Leitern umfasst wenigstens einen ersten Leiter und wenigstens einen zweiten Leiter. Der wenigstens eine erste Leiter ist so konfiguriert, dass er erste elektrische Signale als Reaktion auf die Druckänderungen erzeugt, die sich aus Änderungen des Atmosphärendrucks ergeben. Der wenigstens eine zweite Leiter ist so konfiguriert, dass er zweite elektrische Signale als Reaktion auf die Druckänderungen erzeugt, die sich aus der akustischen Aktivität ergeben. Der wenigstens eine dielektrische Stab ist innerhalb der Kavität positioniert und in einer festen Position in Bezug auf die Kavität befestigt, so dass der wenigstens eine dielektrische Stab unter den Druckänderungen fixiert bleibt. Jeder der wenigstens einen dielektrischen Stäbe grenzt an wenigstens einen der Leiter der Vielzahl von Leitern. Der Wandler umfasst eine erste Schicht und eine zweite Schicht. Die erste Schicht umfasst eine Kontaktschicht, die so strukturiert ist, dass sie eine Kraft auf den Drucksensor ausübt. Die erste Schicht ist aus einem ersten Material mit einem ersten Elastizitätsmodul gebildet. Die zweite Schicht wird auf der ersten Schicht gebildet. Die zweite Schicht besteht aus einem zweiten Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul, der niedriger ist als das erste Elastizitätsmodul. Wenigstens ein Abschnitt der ersten Schicht und der zweiten Schicht sind am Gehäuse befestigt, um eine Durchbiegung in Bezug auf das Gehäuse zu ermöglichen. Die zweite Schicht ist so strukturiert, dass sie eine konzentrierte Reaktionskraft aufnimmt, die durch das Gehäuse auf den MEMS-Wandler während der Durchbiegung ausgeübt wird, und die konzentrierte Spannung als verteilte Spannung auf die erste Schicht überträgt. Die erste Schicht übt eine Kraft auf den dielektrischen Kamm aus. Die Kraft verschiebt wenigstens einen Abschnitt der Vielzahl von Leitern in Bezug auf wenigstens einen Teil der dielektrischen Kämme.
Eine weitere Implementierung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mikroelektromechanischen (MEMS) Wandlers. Das Verfahren umfasst die Abscheidung einer thermischen Oxidschicht über einer ersten Oberfläche eines Substrats mit einer ersten und einer zweiten Oberfläche, die einander gegenüberliegen. Das Verfahren umfasst des Weiteren die Abscheidung einer oder mehrerer dotierter Oxidschichten und einer oder mehrerer undotierter Oxidschichten. Die eine oder mehrere dotierte Oxidschicht(en) und die eine oder mehrere undotierte(n) Oxidschicht(en) sind abwechselnd beabstandet. Eine der ein oder mehreren dotierten Oxidschichten grenzt an die thermische Oxidschicht. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Wegätzen eines Abschnitts der einen oder mehreren dotierten Oxidschichten, um die Oberflächen der einen oder mehreren undotierten Oxidschichten freizulegen. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Abscheiden einer Membranschicht über den Oberflächen der thermischen Oxidschicht, der einen oder mehreren dotierten Oxidschichten und der einen oder mehreren undotierten Oxidschichten. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Wegätzen eines Abschnitts der zweiten Oberfläche des Substrats, um die thermische Oxidschicht freizulegen. Das Verfahren umfasst des Weiteren das Wegätzen der einen oder mehreren dotierten Oxidschichten, der einen oder mehreren undotierten Oxidschichten und eines Abschnitts der thermischen Oxidschicht von der Membranschicht. Die Membranschicht definiert einen Membran-Wandler, der durch die thermische Oxidschicht an der ersten Oberfläche des Substrats befestigt und relativ zum Substrat beweglich ist.
Bei einigen Implementierungen besteht die Membranschicht aus einem Polysilizium- oder Siliziumnitrid-Material.
Bei einigen Implementierungen hat die Membranschicht eine Dicke von 0,5µm bis 2µm.
Bei einigen Implementierungen wird die Membranschicht mittels chemischer Niederdruck-Gasphasenabscheidung abgeschieden.
Bei einigen Implementierungen ist das dotierte Opferoxid Phosphosilikatglas und das undotierte Opferoxid Silikatglas.
Figurenliste

1 ist eine schematische Darstellung eines Mikrofonsystems gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb des Mikrofonsystems aus 1 gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
3 ist eine Querschnittsansicht eines Mikrofonsystems, das einen dielektrischen Kamm und eine Balg-Membran gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung umfasst.
4 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für einen dielektrischen Kamm des Mikrofonsystems aus 3 gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
5 ist eine schematische Darstellung einer Schnittstelle zwischen dem dielektrischen Kamm und einer integrierten Schaltung gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
6 ist eine Darstellung einer Draufsicht eines weiteren Beispiels eines dielektrischen Kammes für das Mikrofonsystem aus 3 gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
7 ist eine Darstellung einer Querschnittsansicht des dielektrischen Kammes, aufgenommen entlang der Linien 7-7 von 6.
8 ist eine Teilansicht des Querschnitts des dielektrischen Kamms aus 7.
9A zeigt den dielektrischen Kamm von 3 im Vakuum. 9B zeigt den dielektrischen Kamm aus 3, der einer Kraft aufgrund von atmosphärischem Druck ausgesetzt ist. 9C zeigt den dielektrischen Kamm aus 3, der eine elektrostatische Kraft ausübt, um einen Abschnitt der Kraft aufgrund des Atmosphärendrucks auszugleichen.
10 ist eine Darstellung der Querschnittsansicht eines dielektrischen Kammes eines Mikrofons gemäß einer anderen Implementierung der vorliegenden Offenbarung.
11 ist eine Querschnittsansicht der Balg-Membran von 3 im Vakuum.
12 ist eine Querschnittsansicht der Balg-Membran von 3, die einer verteilten Kraft ausgesetzt ist, die von einem atmosphärischen Druck und/oder einem akustischen Druck ausgeübt wird.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Mikrofonsystems, das einen dielektrischen Kamm und eine Membran gemäß einer anderen Implementierung der vorliegenden Offenbarung umfasst.
14 ist eine invertierte Seitenansicht der Membran von 13 gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
15 ist ein Diagramm, das die Spannung und Durchbiegung eines Abschnitts der Membran von 13 veranschaulicht, die einer Verteilung gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung unterzogen wurde.
16 ist eine Detailansicht der Membran von 15.
17 ist eine Darstellung einer Steuerschleife des Mikrofonsystems von 3 und/oder 13, die einen dielektrischen Kamm gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung umfasst.
18 ist eine Darstellung der Abtastschleife der Steuerschleife von 17 gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
19 ist eine Darstellung eines analogen Steuersystems des Mikrofons aus 3 und/oder 13 einschließlich eines dielektrischen Kammes gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
20 ist eine Darstellung eines Steuersystems, das sowohl digitale als auch analoge Komponenten des Mikrofons aus 3 und/oder 13 einschließlich eines dielektrischen Kammes gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung umfasst.
21 ist ein Flussdiagramm, das einen Betriebsablauf des Mikrofonsystems von 3 und/oder 13 gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
22 ist ein Flussdiagramm, das einen Rückkopplungsreaktionsprozess des Mikrofonsystems von 3 und/oder 13 gemäß den Implementierungen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
23 ist eine Darstellung der Verschiebung eines dielektrischen Kammes als Ergebnis einer akustischen Kraft gegenüber der Kapazität des dielektrischen Kammes gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
24 ist eine Darstellung der Ableitung der Verschiebung eines dielektrischen Kammes als Ergebnis einer akustischen Kraft gegenüber der Ableitung der Kapazität des dielektrischen Kammes gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
25 ist eine Darstellung der Verschiebung eines dielektrischen Kammes als Ergebnis einer akustischen Kraft gegenüber der Kapazität des dielektrischen Kammes gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
26 ist eine Darstellung der Ableitung der Verschiebung eines dielektrischen Kammes als Ergebnis einer akustischen Kraft gegenüber der Ableitung der Kapazität des dielektrischen Kammes gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
27 ist eine Querschnittsansicht einer Balg-Membran, die einer verteilten Kraft ausgesetzt ist, die gemäß einigen Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung von einem atmosphärischen Druck ausgeübt wird.
28 ist eine Querschnittsansicht einer Balg-Membran, die einer verteilten Kraft ausgesetzt ist, die gemäß einigen Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung von einem atmosphärischen Druck ausgeübt wird.
29 ist eine Querschnittsansicht einer Balg-Membran, die einer verteilten Kraft ausgesetzt ist, die gemäß einigen Vorrichtungen der vorliegenden Offenbarung von einem atmosphärischen Druck ausgeübt wird.
30 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zur Herstellung einer Balg-Membran gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
31 veranschaulicht einen Schritt des Verfahrens aus 30 gemäß einigen Implementierungen der vorliegenden Offenbarung.
32 veranschaulicht einen weiteren Schritt des Verfahrens 30 gemäß einigen Implementierungen der Offenbarung.
33 veranschaulicht einen weiteren Schritt des Verfahrens 30 gemäß einigen Implementierungen der Offenbarung.
34 veranschaulicht einen weiteren Schritt des Verfahrens 30 gemäß einigen Implementierungen der Offenbarung.
35 veranschaulicht einen weiteren Schritt des Verfahrens 30 gemäß einigen Implementierungen der Offenbarung.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen verwiesen, die einen Teil davon bilden. In den Zeichnungen kennzeichnen ähnliche Symbole in der Regel ähnliche Komponenten, es sei denn, der Kontext schreibt etwas anderes vor. Die illustrativen Implementierungen, die in der detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen beschrieben werden, sind nicht als einschränkend zu verstehen. Es können andere Implementierungen verwendet und andere Zeichnungen angefertigt werden, ohne den Geist oder den Umfang des hier vorgestellten Themas zu verlassen. Es versteht sich von selbst, dass Aspekte der vorliegenden Offenbarung, wie sie hier allgemein beschrieben und in den Figuren veranschaulicht werden, in einer Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen angeordnet, ersetzt, kombiniert und gestaltet werden können, die alle ausdrücklich in Betracht gezogen werden und Teil dieser Offenbarung sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Leistungsverluste in Mikrofonen mikroelektromechanischer Systeme („microelectromechanical systems“, MEMS) entstehen durch viskose Verluste von der Rückplatte einer MEMS-Vorrichtung. Die negativen Auswirkungen der viskosen Verluste auf die Mikrofonleistung nehmen mit abnehmender Mikrofongröße zu. Die viskosen Verluste der Rückplatte können erheblich reduziert werden, wenn das MEMS-Bauteil unter Niederdruck- oder idealerweise Vakuumbedingungen eingekapselt wird. Die Verkapselung unter Niederdruck- oder Vakuumbedingungen macht das MEMS-Bauteil jedoch anfälliger für Reaktionen auf Änderungen des Atmosphärendrucks, was zu Rauschen in den akustischen Signalen und/oder Daten führen kann, die vom MEMS-Bauteil erfasst werden. Der atmosphärische Druck auf Meereshöhe beträgt 100kPa, was etwa 3 Größenordnungen über dem dynamischen Bereich des akustischen Drucks (200Pa) liegt. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich darauf, gemessenen Schwankungen des Atmosphärendrucks durch die Erzeugung einer entgegenwirkenden elektrostatischen Kraft entgegenzuwirken.
Die vorliegende Offenbarung stellt einen dielektrischen Kamm („dielectric comb“) zur Verwendung mit einem MEMS-Wandler zur Verfügung. Der dielektrische Kamm umfasst Leiter, die neben dielektrischen Isolatoren angeordnet sind. Ein Abschnitt der Leiter ist für die Erfassung der akustischen Aktivität und ein Abschnitt der Leiter für die Erfassung des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts ausgelegt. Das atmosphärische Druckabtastsignal, das von bestimmten Abschnitten des Leiters erfasst wird, wird verwendet, um mit Hilfe einer Ladungspumpe eine Vorspannungsladung zu erzeugen, um dem atmosphärischen Druck entgegenzuwirken und das durch Schwankungen des atmosphärischen Drucks verursachte Rauschen zu reduzieren. Die Vorspannung bewirkt eine elektrostatische Kraft zwischen benachbarten Leitern, die der durch Schwankungen des Atmosphärendrucks verursachten Kraft entgegenwirkt.
Die vorliegende Offenbarung stellt auch eine Balg-Membran zur Verwendung mit einem MEMS-Wandler zur Verfügung. Die Balg-Membran umfasst eine Vielzahl von Platten, die durch nachgiebige Strukturen verbunden sind, die sich ausdehnen können, ohne steif zu werden. Die Balg-Membran ist oberhalb des dielektrischen Kammes befestigt. Die Balg-Membran dehnt sich als Reaktion auf den atmosphärischen Druck und auf akustische Aktivität aus und wieder ein. Die Balg-Membran ist so konfiguriert, dass durch akustische Aktivität ausgeübte Kräfte bewirken, dass sich die Balg-Membran weit genug ausdehnt, um eine Kraft auf den dielektrischen Kamm auszuüben.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch eine geschichtete Membran, die eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst. Die erste Schicht besteht aus einem relativ steifen Material, wie beispielsweise einem Metall, und ist relativ dünn. Die zweite Schicht besteht aus einem relativ elastischen Material und ist dicker als die erste Schicht. Die geschichtete Membran ist über dem dielektrischen Kamm befestigt und dehnt sich als Reaktion auf den atmosphärischen Druck und als Reaktion auf akustische Aktivität aus und wieder ein. Die erste Schicht ist ausreichend steif, um in einer Kavität, die wenigstens einen Abschnitt des dielektrischen Kamms umgibt, ein Vakuum zu halten. Die zweite Schicht ist so strukturiert, dass sie konzentrierte Spannungen aufnimmt, die durch Auslenkung der geschichteten Membran relativ zum MEMS-Wandler erzeugt werden, und diese Spannungen als verteilte Kraft auf die erste Schicht aufbringt. Die erste Schicht und die zweite Schicht sind so konfiguriert, dass die geschichtete Membran mehrere Zyklen des Ausziehens und Zurückziehens durchlaufen kann, ohne steif zu werden.
Wie in 1 dargestellt, bezieht sich eine Implementierung auf eine Mikrofonvorrichtung 10, die eine Kontaktvorrichtung 14, eine Sensorvorrichtung 18 und eine Verarbeitungsschaltung 22 umfasst. Die Kontaktvorrichtung 14 ist so ausgelegt, dass sie einen physischen Kontakt mit der Sensorvorrichtung 18 herstellt. Die Kontaktvorrichtung 14 ist so konstruiert, dass sie unter atmosphärischen Druckbedingungen eine Kraft auf die Sensorvorrichtung 18 ausübt. Der atmosphärische Druck variiert in Abhängigkeit von der Höhe und den Änderungen der Wetterbedingungen. Dementsprechend bezieht sich der hier verwendete Begriff „atmosphärischer Druck“ auf Drücke zwischen 20kPa (beispielsweise auf dem Gipfel des Mount Everest) und 100kPa (beispielsweise auf Meereshöhe). Die von der Kontaktvorrichtung 14 auf die Sensorvorrichtung 18 ausgeübte Kraft ändert sich als Reaktion auf Druckänderungen. Die Kontaktvorrichtung 14 kann jede Art von Vorrichtung sein, die so aufgebaut ist, dass sich wenigstens ein Abschnitt der Kontaktvorrichtung 14 als Reaktion auf Druckänderungen bewegt und die auf die Sensorvorrichtung 18 ausgeübte Kraft ändert. In einigen Implementierungen ist die Kontaktvorrichtung 14 so strukturiert, dass sie als Reaktion auf eine Druckänderung auslenkt, so dass ein Abschnitt der Kontaktvorrichtung 14 die Sensorvorrichtung 18 berührt, während ein anderer Abschnitt der Kontaktvorrichtung 14 fest bleibt. Bei den Druckänderungen kann es sich um eine Änderung des umgebenden atmosphärischen Drucks und/oder um eine durch einen akustischen Druck (beispielsweise ein Geräusch) verursachte Druckänderung handeln. Die Sensorvorrichtung 18 ist so aufgebaut, dass sie sich bewegt, wenn sie von der Kontaktvorrichtung 14 kontaktiert wird (beispielsweise als Reaktion auf die von der Kontaktvorrichtung 14 ausgeübte Kraft).
Die Sensorvorrichtung 18 umfasst einen atmosphärischen Abtastabschnitt 26 und einen akustischen Abtastabschnitt 30. Der atmosphärische Abtastabschnitt 26 ist so strukturiert, dass er ein elektronisches Signal erzeugt, das repräsentativ für die Auslenkung der Sensorvorrichtung 18 ist, die als Reaktion auf eine Änderung des atmosphärischen Drucks auftritt. Der akustische Abtastabschnitt 30 ist so strukturiert, dass er ein elektronisches Signal erzeugt, das für die Ablenkung repräsentativ ist, die als Reaktion auf eine Druckänderung aufgrund einer Änderung des akustischen Drucks auftritt (beispielsweise aufgrund eines akustischen Reizes und/oder einer akustischen Aktivität, wie beispielsweise eines Schalls). Bei einigen Implementierungen wird die Sensorvorrichtung 18 in einem Vakuum positioniert, so dass die Sensorvorrichtung 18 von Bewegungen isoliert ist, die nicht durch die Kontaktvorrichtung 14 verursacht werden.
Die Verarbeitungsschaltung 22 umfasst einen atmosphärischen Verarbeitungsabschnitt 34 und einen akustischen Verarbeitungsabschnitt 38. Die Verarbeitungsschaltung 22 ist so aufgebaut, dass sie das von der Sensorvorrichtung 18 erzeugte Signal empfängt. In einigen Implementierungen kann der atmosphärische Abtastabschnitt 26 der Sensorvorrichtung 18 so strukturiert sein, dass er Signale an den atmosphärischen Verarbeitungsabschnitt 34 sendet, und der akustische Abtastabschnitt 30 der Sensorvorrichtung 18 kann so strukturiert sein, dass er Signale an den akustischen Verarbeitungsabschnitt 38 sendet. In einer solchen Implementierung kann der atmosphärische Abtastabschnitt 26 mit dem atmosphärischen Verarbeitungsabschnitt 34 und der akustische Abtastabschnitt 30 mit dem akustischen Verarbeitungsabschnitt 38 gekoppelt werden. Genauer gesagt kann der atmosphärische Abtastabschnitt 26 mit dem atmosphärischen Verarbeitungsabschnitt 34 unter Verwendung von Leitungen und Leiterbahnen fest verdrahtet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen dem atmosphärischen Abtastabschnitt 26 und dem atmosphärischen Verarbeitungsabschnitt 34 herzustellen. In ähnlicher Weise kann der akustische Abtastabschnitt 30 unter Verwendung von Leitungen und Leiterbahnen mit dem akustischen Verarbeitungsabschnitt 38 fest verdrahtet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen dem akustischen Abtastabschnitt 30 und dem akustischen Verarbeitungsabschnitt 38 herzustellen. Die Verarbeitungsschaltung 22 verarbeitet das (die) Signal(e), um Daten und/oder Signale zu erzeugen, die auf akustische Aktivität hinweisen (d.h. akustische Signale und/oder Daten), sowie Daten und/oder Signale, die auf den Atmosphärendruck hinweisen (d.h. Atmosphärendruck-Signale und/oder Daten). In einigen Implementierungen kann der atmosphärische Abtastabschnitt 34 eine Vorspannung der Sensorvorrichtung 18 basierend auf dem von der Sensorvorrichtung 18 empfangenen Signal ändern. Nachdem der akustische Verarbeitungsabschnitt 38 die akustischen Signale und/oder Daten erzeugt hat, können die akustischen Signale und/oder Daten in einem Speicher (beispielsweise der Verarbeitungsschaltung und/oder einer Speichervorrichtung in drahtgebundener oder drahtloser Kommunikation mit dem akustischen Verarbeitungsabschnitt 38) gespeichert werden. Die akustischen Signale und/oder Daten können auch über eine drahtlose oder drahtgebundene Verbindung an ein Empfangsgerät, beispielsweise einen Lautsprecher, gesendet werden. In einigen Implementierungen können die akustischen Signale und/oder Daten korrigiert werden, um die Nichtlinearität der Sensorvorrichtung, Schwankungen, die während der Herstellung aufgetreten sind, und/oder die Temperatur zu kompensieren. In solchen Implementierungen können Kompensationskoeffizienten zur Verwendung bei der Kompensation im Speicher gespeichert werden.
2 zeigt ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Mikrofonvorrichtung 10 gemäß einer Umsetzung der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Die Kontaktvorrichtung 14 lenkt als Reaktion auf die Erkennung einer Druckänderung aus (58). Die Auslenkung der Kontaktvorrichtung 14 bewirkt eine physische Bewegung der Sensorvorrichtung 18 (62). Der atmosphärische Abtastabschnitt 26 und/oder der akustische Abtastabschnitt 30 erzeugen ein oder mehrere elektrische Signale auf Grundlage der physikalischen Bewegung der Sensorvorrichtung 18 (66). Die Verarbeitungsschaltung 22 empfängt das (die) elektrische(n) Signal(e) von der Sensorvorrichtung 18 (70). In einigen Implementierungen erzeugen der atmosphärische Abtastabschnitt 26 und der akustische Abtastabschnitt 30 jeweils getrennte elektrische Signale, die die auf die Vorrichtung ausgeübte Kraft anzeigen (beispielsweise aufgrund sowohl des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts als auch des akustischen Drucks).
Beispielsweise ist der atmosphärische Abtastabschnitt 26 so konfiguriert oder aufgebaut, dass er elektrische Signale an den atmosphärischen Verarbeitungsabschnitt 34 über die Leitungen und Leiterbahnen überträgt, die die elektrische Verbindung zwischen dem atmosphärischen Abtastabschnitt 26 und dem atmosphärischen Verarbeitungsabschnitt 34 bilden. Der atmosphärische Verarbeitungsabschnitt 34 ist so strukturiert, dass er die Komponente des elektrischen Signals entfernt, das auf Grundlage des Schalldrucks erzeugt wird. In ähnlicher Weise ist der akustische Abtastabschnitt 30 so konfiguriert oder strukturiert, dass Signale an den akustischen Verarbeitungsabschnitt 38 übertragen werden, wobei die Leitungen und Leiterbahnen verwendet werden, die die elektrische Verbindung zwischen dem akustischen Abtastabschnitt 30 und dem akustischen Verarbeitungsabschnitt 38 bilden. Der akustische Verarbeitungsabschnitt 38 ist so strukturiert, dass er die Komponente des elektrischen Signals entfernt, das auf Grundlage des Atmosphärendrucks erzeugt wird.
Die Verarbeitungsschaltung 22 erzeugt verarbeitete Signale und/oder Daten, die repräsentativ sind für Änderungen des Atmosphärendrucks und Änderungen des Schalldrucks, wie sie von der Sensorvorrichtung 18 (74) erfasst werden. In einigen Implementierungen kann der atmosphärische Abtastabschnitt 34 eine Vorspannung der Sensorvorrichtung 18 basierend auf dem von der Sensorvorrichtung 18 empfangenen Signal ändern. Nachdem der akustische Verarbeitungsabschnitt 38 die akustischen Signale und/oder Daten erzeugt hat, können die akustischen Signale und/oder Daten in einem Speicher (beispielsweise der Verarbeitungsschaltung und/oder einer Speichervorrichtung in drahtgebundener oder drahtloser Kommunikation mit dem akustischen Verarbeitungsabschnitt 38) gespeichert werden. Die akustischen Signale und/oder Daten können auch über eine drahtlose oder drahtgebundene Verbindung an eine Empfangsvorrichtung, wie beispielsweise einen Lautsprecher, gesendet werden (78).
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Mikrofonvorrichtung 82 gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung. Während die in 3 und den nachfolgenden Figuren der vorliegenden Offenbarung dargestellte Mikrofonvorrichtung 82 illustrative Implementierungen der Merkmale der vorliegenden Offenbarung darstellt, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass in einigen Implementierungen andere strukturelle Merkmale verwendet werden können, um die oben mit Bezug auf die 1-2 beschriebenen und weiter unten näher beschriebenen Merkmale zu implementieren.
Die Mikrofonvorrichtung 82 umfasst ein Substrat oder Gehäuse 86, eine Balg-Membran 94, einen dielektrischen Kamm 98, ein Ladungspumpensystem 102 und eine integrierte Schaltung (IC) 106. Zusammen bilden diese Komponenten einen MEMS-Wandler, der so konfiguriert ist, dass er akustische Aktivität und Änderungen des Atmosphärendrucks erfasst. Der dielektrische Kamm 98 umfasst einen akustischen Abtastabschnitt 110 und einen Rückkopplungs- oder Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114. Der IC 106 umfasst einen Akustiksignal-Verarbeitungsabschnitt oder eine Akustiksignal-Detektionsschleife 304 und einen Atmosphärenverarbeitungsabschnitt oder eine Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 (17). Wie weiter unten ausführlicher besprochen wird, ist der akustische Abtastabschnitt 110 mit der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 und der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 mit der Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 gekoppelt. 3 zeigt den auf dem Substrat 86 der Mikrofonvorrichtung ausgebildeten IC 106. In anderen Implementierungen kann der IC 106 auf einem oder mehreren vom Substrat 86 getrennten Substraten ausgebildet sein. In solchen Implementierungen kann der IC 106 unter Verwendung einer Kombination von Drähten, Leiterbahnen und/oder Kabeln an die Mikrofonvorrichtung 82 angeschlossen werden.
Der akustische Abtastabschnitt 110 und der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 sind in 3 schematisch als Blöcke dargestellt. Wie aus der relativen Größe des akustischen Abtastabschnitts 110 und des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts 114 ersichtlich ist, bildet der akustische Abtastabschnitt 110 in der dargestellten Ausführung im Wesentlichen 90% des dielektrischen Kamms 98 und der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 im Wesentlichen 10% des dielektrischen Kamms 98. In anderen Implementierungen können der akustische Abtastabschnitt 110 und der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 unterschiedliche Anteile des dielektrischen Kamms 98 bilden. Zum Beispiel bildet der akustische Abtastabschnitt 110 in einigen Implementierungen im Wesentlichen 80% des dielektrischen Kammes 98 und der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 im Wesentlichen 20% des dielektrischen Kammes 98. Dementsprechend hat der akustische Abtastabschnitt 110 in einigen Ausführungsformen eine höhere Auflösung (beispielsweise einen größeren Anteil des Kammes) als der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114, wodurch der akustische Abtastabschnitt 110 ein stärkeres elektrisches Signal empfangen kann, wodurch der akustische Abtastabschnitt 110 auf kleinere Druckänderungen empfindlich reagieren kann. Jedes Verhältnis von akustischen Abtastabschnitten zu atmosphärischen Abtastabschnitten kann jedoch in anderen Implementierungen verwendet werden. Bei einigen Vorrichtungen können, wie in 3 dargestellt, der akustische Abtastabschnitt 110 und der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 in verschiedene Abschnitte des dielektrischen Kammes 98 getrennt werden, während bei anderen Vorrichtungen die Komponenten des akustischen Abtastabschnitts 110 und des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts 114 über den dielektrischen Kamm 98 verteilt (d.h. miteinander vermischt) sein können, wie in 4 gezeigt und unten ausführlicher beschrieben wird.
Das Substrat 86 umfasst eine vordere Oberfläche (erste Oberfläche) 118 und eine gegenüberliegende hintere Oberfläche (zweite Oberfläche) 122. Der dielektrische Kamm 98, das Ladungspumpensystem 102 und der IC 106 sind auf der Vorderfläche 118 des Substrats 86 angeordnet. Eine erste Kavität 126 ist in der Vorderfläche 118 des Substrats 86 ausgebildet. Der dielektrische Kamm 98 ist in einem oberen Abschnitt der ersten Kavität 126 positioniert und erstreckt sich über die erste Kavität 126, um die erste Kavität 126 zu umschließen.
Die Balg-Membran 94 ist so aufgebaut, dass sie eine Druckänderung in eine physikalische Bewegung umwandelt, die vom dielektrischen Kamm 98 erfasst werden kann. So wird beispielsweise bei der in 3 dargestellten Ausführung die Balg-Membran 94 durch den atmosphärischen Druck in physischem Kontakt mit dem dielektrischen Kamm 98 gehalten und übt eine Kraft auf den dielektrischen Kamm 98 aus. Druckänderungen (beispielsweise Änderungen des Atmosphärendrucks und/oder Änderungen des Schalldrucks) bewirken eine Auslenkung der Balg-Membran 94 (beispielsweise nach oben oder unten) und erhöhen oder verringern die auf den dielektrischen Kamm 98 ausgeübte Kraft. Die Balg-Membrane 94 umfasst eine äußere Balgplatte 90. Die äußere Balgplatte 90 umfasst eine vordere Fläche (erste Fläche) 130 und eine gegenüberliegende hintere Fläche (zweite Fläche) 134. Die äußere Balgplatte 90 umfasst eine Durchgangsbohrung 138, die sich zwischen der Vorderfläche 130 und der Rückfläche 134 der äußeren Balgplatte 90 erstreckt. In einer Normalenrichtung zur Vorderfläche 130 der äußeren Balgplatte 90 betrachtet, hat die äußere Balgplatte 90 eine im Wesentlichen ringförmige Form. Wie in 3 dargestellt, ist eine Vielzahl von Balgplatten so an der Balgstruktur 90 befestigt, dass ein oberer Abschnitt einer der Vielzahl von Balgplatten die Durchgangsbohrung 138 umgibt, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird. Wenn die Balg-Membrane 94 unter atmosphärischem Druck steht, berührt ein unterer Abschnitt der Balg-Membrane 94 den dielektrischen Kamm 98. Wenn die Balg-Membran 94 nicht unter dem Einfluss des atmosphärischen Drucks steht (beispielsweise wenn die Mikrofonvorrichtung 82 in eine Vakuumkammer gestellt würde, um den Einfluss des atmosphärischen Drucks zu beseitigen), ist der untere Abschnitt der Balg-Membran 94 vom dielektrischen Kamm 98 beabstandet, wie in 3 dargestellt. In der dargestellten Ausführung ist der untere Abschnitt der Balg-Membran 94 etwa 10 - 20µm vom dielektrischen Kamm 98 beabstandet, wenn die Balg-Membran 94 nicht unter dem Einfluss des Atmosphärendrucks steht.
Die Rückfläche 134 der äußeren Balgplatte 90 wird mit einem Verbindungsmaterial 142 an einem Abschnitt der Vorderfläche 118 des Substrats 86 befestigt. Die äußere Balgplatte 90, die vordere Fläche 118 des Substrats 86 und eine obere Fläche des dielektrischen Kammes 98 definieren dazwischen eine zweite Kavität 146. Bei einigen Implementierungen wird die Rückseite 134 der äußeren Balgplatte 90 im Vakuum an der Vorderseite 118 des Substrats 86 befestigt, so dass die erste Kavität 126 und die zweite Kavität 146 Vakuum sind. Wie hier verwendet, ist der Begriff „Vakuum“ definiert als Drücke kleiner oder gleich 10Pa. Bei einer solchen Implementierung verschmilzt das Verbindungsmaterial 142 die vordere Oberfläche 118 des Substrats 86 mit der hinteren Oberfläche 134 der äußeren Balgplatte 90. Das Verbindungsmaterial 142 bildet eine feste Schicht, die sich über die vordere Fläche 118 der Oberfläche erstreckt. In der abgebildeten Implementierung wird das Verbindungsmaterial 142 in der Nähe des dielektrischen Kammes 98 und des Ladungspumpensystems 102 entfernt. Wie in 3 dargestellt, wird die zweite Kavität 146 zwischen der Rückfläche 134 der äußeren Balgplatte 90, dem Verbindungsmaterial 142 und dem dielektrischen Kamm 98 gebildet. Die Balg-Membran 94 kann innerhalb der zweiten Kavität 146 aus- und eingefahren werden. Bei Ausführungen, bei denen die erste Kavität 126 und die zweite Kavität 146 unter Vakuum stehen, reduziert der Luftmangel (aufgrund des vorhandenen Vakuums) die Geräusche, indem er die Reibung der Balg-Membran 94 beim Aus- und Einfahren der Balg-Membran 94 innerhalb der zweiten Kavität 146 verringert. In ähnlicher Weise reduzieren die Vakuumbedingungen in der ersten Kavität 126 und der zweiten Kavität 146 die Reibung des dielektrischen Kammes 98, wenn sich der dielektrische Kamm 98 in der ersten Kavität 126 und der zweiten Kavität 146 als Reaktion auf das Ausfahren und Zurückziehen der Balg-Membran 94 nach oben und unten auslenkt.
4 zeigt eine schematische Darstellung des dielektrischen Kammes 98 gemäß einer Umsetzung der vorliegenden Offenbarung. 5 ist eine schematische Darstellung der Verbindungen zwischen einer Vielzahl von Leitern 154A, 154B, 154C, 154D mit dem IC 106. Der dielektrische Kamm 98 ist innerhalb der ersten Kavität 126 des Substrats 86 positioniert. Der dielektrische Kamm 98 umfasst eine Vielzahl dielektrischer Stäbe 150, die Vielzahl von Leitern 154A - 154D, einen ersten Isolator 158 und einen zweiten Isolator 162. Die dielektrischen Stäbe 150 sind fest an den Seitenwänden befestigt, die die erste Kavität 126 bilden. Die Leiter 154A - 154D sind zwischen dem ersten Isolator 158 und dem zweiten Isolator 162 befestigt. Der erste Isolator 158 und der zweite Isolator 162 sind auf dem Substrat 86 befestigt und in Bezug auf die erste Kavität 126 beweglich. Gemäß der Auslenkung der Balg-Membran 94, die eine Bewegung des dielektrischen Kammes 98 bewirkt, werden die Leiter 154A - 154D relativ zu den dielektrischen Stäben 150 verschoben, wie weiter unten ausführlicher besprochen wird.
Wie oben beschrieben, umfasst der dielektrische Kamm 98 den Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 und den akustischen Abtastabschnitt 110. Bei der Umsetzung von 4 sind die Komponenten des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts 114 und des akustischen Abtastabschnitts 110 über den dielektrischen Kamm 98 verteilt. Die Leiter 154A und 154B bilden den akustischen Abtastabschnitt 110 und sind mit der Schalldruckkompensationsschleife 304 gekoppelt. Die Leiter 154C und 154D bilden den Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 und sind mit der Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 gekoppelt. Die Umsetzung von 4 zeigt eine gleiche Anzahl der Leiter 154A und 154B zur Erfassung akustischer Kräfte und der Leiter 154C und 154D zur Erfassung atmosphärischer Kräfte. In anderen Implementierungen können unterschiedliche Anteile von Leitern für die Erfassung akustischer Kräfte und Leitern für die Erfassung atmosphärischer Kräfte verwendet werden. Beispielsweise sind in einigen Implementierungen 90% der Leiter für die Erfassung akustischer Kräfte und 10% der Leiter für die Erfassung atmosphärischer Kräfte vorgesehen. Zum Beispiel bildet in einigen Anwendungen der akustische Abtastabschnitt 110 im Wesentlichen 80% des dielektrischen Kammes 98 und der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 im Wesentlichen 20% des dielektrischen Kammes 98.
Beispielsweise bilden bei der Implementierung von 4 die Leiter 154A und 154B den akustischen Abtastabschnitt 110 und sind mit der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 gekoppelt. Genauer gesagt, wie in 5 schematisch dargestellt ist, ist ein Ende jedes der Leiter 154A parallel mit der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 durch ein Pad 156A unter Verwendung einer Kombination von Leitungen und Leiterbahnen verbunden, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen jedem der Leiter 154A und der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 zu bilden. In ähnlicher Weise ist ein Ende jedes der Leiter 154B durch das Pad 156B unter Verwendung einer Kombination von Leitungen und Spuren parallel mit der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 verbunden, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen jedem der Leiter 154B und der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 zu bilden. Ein Ende jedes Leiters 154C ist parallel mit der Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 durch das Pad 156C unter Verwendung einer Kombination von Leitungen und Leiterbahnen verbunden, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen jedem der Leiter 154C und der Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 zu bilden. In ähnlicher Weise ist ein Ende jedes der Leiter 154D durch das Pad 156D parallel mit der Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 verbunden, wobei eine Kombination von Leitungen und Leiterbahnen verwendet wird, um einen elektrisch leitenden Pfad zwischen jedem der Leiter 154D und der Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 zu bilden.
Der dielektrische Kamm 98 ist so aufgebaut, dass jeder der Leiter 154A - 154D neben wenigstens einem der dielektrischen Stäbe 150 angeordnet ist. Die dielektrischen Stäbe 150 sind im Abstand zu den Leitern 154A - 154D angeordnet, um die Bewegung der Leiter 154A - 154D in vertikaler Richtung bei der Bewegung des dielektrischen Kamms 98 zu begrenzen. Wie in 4 dargestellt, überlappen wenigstens ein Abschnitt der benachbarten Leiter 154A - 154D und dielektrischen Stäbe 150. Ein Vorspannungsstrom wird an jeden der Leiter 154A - 154D angelegt und eine Vorspannung wird über benachbarte Leiter 154A - 154D angelegt. Die dielektrischen Stäbe 150 bestehen aus einem elektrisch isolierenden dielektrischen Material und verhindern, dass die Anziehungskräfte zwischen benachbarten Leitern 154A - 154D dazu führen, dass die Leiter 154A - 154D ineinander kollabieren. Der Grad der Überlappung zwischen den dielektrischen Stäben 150 und den Leitern 154A - 154D variiert, wenn durch die Balg-Membran 94 Kräfte auf den dielektrischen Kamm 98 ausgeübt werden. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, bewirkt die Änderung des Überlappungsgrades zwischen den dielektrischen Stäben 150 und den Leitern 154A - 154D eine Änderung der Vorspannung, die über benachbarte Leiter 154A - 154D angelegt wird, wodurch ein elektrisches Signal erzeugt wird.
Die Isolatoren 158, 162 bestehen aus einem elastischen Material, das es den Isolatoren 158, 162 (und damit auch dem dielektrischen Kamm 98) ermöglicht, sich bei einer erhöhten Kraft, die von der Balg-Membran 94 auf den dielektrischen Kamm 98 ausgeübt wird (beispielsweise Auslenkung der Balg-Membran 94 nach unten), als Reaktion auf einen Druckanstieg der Balg-Membran 94 nach unten durchzubiegen. Die Isolatoren 158, 162 biegen bei einer Verringerung der von der Balg-Membran 94 auf die Isolatoren 158, 162 ausgeübten Kraft (beispielsweise Auslenkung der Balg-Membran 94 nach oben) nach oben aus. Die Isolatoren 158, 162 sind geerdet, um den dielektrischen Kamm 98 elektrisch zu isolieren.
6 ist eine vereinfachte Draufsicht auf den dielektrischen Kamm 98 gemäß einer Umsetzung der vorliegenden Offenbarung. Des Weiteren ist zwar in 6 eine partielle Kammstruktur dargestellt, es sollte jedoch verstanden werden, dass der dielektrische Kamm 98 eine größere Kammstruktur (beispielsweise mehr Leiter und dielektrische Stäbe) umfassen kann, als in 6 dargestellt ist. Die in 6 dargestellten Leiter können entweder den Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 oder den akustischen Abtastabschnitt 110 des dielektrischen Kamms 98 bilden.
Der dielektrische Kamm 98 ist innerhalb der ersten Kavität 126 im Substrat 86 positioniert. Die erste Kavität 126 ist durch eine erste Seitenwand 166, eine zweite Seitenwand 170 und eine Bodenwand 174 definiert (7). In der dargestellten Implementierung ist die erste Kavität 126 ein Vakuum. Ein erster dielektrischer Stab 178, ein zweiter dielektrischer Stab 182, ein erster Leiter 186, ein zweiter Leiter 190 und ein dritter Leiter 194 sind in der ersten Kavität 126 positioniert. Der erste dielektrische Stab 178 und der zweite dielektrische Stab 182 sind fest innerhalb der ersten Kavität 126 befestigt (beispielsweise an den Seitenwänden 166, 170). Der erste dielektrische Stab 178 und der zweite dielektrische Stab 182 sind aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt. Der erste dielektrische Stab 178 ist von der ersten Seitenwand 166 beabstandet, so dass der erste Leiter 186 zwischen dem ersten dielektrischen Stab 178 und der ersten Seitenwand 166 positioniert werden kann. Der erste dielektrische Stab 178 ist von dem zweiten dielektrischen Stab 182 beabstandet, so dass der zweite Leiter 190 zwischen dem ersten dielektrischen Stab 178 und dem zweiten dielektrischen Stab 182 positioniert werden kann. Der zweite dielektrische Stab 182 ist von der zweiten Seitenwand 170 beabstandet, so dass der dritte Leiter 194 zwischen dem zweiten dielektrischen Stab 182 und der zweiten Seitenwand 170 positioniert werden kann. Ein Vorspannungsstrom wird an die Leiter 186, 190, 194 angelegt. In anderen Implementierungen kann der dielektrische Kamm 98 mehr oder weniger Leiter als in den 6 - 7 dargestellt aufweisen, solange die dielektrischen Stäbe zwischen benachbarten Leitern positioniert sind und eine Vorspannung über benachbarte Leiter angelegt wird. Wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird, sind die Leiter 186, 190, 194 in Bezug auf die dielektrischen Stäbe 178, 182 und die Seitenwände 166, 170 beweglich. Die Positionierung der dielektrischen Stäbe 178, 182 zwischen benachbarten Leitern 186, 190, 194 beschränkt die Leiter 186, 190, 194 auf eine Bewegung in allgemein vertikaler Richtung. In einigen Anwendungen sind die dielektrischen Stäbe 178, 182 und die angrenzenden Leiter 186, 190, 194 trapezförmig mit Seitenwänden, die bis zu 3° von der Senkrechten abweichen. Die Positionierung der dielektrischen Stäbe 178, 182 zwischen benachbarten Leitern 186, 190, 194 ermöglicht die Erzeugung großer vertikaler elektrostatischer Kräfte zwischen den dielektrischen Stäben 178, 182 und benachbarten Leitern 186, 190, 194 ohne das Risiko einer elektrostatischen Instabilität und eines Zusammenbruchs zwischen benachbarten Leitern 186, 190, 194.
7 ist eine Querschnittsansicht des dielektrischen Kammes 98 gemäß einer Umsetzung der vorliegenden Offenbarung. Der dielektrische Kamm 98 umfasst des Weiteren einen ersten Isolator 198 und einen zweiten Isolator 202. Der erste Isolator 198 und der zweite Isolator 202 sind aus einem elastischen Material hergestellt und biegen sich als Reaktion auf Kräfte, die von der Balg-Membran 94 auf den dielektrischen Kamm 98 ausgeübt werden, durch. Die Isolatoren 198, 202 können aus Siliziumnitrid, undotiertem polykristallinem Silizium, Siliziumoxynitrid, Kohlenstoff (als Diamant), Aluminiumoxid, Hafniumoxid und Zirkoniumdioxid hergestellt werden. Der erste Isolator 198 erstreckt sich über eine Öffnung der ersten Kavität 126. Der erste Isolator 198 umfasst eine erste Isolierschicht 206 und eine erste leitende Schicht 210. Eine innere (beispielsweise in der Nähe der Leiter 186, 190, 194) Oberfläche 214 der ersten Isolierschicht 206 umfasst Vorsprünge 218, die sich in die erste Kavität 126 erstrecken und an einem ersten Ende jedes der Leiter 186, 190, 194 befestigt sind. Die erste leitende Schicht 210 erstreckt sich über eine Außenfläche 222 der ersten Isolierschicht 206. In einigen Implementierungen kann die erste leitende Schicht 210 geerdet werden. In anderen Implementierungen kann die erste leitende Schicht 210 an ein elektrisches Potential angeschlossen werden. Der zweite Isolator 202 befindet sich innerhalb der ersten Kavität 126. Der zweite Isolator 202 umfasst eine zweite Isolierschicht 226 und eine zweite leitende Schicht 230. Eine Innenfläche 234 der zweiten Isolierschicht 226 erstreckt sich zwischen einem zweiten Ende jedes der Leiter 186, 190, 194. In der in 7 dargestellten Ausführung ist die Innenfläche 234 der zweiten Isolierschicht 226 im Wesentlichen planar. In anderen Ausführungen kann die Innenfläche 234 der zweiten Isolierschicht 226 ähnliche Vorsprünge wie die Vorsprünge 218 umfassen. Die zweite leitende Schicht 230 erstreckt sich über eine Außenfläche der zweiten Isolierschicht 226. In einigen Implementierungen kann die zweite leitende Schicht 230 geerdet werden. In anderen Implementierungen kann die zweite leitende Schicht 230 an ein elektrisches Potential angeschlossen werden. Die Vorsprünge 218, 222 können verwendet werden, um einen gewünschten Abstand/eine gewünschte Ausrichtung der Leiter 186, 190, 194 innerhalb des dielektrischen Kammes 98 zu bilden.
8 ist eine Teilansicht des Querschnitts des in 7 gezeigten dielektrischen Kamms. Wie in 8 dargestellt, können die Leiter 186, 190, 194 eine Leiterlänge L_c aufweisen, die zwischen 4 Mikrometer (µm) und 6µm liegen kann. Die Leiter 186, 190, 194 können eine Leiterbreite W_C aufweisen, die zwischen 0,8µm und 1,2µm liegen kann. In einigen Ausführungen werden die Leiter 186, 190, 194 aus polykristallinem, dotiertem Silizium hergestellt. In einigen Ausführungen können die Dotierstoffe Bor, Phosphor und Arsen sein. In einigen Ausführungsformen können die Dotierungskonzentrationen zwischen etwa 10¹⁸ Atome/cm³ Dotierstoff und etwa 10²⁰ Atome/cm³ Dotierstoff liegen. In anderen Ausführungen können andere Dotierstoffe und/oder andere Dotierkonzentrationen verwendet werden. Die dielektrischen Stäbe 178, 182 können eine dielektrische Stablänge L_B aufweisen, die zwischen 150µm und 500µm liegen kann. Die dielektrischen Stäbe 178, 182 können eine dielektrische Stabbreite WB haben, die zwischen 1µm und 5µm liegen kann. Der Abstand S zwischen den benachbarten Leitern 186, 190, 194 und den dielektrischen Stäben 178, 182 kann zwischen 160nm und 500nm liegen. Bei einigen Implementierungen bestehen der erste dielektrische Stab 178 und der zweite dielektrische Stab 182 aus Siliziumnitrid oder polykristallinem Silizium, das nicht dotiert wurde.
Unter weiterer Bezugnahme auf 8 kann die erste Isolierschicht 206 eine erste Isolierschichtlänge L_L1 aufweisen, die zwischen 1,6µm und 2,4µm liegen kann. Die zweite Isolierschicht 226 kann eine zweite Isolierschichtlänge L_L2 aufweisen, die zwischen 1,6µm und 2,4µm liegen kann. In der dargestellten Ausführung ist die erste Isolierschichtlänge L_L1 im Allgemeinen gleich der zweiten Isolierschichtlänge L_L2. In anderen Implementierungen kann sich die erste Isolierschichtlänge L_L1 von der zweiten Isolierschichtlänge L_L2 unterscheiden. In einigen Implementierungen sind die Isolatoren 198, 202 aus Siliziumnitrid, polykristallinem Silizium oder anderen Polymeren hergestellt. In der abgebildeten Ausführung kann die Innenfläche 214 der ersten Isolierschicht 206 in einem Abstand D von der Innenfläche 234 der zweiten Isolierschicht 226 positioniert werden. Der Abstand D kann zwischen 8µm und 12µm liegen. In der abgebildeten Ausführung ist der Abstand D im Allgemeinen doppelt so groß wie die Leiterlänge LC. Es ist zu beachten, dass die hier angegebenen Beispielwerte nur zur Veranschaulichung dienen und alle Werte für verschiedene Dimensionen verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
Die 9A - 9C zeigen die Durchbiegung des ersten Isolators 198 und des zweiten Isolators 202 des dielektrischen Kammes 98 als Reaktion auf eine von außen aufgebrachte Kraft (beispielsweise eine von der Balgstruktur 90 und der Balg-Membran 94 ausgeübte Kraft aufgrund einer Änderung des Atmosphärendrucks und/oder des Schalldrucks) gemäß einer Umsetzung der vorliegenden Offenbarung. 9A zeigt den dielektrischen Kamm 98, wenn der dielektrische Kamm 98 keinen von außen einwirkenden Kräften ausgesetzt ist (beispielsweise der dielektrische Kamm 98 befindet sich in einer Ruhelage im Vakuum). Wenn der dielektrische Kamm 98 keinen von außen einwirkenden Kräften ausgesetzt ist, sind die Mittelpunkte der Leiter 186, 190, 194 und der dielektrischen Stäbe 178, 182 im Allgemeinen mit der Achse A ausgerichtet, so dass ein großer Überlappungsbereich zwischen den Leitern 186, 190, 194 und den benachbarten dielektrischen Stäben 178, 182 besteht.
9B zeigt die Durchbiegung des dielektrischen Kammes 98 als Reaktion auf eine vom Atmosphärendruck ausgeübte Kraft. Da die dielektrischen Stäbe 178, 182 an der ersten Kavität 126 befestigt sind, biegen sich die dielektrischen Stäbe 178, 182 infolge der durch den Atmosphärendruck ausgeübten Kraft nicht durch. Entsprechend bleiben die Mittelpunkte der dielektrischen Stäbe 178, 182 mit der Achse A ausgerichtet. Die vom Atmosphärendruck ausgeübte Kraft bewirkt, dass sich der erste Isolator 198 und der zweite Isolator 202 nach unten durchbiegen. Die Auslenkung der Isolatoren 198, 202 nach unten bewirkt eine Auslenkung der Leiter 186, 190, 194 nach unten, so dass die Mittelpunkte der Leiter 186, 190, 194 nicht mehr entlang der Achse A ausgerichtet sind, wodurch ein Überlappungsbereich zwischen den Leitern 186, 190, 194 und den benachbarten dielektrischen Stäben 178, 182 verringert wird.
Wie in 9C dargestellt, wenn die Leiter 186, 190, 194 relativ zu den dielektrischen Stäben 178, 182 verschoben werden, erstrecken sich die Leiter 186, 190, 194 über die dielektrischen Stäbe 178, 182 hinaus und legen benachbarte Leiter 186, 190, 194 zueinander frei. Zwischen den benachbarten Leitern 186, 190, 194 wird eine Kapazität erzeugt. Der Atmosphärendruck-Messkondensator 360 erfasst eine Kapazität zwischen den benachbarten Leitern 186, 190, 194 und sendet ein Signal an die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308, das die Kapazität anzeigt. Daraufhin veranlasst die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308, wie unten näher erläutert, das Ladungspumpensystem 102, eine Vorspannungsladung, die an die Leiter 186, 190, 194 gesendet wird, zu erhöhen oder zu verringern. Die Vorspannungsladung erzeugt eine elektrostatische Kraft, F_E, die die Leiter 186, 190, 194 in Richtung der dielektrischen Stäbe 178, 182 zurückzieht. Die elektrostatische Kraft F_E widersetzt sich also einem Abschnitt der durch den Atmosphärendruck ausgeübten Kraft und drückt die beweglichen Abschnitte des dielektrischen Kammes 98 zurück in die Ruhelage, wodurch der durch Schwankungen des Atmosphärendrucks verursachten Durchbiegung entgegengewirkt wird.
10 ist eine Querschnittsansicht eines dielektrischen Kammes 98' gemäß einer anderen Implementierung der vorliegenden Offenbarung. Der dielektrische Kamm 98' ist im Allgemeinen dem in den 6 - 9 beschriebenen dielektrischen Kamm 98' ähnlich. Ähnliche Teile in der Implementierung von 10 werden durch den Prime-Strich „ ' ‟ gekennzeichnet. In der in 10 gezeigten Ausführung umfasst die erste Isolierschicht 206' einen ersten Vorsprung 254, der sich zwischen der Innenfläche 214' und dem ersten Leiter 186' erstreckt, und einen zweiten Vorsprung 258, der sich zwischen der Innenfläche 214' und dem dritten Leiter 194' erstreckt. Die zweite Isolierschicht 226' ist durch Vorsprünge 262 definiert, die sich zwischen den zweiten Enden jedes der Leiter 186', 190', 194' erstrecken. In der abgebildeten Ausführung erstreckt sich die zweite Isolierschicht 226' nicht über einen Abschnitt der zweiten Leiterschicht 230, der sich zwischen den Leitern 186', 190', 194' befindet. Die Umsetzung von 10 hat weniger Isoliermaterial als die Umsetzung der 6 - 9. Die Reduzierung der Menge an Isoliermaterial kann eine parasitäre Kapazität des dielektrischen Kamms 98' verringern. Eine parasitäre Kapazität kann zu Rauschen in den vom dielektrischen Kamm 98, 98' gesendeten Signalen führen.
Die 11 und 12 sind Querschnitts-Detailansichten der Balg-Membran 94 der Mikrofonvorrichtung 82 aus 3 gemäß einer Umsetzung der vorliegenden Offenbarung. Die Balg-Membran 94 ist so aufgebaut, dass sie sich als Reaktion auf eine von außen aufgebrachte Kraft auslenkt (beispielsweise nach oben oder unten) und dadurch eine erhöhte Kraft auf den dielektrischen Kamm 98 oder eine verringerte Kraft auf den dielektrischen Kamm 98 ausübt. 11 zeigt die Balg-Membrane 94, wobei die Balg-Membrane 94 keiner von außen einwirkenden Kraft ausgesetzt ist (beispielsweise die Balg-Membrane 94 befindet sich im Vakuum, ohne dass von außen ein Druck auf die Balg-Membrane 94 einwirkt). 12 zeigt die Balg-Membran 94 in ausgefahrener Stellung. Die Balg-Membran 94 befindet sich in der ausgefahrenen Stellung, wenn die Balg-Membran 94 durch eine von außen einwirkende Kraft, wie beispielsweise eine Kraft durch atmosphärischen Druck und/oder akustischen Druck, verschoben wird. Die Position der Balg-Membran 94 kann sich auf Grund von Änderungen des Atmosphärendrucks und/oder auf Grund von Druckänderungen durch akustische Aktivität ändern. Die Balg-Membran 94 ist an der Frontfläche 118 des Substrats 86 befestigt, um eine Barriere zwischen dem atmosphärischen Druck der Umgebung der Mikrofonvorrichtung 82 und dem Vakuum der ersten Kavität 126 und der zweiten Kavität 146 zu bilden (3).
Die Balg-Membran 94 umfasst eine erste Balgplatte 266, eine zweite Balgplatte 270, eine dritte Balgplatte 274 und eine vierte Balgplatte 278. Die Balgplatten 266, 270, 274 haben bei Betrachtung aus einer Normalenrichtung zur Balg-Membran 94 eine allgemein ringförmige Struktur. Aus einer Normalenrichtung zur Balgstruktur gesehen, hat die vierte Balgplatte 278 eine allgemein kreisförmige Struktur. Ein Umfang der ersten Balgplatte 266 ist mit der äußeren Balgplatte 90 in der Nähe der Durchgangsbohrung 138 verbunden. Die erste Balgplatte 266 hat einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser der äußeren Balgplatte 90 und umfasst eine Durchgangsbohrung 282 in der Nähe der Mitte der ersten Balgplatte 266. Die zweite Balgplatte 270 ist ähnlich dimensioniert wie die erste Balgplatte 266 und umfasst eine Durchgangsbohrung 286 in der Nähe der Mitte der zweiten Balgplatte 270. Die dritte Balgplatte 274 ist ähnlich wie die erste Balgplatte 266 dimensioniert und umfasst eine Durchgangsbohrung 290 in der Nähe der Mitte der dritten Balgplatte 274. Die vierte Balgplatte 278 ist ähnlich wie die erste Balgplatte 266 dimensioniert, aber die vierte Balgplatte 278 umfasst keine Durchgangsbohrung. Die Balgplatten 266, 270, 274, 278 sind entlang einer Mittelachse B der Durchgangsbohrung 138 ausgerichtet. Die Balgstruktur 90 und die Balgplatten 266, 270, 274, 278 sind zueinander parallel, wenn die Balg-Membran 94 keiner Kraft ausgesetzt ist, wie in 11 dargestellt. In der dargestellten Ausführung ist die Balgplatte 278 etwa 10 - 20µm vom dielektrischen Kamm 98 beabstandet, wenn die Balg-Membran 94 keiner Kraft ausgesetzt ist. Die Balgstruktur 90 und die Balgplatten 266, 270, 274, 278 sind durch nachgiebige Strukturen 294 verbunden. Die nachgiebigen Strukturen 294 erleichtern die relative Durchbiegung zwischen benachbarten der äußeren Balgplatte 90 und den Balgplatten 266, 270, 274, 278. In einigen Implementierungen sind die nachgiebigen Strukturen 294 von der äußeren Balgplatte 90 und den Balgplatten 266, 270, 274, 278 getrennt. In anderen Implementierungen sind die nachgiebigen Strukturen 294 ganzheitlich mit der äußeren Balgplatte 90 und den Balgplatten 266, 270, 274, 278 ausgebildet. Die nachgiebigen Strukturen 294 zwischen benachbarten der äußeren Balgplatte 90 und den Balgplatten 266, 270, 274, 278 sind abwechselnd in der Nähe eines äußeren Umfangs der äußeren Balgplatte 90 und der Balgplatten 266, 270, 274, 278 und in der Nähe der Durchgangsbohrungen 138, 282, 286, 290 angeordnet. Zum Beispiel sind, wie in den 11 und 12 dargestellt, die nachgiebigen Strukturen 294, die die äußere Balgplatte 90 mit der ersten Balgplatte 266 verbinden, und die nachgiebigen Strukturen 294, die die zweite Balgplatte 270 mit der dritten Balgplatte 274 verbinden, in der Nähe der Durchgangsbohrungen 138, 282 bzw. 286, 290 positioniert. Die nachgiebigen Strukturen 294, die die erste Balgplatte 266 mit der zweiten Balgplatte 270 und die dritte Balgplatte 274 mit der vierten Balgplatte 278 verbinden, sind in der Nähe des äußeren Umfangs der ersten Balgplatte 266, der zweiten Balgplatte 270, der dritten Balgplatte 274 und der vierten Balgplatte 278 angeordnet. Die nachgiebigen Strukturen 294 sind im Wesentlichen ringförmig und verbinden benachbarte der äußeren Balgplatte 90 und der Balgplatten 266, 270, 274, 278 unter Verwendung einer gasdichten Dichtung, um das Vakuum innerhalb der zweiten Kavität 146 und der ersten Kavität 126 aufrechtzuerhalten.
Die nachgiebigen Strukturen 294 werden aus einem Material hergestellt, das nicht steif wird, da die Balg-Membran 94 Zyklen von Auslenkung und Kontraktion (beispielsweise zyklische Belastung) als Reaktion auf und/oder große angewandte Kräfte erfährt, die durch große angewandte Drücke, wie beispielsweise den atmosphärischen Druck, verursacht werden. Die nachgiebigen Strukturen 294 können eine Nachgiebigkeit aufweisen, die grösser ist als der Abstand zwischen der vierten Balgplatte 278 und dem dielektrischen Kamm 98. Die Nachgiebigkeit liefert ein Maß für die Flexibilität der nachgiebigen Strukturen 294 unter Belastung (beispielsweise dem atmosphärischen und/oder akustischen Druck). Die Nachgiebigkeit ist ein Verhältnis der Dehnung (beispielsweise Dehnung unter Last) und der Spannung (beispielsweise ein Verhältnis einer angewandten Kraft zu einer Querschnittsfläche der nachgiebigen Strukturen 294) und liefert ein Mass dafür, wie stark sich ein Material unter Last dehnen kann, ohne starr zu werden. Wenn die Nachgiebigkeit der nachgiebigen Strukturen 294 grösser ist als der Abstand zwischen der vierten Balgplatte 278 und dem dielektrischen Kamm, können die nachgiebigen Strukturen 294 wiederholte Zyklen des Ausdehnens und Einziehens (beispielsweise zyklische Belastung) durchlaufen, ohne steif zu werden. In der dargestellten Ausführung sind die nachgiebigen Strukturen 294 aus einem Material gefertigt, das eine Belastung unter im Wesentlichen atmosphärischem Druck aufnehmen und eine Nachgiebigkeit von etwa 1nm/Pa - etwa 10nm/Pa - aufrechterhalten kann. In der abgebildeten Implementierung bestehen die nachgiebigen Strukturen 294 aus einem Poly-Silizium-Material. Genauer gesagt können die nachgiebigen Strukturen 294 aus Siliziumnitriden oder Siliziumoxiden hergestellt werden. In der abgebildeten Ausführung sind die nachgiebigen Strukturen 294, die äußere Balgplatte 90 und die Balgplatten 266, 270, 274, 278 aus dem gleichen Material hergestellt. In anderen Ausführungen können die nachgiebigen Strukturen 294, die äußere Balgplatte 90 und die Balgplatten 266, 270, 274, 278 aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. In der abgebildeten Ausführung umfasst die Balg-Membran 94 vier Balgplatten. Bei anderen Ausführungen der Balg-Membrane 94 können mehr oder weniger Balgplatten verwendet werden.
12 zeigt die Balg-Membran 94, die einer verteilten Kraft ausgesetzt ist, beispielsweise einer Kraft, die durch den atmosphärischen Druck und/oder den akustischen Druck verursacht wird. Der angelegte Druck bewirkt eine Auslenkung der Balg-Membran 94 in die ausgefahrene Stellung. Da die nachgiebigen Strukturen 294 abwechselnd in der Nähe der Durchgangsbohrungen 138, 282, 286, 290 oder in der Nähe der äußeren Umfänge der äußeren Balgplatte 90 und der Balgplatten 266, 270, 274 angeordnet sind, neigen sich die äußere Balgplatte 90 und die Balgplatten 266, 270, 274 bei Auslenkung durch die aufgebrachte Kraft schräg und/oder verformen sich elastisch. Wie in 12 dargestellt, sind die äußere Balgplatte 90 und die zweite Balgplatte 270 in einer ersten Richtung geneigt, und die erste Balgplatte 266 und die dritte Balgplatte 274 sind in einer zweiten Richtung geneigt, die im Allgemeinen der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Die Begriffe „schräg“ und „schräg“ werden verwendet, um einen von Null verschiedenen Winkel oder einen nicht parallelen Winkel zwischen zwei Komponenten zu bezeichnen. Der Begriff „elastisch verformen“ wird verwendet, um eine Formänderung eines Bauteils aufgrund einer aufgebrachten Kraft zu bezeichnen. Dementsprechend hat die ausgelenkte Balg-Membrane 94 in der ausgefahrenen Stellung der Balg-Membrane 94 im Allgemeinen eine zickzackförmige Querschnittskonfiguration. Wie in 12 dargestellt, wird die vierte Balgplatte 278 durch die Auslenkung, die durch die angewandte Kraft verursacht wird, weder schräg gestellt noch elastisch verformt.
Des Weiteren ist die Querschnittsfläche der vierten Balgplatte 278 kleiner als die Querschnittsfläche des dielektrischen Kammes 98, siehe 3. Da die Querschnittsfläche des dielektrischen Kammes 98 größer ist als die Querschnittsfläche der vierten Balgplatte 278, ist die Kraftverteilung auf den dielektrischen Kamm 98 aufgrund des atmosphärischen Drucks reduziert. Diese Verringerung der atmosphärischen Kraft auf den dielektrischen Kamm 98 reduziert die Spannung, die an die Leiter 186, 194 des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts 114 angelegt wird, um Schwankungen des atmosphärischen Drucks entgegenzuwirken, wie weiter unten ausführlicher beschrieben wird.
13 zeigt eine Querschnittsansicht der Mikrofonvorrichtung 82, die eine Membran 298 gemäß einer alternativen Implementierung umfasst. Die Membran 298 ist eine Schichtmembran, die eine erste Schicht 300 und eine zweite Schicht 302 umfasst. Die erste Schicht 300 umfasst einen Ringflansch 310, eine Seitenwand 314 und eine Kontaktschicht 318. Die Membran 298 wird mit dem Verbindungsmaterial 142 an einem Abschnitt der Frontfläche 118 des Substrats 86 befestigt. Die Membran 298, die vordere Fläche 118 des Substrats 86 und eine obere Fläche des dielektrischen Kammes 98 definieren dazwischen eine zweite Kavität 146. Bei Implementierungen, bei denen der Ringflansch 310 unter Vakuumbedingungen am Substrat 86 befestigt wird, verschmilzt das Verbindungsmaterial 142 die Vorderfläche 118 des Substrats 86 mit dem Ringflansch 310 der Membran 298. Ein Abschnitt des Verbindungsmaterials 142 erstreckt sich über einen Abschnitt der zweiten Schicht 302. Wie in 3 dargestellt, wird die zweite Kavität 146 zwischen der Kontaktwand 318 der Balgstruktur 298, dem Verbindungsmaterial 142 und dem dielektrischen Kamm 98 gebildet.
Die Membran 298 wird durch den atmosphärischen Druck in physischem Kontakt mit dem dielektrischen Kamm 98 gehalten und übt eine Kraft auf den dielektrischen Kamm 98 aus. Wenn die Membran 298 nicht unter dem Einfluss des Atmosphärendrucks steht, ist der untere Abschnitt der Membran 298 vom dielektrischen Kamm 98 beabstandet, wie in 13 dargestellt. Druckänderungen (beispielsweise Änderungen des Atmosphärendrucks und/oder Änderungen des Schalldrucks) bewirken eine Auslenkung der Membran 298 (beispielsweise nach oben oder unten) und erhöhen oder verringern die auf den dielektrischen Kamm 98 ausgeübte Kraft. Wenn die Membran 298 unter Atmosphärendruck steht, berührt wenigstens ein Abschnitt der Kontaktwand 318 den dielektrischen Kamm 98. Bei einigen Ausführungen kann sich die Membran 298 in der Nähe der Mitte 322 der Membran 298 (siehe Mitte 322 der 14 - 15) als Reaktion auf sich ändernde atmosphärische und/oder akustische Drücke um bis zu 2µm auslenken. Entsprechend kann die Kontaktwand 318 bis zu etwa 2µm vom dielektrischen Kamm 98 beabstandet sein. Bei anderen Ausführungen kann die Membran 298 um andere Abstände auslenken. In solchen Ausführungen kann die Kontaktwand 318 bis zum Auslenkungsabstand von der Membran 298 beabstandet werden. Die erste Schicht 300 und die zweite Schicht 302 können einer maximalen Belastung von 200 MPa standhalten. Bei einigen Implementierungen beträgt die Nachgiebigkeit der ersten Schicht 300 und der zweiten Schicht 302 jeweils weniger als 5nm/Pa. In der abgebildeten Implementierung beträgt die Nachgiebigkeit der ersten Schicht 300 und der zweiten Schicht 302 jeweils etwa 2,7nm/Pa.
Die erste Schicht 300 besteht aus einem relativ steifen Material. Die erste Schicht 300 hat eine Dicke, die groß genug ist, um ein Vakuum in der zweiten Kavität 146 zu halten, indem verhindert wird, dass atmosphärische Luft über die erste Schicht 300 und in die zweite Kavität 146 diffundiert. In der abgebildeten Implementierung kann die erste Schicht 300 ein Metall wie Aluminium, Gold oder Titan sein. In einigen Implementierungen kann die erste Schicht 300 einen Elastizitätsmodul von 100GPa haben. In anderen Implementierungen kann die erste Schicht 300 einen Elastizitätsmodul zwischen 20GPa und 200GPa haben. Wie in 13 dargestellt, hat die Kontaktwand 318 die Dicke T_c. In der dargestellten Ausführung beträgt die Dicke T_c etwa 0,2µm. In anderen Implementierungen kann die Dicke T_c zwischen etwa 100nm und etwa 1µm liegen.
Die zweite Schicht 302 besteht aus einem relativ elastischen Material. In der abgebildeten Ausführung kann die zweite Schicht 302 aus einem Polymer wie Polyimid oder Parlyen bestehen. In einigen Implementierungen hat die zweite Schicht 302 einen Elastizitätsmodul von 2,5GPa. In anderen Implementierungen kann die zweite Schicht 302 einen Elastizitätsmodul von mehr als 2,5GPa haben. In anderen Implementierungen kann die zweite Schicht 302 einen Elastizitätsmodul von weniger als 2,5GPa haben. Insbesondere kann die zweite Schicht in einigen Implementierungen einen Elastizitätsmodul zwischen 1GPa und 10GPa haben. Wie in 13 dargestellt, hat die zweite Schicht 302 eine Dicke T_SL. In der dargestellten Implementierung beträgt die Dicke T_SL etwa 2µm.
14 zeigt eine Querschnittsansicht der Membran 298 in umgekehrter Ausrichtung in Bezug auf 13. In Normalenrichtung zur Frontfläche der Balgstruktur 298 betrachtet, hat die Membran 298 eine im Wesentlichen kreisförmige Form. Wie in 13 dargestellt, ist die Membran 298 auf dem Substrat 86 um einen Umfang der Membran 298 befestigt, indem der Ringflansch 310 und ein Umfang der zweiten Schicht 302 in das Verbindungsmaterial 142 eingebettet sind. Der Umfang der Membran 298 ist im Querschnitt als ein erstes Ende 326 und ein zweites Ende 330 dargestellt. Die Membran 298 hat eine im Allgemeinen flache Konfiguration in wenigstens einer Richtung, die im Allgemeinen parallel zu den angewandten Drücken/Kräften verläuft, die durch die angewandten Drücke erzeugt werden. Eine solche Konfiguration reduziert den Lärm, indem sie eine Anzahl von Ecken und/oder Kurven reduziert, die mit den angewandten Kräften/Drücken zusammenwirken.
Die Membran 298 ist so aufgebaut, dass der atmosphärische Druck zunächst auf die relativ nachgiebige zweite Schicht 302 und dann von der zweiten Schicht 302 auf die relativ starre erste Schicht 300 ausgeübt wird. Dementsprechend erzeugen die konzentrierten Kräfte (beispielsweise Kräfte, die auf eine Fläche der zweiten Schicht 302 ausgeübt werden, die kleiner ist als eine Gesamtfläche der zweiten Schicht 302), die durch das Verbindungsmaterial 142 auf die Membran 298 ausgeübt werden, konzentrierte Spannungen (beispielsweise Spannungen, die in einem Bereich der zweiten Schicht 302 erzeugt werden, der kleiner ist als eine Gesamtfläche der zweiten Schicht 302) in der relativ elastischen zweiten Schicht 302, wenn sich die Membran 298 in Bezug auf das Verbindungsmaterial 142 durchbiegt, wie am besten in den 15 - 16 dargestellt ist. Dementsprechend ist die Membran 298 so strukturiert, dass die Steifigkeit der Membran 298 reduziert wird, indem die relativ elastische zweite Schicht 302 den konzentrierten Kräften ausgesetzt wird, während die relativ steife erste Schicht 300 verteilten Spannungen ausgesetzt wird (beispielsweise Spannungen, die auf ungefähr eine Gesamtfläche der ersten Schicht 300 ausgeübt werden), während sie einen Abschnitt (beispielsweise die erste Schicht 300) umfasst, der ausreichend dick ist, um ein Vakuum in der zweiten Kavität 146 aufrechtzuerhalten.
15 veranschaulicht die Spannungen und Durchbiegung in der Hälfte der Membran 298, die aus dem Atmosphärendruck resultieren. 15 zeigt die Membran 298 in einer invertierten Ausrichtung in Bezug auf 13. Die nicht dargestellte Hälfte der Membran 298 erfährt ähnliche Spannungen und Durchbiegung. 15 zeigt die nicht ausgelenkte Membran 298 mit Drahtgitter und die ausgelenkte Balgstruktur 298' mit Schattierung. Wie in 15 dargestellt, erfährt die Membran 298 die größte Durchbiegung in der Nähe der Mitte 322 der Membran 298 und die geringste Durchbiegung in der Nähe des Endes 326 der Membran 298. Die Balgstruktur 298 erfährt die geringste Spannung in der Nähe der Mitte 322 der Balgstruktur 298 und eine konzentrierte hohe Spannung in der Nähe des Endes 326 aufgrund von Reaktionskräften, die aus der Durchbiegung der Membran 298 in Bezug auf das Verbindungsmaterial 142 resultieren.
16 zeigt eine Detailansicht eines Abschnitts der Membran 298, der am Verbindungsmaterial 142 befestigt ist, und veranschaulicht die Spannungen und die Durchbiegung der ersten Schicht 300 und der zweiten Schicht 302 in der Nähe des Endes 326 der Membran 298 aufgrund von Spannungen, die aus der Durchbiegung der Membran 298 in Bezug auf das Verbindungsmaterial 142 resultieren. 16 zeigt die Membran 298 in einer invertierten Ausrichtung in Bezug auf 13. Die erste Schicht 300 erfährt eine relativ geringe Spannung (beispielsweise zwischen etwa 0 und 0,5GPa) in der Nähe des Endes 326 und eine relativ hohe verteilte Spannung entlang eines Abschnitts der Kontaktschicht 318 im Abstand vom ersten Ende 326. Im Gegensatz dazu erfährt die zweite Schicht 302 eine relativ hohe Spannung (beispielsweise zwischen etwa 0,7 - 1,5GPa) in der Nähe des am Ende 326 befestigten Verbindungsmaterials. Die relativ hohe Spannung, die auf die zweite Schicht 302 ausgeübt wird, ist eine konzentrierte Spannung in der Nähe des Verbindungsmaterials 142. Dementsprechend ist die Membran 298 so strukturiert, dass die Steifigkeit verringert wird, indem die relativ elastische zweite Schicht 302 den konzentrierten Spannungen ausgesetzt wird, während die relativ steife erste Schicht 300 verteilten Spannungen ausgesetzt wird, so dass die Membran 298 nicht steif wird, wenn sich die Membran 298 unter zyklischer Belastung und/oder großen angelegten Kräften, die durch große angelegte Drücke, wie beispielsweise den Atmosphärendruck, auslenkt und zusammenzieht.
17 veranschaulicht die Verarbeitungsschaltung oder den integrierten Schaltkreis (IC) 106 der Mikrofonvorrichtung 82 gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung. Der IC 106 umfasst den Akustiksignal-Verarbeitungsabschnitt oder die Akustiksignal-Detektionsschleife 304 und den Atmosphären-Verarbeitungsabschnitt oder die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308. Die Akustiksignal-Detektionsschleife 304 umfasst einen Akustik-Abtastkondensator 312, einen Verstärker 316, einen IDAC 320, einen Sigma-Delta-Wandler (SDM) 324, einen Schleifenfilter 328 und ein Back-to-Back-Diodensystem 332. Der Akustik-Abtastkondensator 312 ist im dielektrischen Kamm 98 angeordnet und mit dem akustischen Abtastabschnitt 110 und zum Abtasten einer Kapazität des akustischen Abtastabschnitts 110 verbunden. In der abgebildeten Implementierung hat der Akustik-Abtastkondensator 312 eine Kapazität von etwa 10 Picofarad (pF).
Der Verstärker 316 ist so aufgebaut, dass er ein Signal empfängt, das die über den Akustik-Abtastkondensator 312 gemessene Kapazität anzeigt. Das Signal, das für die über den Akustik-Abtastkondensator 312 gemessene Kapazität kennzeichnend ist, ist proportional zu den Druckänderungen (d.h. den Änderungen aufgrund des Atmosphärendrucks und des akustischen Drucks). Der Verstärker 316 ist so strukturiert, dass er das Signal so verstärkt, dass das Signal groß ist im Vergleich zu Rauschen, das durch den SDM 324 eingebracht werden kann, um den Einfluss des durch den SDM 324 eingebrachten Rauschens auf das Signal zu reduzieren. Das verstärkte Signal gelangt zum SDM 324, der das über den Akustik-Abtastkondensator 312 erfasste analoge Signal in ein digitales Signal umwandelt. Ein Abschnitt des digitalen Signals verlässt dann die Akustiksignal-Detektionsschleife 304.
Der Schleifenfilter 328 und der IDAC 320 sind so strukturiert, dass sie das eingehende akustische Signal basierend auf dem akustischen Signal verarbeiten, das den SDM 324 verlässt. Ein Abschnitt des Signals, das den SDM 324 verlässt, gelangt in den Schleifenfilter 328. Bei einigen Implementierungen kann der Schleifenfilter 328 ein Hochpassfilter oder ein Verstärker sein, der so strukturiert ist, dass er einen niederfrequenten Abschnitt des Signals entfernt, bevor das Signal den Verstärker 316 erreicht, der den Abschnitt des Signals entfernen kann, der auf Änderungen des Atmosphärendrucks hinweist und/oder eine Überlastung des Verstärkers durch niederfrequente Geräusche wie Windgeräusche verhindern kann. Der IDAC 320 kann so strukturiert werden, dass er eine Amplitude des Signals bestimmt und einen auf der Amplitude des Signals basierenden Strom ausgibt. Der von der IDAC 320 ausgegebene Strom kann so bemessen werden, dass Signale mit hoher Amplitude gelöscht und/oder in ihrer Größe reduziert werden, bevor das Signal in den Verstärker 316 eintritt. Dadurch wird verhindert, dass der Verstärker 316 überlastet wird und dass die Akustiksignal-Detektionsschleife 304 ein Signal mit hoher Amplitude ausgibt, das das menschliche Gehör schädigen kann.
Der Abschnitt des digitalen Signals, der die Akustiksignal-Detektionsschleife 304 verlässt, kann in einem Speicher gespeichert werden (beispielsweise der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 und/oder einer Speichervorrichtung in drahtgebundener oder drahtloser Kommunikation mit der Akustiksignal-Detektionsschleife 304). Die akustischen Signale und/oder Daten können auch über eine drahtlose oder drahtgebundene Verbindung an ein Empfangsgerät, beispielsweise einen Lautsprecher, gesendet werden. Bei einigen Implementierungen muss der Abschnitt des digitalen Signals, der aus der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 austritt, korrigiert werden, um die Nichtlinearität der Sensorvorrichtung, Schwankungen, die während der Herstellung aufgetreten sind, und/oder die Temperatur zu kompensieren. In solchen Implementierungen können Kompensationskoeffizienten zur Verwendung bei der Kompensation in einem Speicher einer Recheneinrichtung der Mikrofonvorrichtung 82 gespeichert werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 17 umfasst die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 eine Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 336, eine Steuerschleife 340, ein Ladungspumpensystem 102, ein Back-to-Back-Diodensystem 348 und einen Entkoppelkondensator 352. Die Atmosphärendruck-Messschleife 336 ist so aufgebaut, dass sie ein Signal ausgibt, das eine Änderung des Atmosphärendrucks anzeigt, indem sie ein Trägersignal modifiziert, das von einem Signalgenerator (nicht dargestellt) auf Grundlage der Änderungen des Atmosphärendrucks erzeugt wird. Die Steuerschleife 340 ist so aufgebaut, dass sie das die Änderung des Atmosphärendrucks anzeigende Signal empfängt und ein Ladungspumpen-Steuersignal erzeugt, das auf der Änderung des Atmosphärendrucks basiert, die von der Atmosphärendruck-Messschleife 336 erfasst wird. Das Ladungspumpensystem 102 ist so aufgebaut, dass es den Leitern 154A - 154D oder den Leitern 186, 190, 194 eine Vorspannungsladung zuführt, um die Änderung des Atmosphärendrucks auszugleichen. Das Back-to-Back-Diodensystem 348 und der Entkoppelkondensator 352 bilden einen Tiefpassfilter mit einer sehr niedrigen Roll-Off-Frequenz zur Beseitigung der durch das Ladungspumpensystem 102 erzeugten Geräusche.
18 veranschaulicht die Atmosphärendruck-Messschleife 336. Die Atmosphärendruck-Messschleife 336 umfasst einen Referenzkondensator 356, einen Atmosphärendruck-Messkondensator 360, einen parasitären Kondensator 364, einen Filter 368 und einen Trägersignal-Generator (nicht dargestellt). Der Trägersignal-Generator ist so aufgebaut, dass er ein Wechselsignal (beispielsweise ein Wellenformsignal) erzeugt, das eine Frequenz und eine Amplitude umfasst. Das Trägersignal hat eine hohe Frequenz relativ zu den Änderungen des Atmosphärendrucks, die vom Atmosphärendruck-Messkondensator 360 erfasst werden. In der dargestellten Implementierung ist der Trägersignal-Generator so strukturiert, dass er ein rechteckförmiges Trägersignal erzeugt. In anderen Implementierungen kann das Trägersignal andere Formen haben, wie beispielsweise eine Sinusform. Der Referenzkondensator 356 umfasst eine erste Leitung, die mit einem positiven Anschluss des Trägersignal-Generators verbunden ist, und eine zweite Leitung, die mit einem Ausgang des Ladungspumpensystems 102 verbunden ist. Die Kapazität C₁ des Referenzkondensators 356 gibt die Ladung an, die zur Vorspannungsladung der Leiter 154A - 154D oder der Leiter 186, 190, 194 durch das Ladungspumpensystem 102 gesendet wird. In der dargestellten Implementierung beträgt die Kapazität von C₁ etwa 10pF. Der Atmosphärendruck-Messkondensator 360 umfasst eine erste Leitung, die mit einem negativen Anschluss des Trägersignal-Generators verbunden ist, und eine zweite Leitung, die mit den Pads 156A - 156D der Leiter 154A - 154D oder den Leitern 186, 190, 194 des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts 114 verbunden ist. Die Kapazität C₂ des Atmosphärendruck-Messkondensators 360 ist ein Maß für den auf den dielektrischen Kamm 98 ausgeübten atmosphärischen Druck und kann als Maß für den absoluten atmosphärischen Druck verwendet werden. In der dargestellten Ausführung beträgt die Kapazität C₂ etwa 10pF. Der Referenzkondensator 356 und der Atmosphärendruck-Messkondensator 360 sind an einem Knoten 372 parallel geschaltet. Die Amplitude des Trägersignals, das den Knoten 372 verlässt, wird auf Grundlage einer Differenz zwischen den vom Atmosphärendruck-Messkondensator 360 und dem Referenzkondensator 356 gemessenen Kapazitäten, multipliziert mit der Eingangsspannung, modifiziert, wie durch die Gleichung $q = (C_{2} - C_{1}) * V_{i n}$
wobei q das modifizierte Trägersignal, C₂ die Kapazität über den Atmosphärendruck-Messkondensator 360, C₁ die Kapazität über den Referenzkondensator 356 und V_in das Trägersignal ist. Das modifizierte Trägersignal wird dann durch den Filter 368 gefiltert. In der abgebildeten Konstruktion ist das Filter 368 ein aktives Tiefpassfilter. Der Filter 368 kann so strukturiert werden, dass der relativ hochfrequente Abschnitt des Signals, der die Änderungen des Schalldrucks anzeigt, herausgefiltert wird. Der Filter 368 kann ein Ausgangssignal gemäß folgender Gleichung erzeugen $V_{o u t} = (\frac{C_{2} - C_{1}}{C_{f}}) V_{i n}$
wobei Vout das Ausgangssignal, C₂ die Kapazität über den Atmosphärendruck-Messkondensator 360, C₁ die Kapazität über den Referenzkondensator 356, Cf die Kapazität des Kondensators des aktiven Tiefpassfilters 368 und V_in das Trägersignal ist. In der dargestellten Implementierung beträgt die Kapazität des Kondensators Cf etwa 1pF. In der illustrierten Implementierung ist der Widerstand eines Widerstands R des aktiven Tiefpassfilters größer oder gleich etwa 8MΩ. In anderen Implementierungen kann der Widerstand des Widerstandes R zwischen etwa 10MΩ und etwa 20MΩ liegen. Dementsprechend umfasst ein Abschnitt des Ausgangssignals Informationen, die die Differenz zwischen der Kapazität über den Referenzkondensator 356 und dem Atmosphärendruck-Messkondensator 360 anzeigen, und ein Abschnitt des Ausgangssignals umfasst das Trägersignal. In der dargestellten Konstruktion ist die Amplitude der Ausgangsspannung proportional zu einer Differenz zwischen der Kapazität des Referenzkondensators 356 und des Atmosphärendruck-Messkondensators 360. Entsprechend kann das Steuersignal ein positives Signal sein, wenn das Ladungspumpensystem 102 zu viel Strom erzeugt, um den Atmosphärendruck zu kompensieren. Wenn die Ladungspumpe zu wenig Strom erzeugt, um den atmosphärischen Druck zu kompensieren, kann die Ausgangsspannung der Ladung eine negative Spannung sein. Die Ausgangsspannung ist Null, wenn die Ladungspumpe eine Spannung ausgibt, die die durch den Atmosphärendruck ausgeübte Kraft kompensiert (beispielsweise sind die Kapazität des Referenzkondensators 356 und des Atmosphärendruck-Messkondensators 360 im Wesentlichen gleich und entgegengesetzt). Das Ausgangsträgersignal wird an die Steuerschleife 340 gesendet, um ein Ladungspumpen-Steuersignal basierend auf der Amplitude des Ausgangssignals zu erzeugen. Der parasitäre Kondensator 364 befindet sich zwischen dem Knoten 372 und dem aktiven Tiefpassfilter 368 und absorbiert Kapazitäten, die in der Atmosphärendruck-Messschleife 336 auftreten können, die nicht mit der Kapazität des Referenzkondensators 356 und/oder des Atmosphärendruck-Messkondensators 360 zusammenhängen, wodurch das Rauschen in der Atmosphärendruck-Messschleife 336 reduziert wird. In anderen Ausführungsformen kann der Referenzkondensator 356 mit dem negativen Anschluss des Trägersignal-Generators und der Atmosphärendruck-Messkondensator 360 mit dem positiven Anschluss des Trägersignal-Generators verbunden werden. In einer solchen Implementierung sind die an das Ladungspumpensystem 102 gesendeten Steuersignale das Gegenteil der oben beschriebenen Steuersignale.
Wie in 19 dargestellt, ist die Steuerschleife 340 in der dargestellten Implementierung eine Demodulatorschaltung, die eine Diode 376, einen Widerstand 380 und einen Kondensator 384 umfasst. Die Steuerschleife 340 ist so aufgebaut, dass sie ein Ladungspumpen-Steuersignal erzeugt, das auf dem Ausgangssignal basiert, das von der Atmosphärendruck-Messschleife 336 erzeugt wird. Genauer gesagt ist die Steuerschleife 340 in der dargestellten Implementierung so strukturiert, dass sie das Trägersignal (beispielsweise den Hochfrequenzabschnitt) aus dem Ausgangssignal entfernt. Das Ausgangssignal wird von der Atmosphärendruck-Messschleife 336 an die Diode 376 weitergeleitet. Die Diode 376 lässt einen der positiven oder negativen Abschnitte des Ausgangssignals passieren. Das Ausgangssignal geht dann zum Kondensator 384, der das relativ hochfrequente Trägersignal herausfiltert, um das Steuersignal für die Ladungspumpe zu erzeugen. Das Ladungspumpen-Steuersignal veranlasst das Ladungspumpensystem 102, eine zur Vorspannungsladung der Leiter 154A - 154D oder der Leiter 186, 190, 194 gesendete Ladung zu erhöhen oder zu verringern. Obwohl die Steuerschleife 340 der abgebildeten Implementierung eine analoge Schaltung ist, kann die Steuerschleife 340 in anderen Implementierungen eine digitale Schaltung sein oder sowohl digitale als auch analoge Komponenten umfassen.
In einigen Implementierungen kann der dielektrische Kamm eine Betriebsposition aufweisen (beispielsweise Position der Leiter 154A - 154D oder der Leiter 186, 190, 194 relativ zu den dielektrischen Stäben 178, 172), die durch eine über den Atmosphärendruck-Messkondensator 360 und/oder den Akustik-Abtastkondensator 312 gemessene Zielkapazität definiert ist. In solchen Implementierungen kann die Steuerschleife 340 so strukturiert werden, dass sie ein Ladungspumpen-Steuersignal erzeugt, um eine Zielkapazität über den Atmosphärendruck-Messkondensator 360 und/oder den Akustik-Abtastkondensator 312 zu erzeugen. Dementsprechend kann in solchen Implementierungen das Ladungspumpen-Steuersignal so bemessen werden, dass die Kapazität über dem Atmosphärendruck-Messkondensator 360 und/oder dem Akustik-Abtastkondensator 312 ungefähr der Zielkapazität entspricht, wenn die Mikrofonvorrichtung 82 bei Atmosphärendrucken zwischen ungefähr 20kPa (beispielsweise am Gipfel des Mount Everest) und ungefähr 100kPa (beispielsweise auf Meereshöhe) verwendet wird. In einigen Implementierungen wird ein Schleifenfilter 388 zwischen der Steuerschleife 340 und dem Ladungspumpensystem 102 positioniert. Der Schleifenfilter 388 ist so aufgebaut, dass er die Zeitkonstante für die Schleife einstellt und die Stabilität der Schleife gewährleistet. Der Ausgang des Schleifenfilters ist das Steuersignal zur Einstellung der Referenzspannung für die Ladungspumpe.
19 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines analogen Steuersystems 392 für die Mikrofonvorrichtung 82 gemäß einigen Implementierungen. Das analoge Steuersystem 392 umfasst den dielektrischen Kamm 98, die Atmosphärendruck-Messschleife 336, den Schleifenfilter 388 und das Ladungspumpensystem 102. In der abgebildeten Implementierung ist das Ladungspumpensystem 102 ein zweistufiges Ladungspumpensystem und umfasst eine Spannungsquelle 396 (beispielsweise eine Batterie), eine erste Stufe 398 und eine zweite Stufe 402. Die Spannungsquelle 396 wird auf Grundlage des von der Steuerschleife 340 und/oder dem Schleifenfilter 388 erzeugten Steuersignals gesteuert. Die erste Stufe 398 liefert eine Ladung auf Grundlage des von der Steuerschleife 340 gesendeten Steuersignals. Die zweite Stufe 402 ist in Reihe mit der ersten Stufe 398 angeordnet und ist so strukturiert, dass sie die von der ersten Stufe 398 gesendete Ladung verstärkt. In der abgebildeten Implementierung erzeugt die Spannungsquelle eine Spannung von etwa 1V. Die erste Stufe 398 ist eine 6-stufige Ladungspumpe und erzeugt ca. 6V. Die zweite Stufe 402 ist eine 40-stufige Ladungspumpe und erzeugt etwa 200V. In anderen Implementierungen können die Spannungsquelle 396, die erste Stufe 398 und die zweite Stufe 402 unterschiedliche Spannungen erzeugen. In anderen Implementierungen können die erste Stufe 398 und/oder die zweite Stufe 402 mehr oder weniger Stufen umfassen.
Als Reaktion auf die vom Atmosphärendruck-Messkondensator 360 erfasste Kapazität kann die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 die an die Leiter 186, 190, 194 gesendete Vorspannung ändern, bis die vom Atmosphärendruck-Messkondensator 360 erfasste Kapazität einen vorbestimmten Wert erreicht oder bis die Differenz zwischen der vom Atmosphärendruck-Messkondensator 360 erfassten Kapazität und der vom Referenzkondensator 356 erfassten Kapazität einen vorbestimmten Wert erreicht. Bei einigen Implementierungen ist der vorbestimmte Wert ungefähr Null. In der abgebildeten Implementierung kann die Vorspannung, die an die Leiter 186, 194 angelegt wird, zwischen 100V und 200V liegen. In einigen Implementierungen können die hier offengelegten Designs die Erfassung von Änderungen des Umgebungsdrucks von bis zu etwa 100 Pascal pro Sekunde (Pa/sec) ermöglichen. Änderungen des Umgebungsdrucks von etwa 100Pa/sec treten bei sehr schnellen Aufzügen auf, wie beispielsweise dem Aufzug des Shanghai-Turms, und sind schneller als Druckänderungen, die bei Verkehrsflugzeugen auftreten. Das Ladungspumpensystem 102 ist so ausgelegt, dass es die an die Leiter 186, 194 angelegte Spannung um etwa 100mV pro Sekunde ändert.
Da die Mikrofonvorrichtung 82 bei atmosphärischem Druck verwendet wird, muss die elektrostatische Kraft FE nur so eingestellt werden, dass Änderungen des atmosphärischen Drucks kompensiert werden, um die Geräusche im akustischen Abtastabschnitt 110 zu reduzieren. Die Änderungen im Bereich des atmosphärischen Drucks sind langsamer als Änderungen in einem Schalldruckbereich. Zum Beispiel treten Änderungen des atmosphärischen Drucks bei Frequenzen von etwa 10Hz auf, und Druckänderungen im Schalldruckbereich liegen zwischen etwa 20Hz - 20kHz. In einigen Implementierungen ist der Atmosphärendruck-Messkondensator 360 so dimensioniert, dass der Atmosphärendruck-Messkondensator 360 nicht im akustischen Frequenzbereich, jedoch im Bereich von Änderungen des Atmosphärendrucks reagiert. Dementsprechend sollte das Ladungspumpensystem 102 die Ladung der Leiter 186, 190, 194 des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts 114 als Reaktion auf die Änderungen des vom Ladungspumpensystem 102 gemessenen atmosphärischen Drucks ändern, jedoch nicht den Druckänderungen im akustischen Abtastabschnitt 110 folgen.
20 zeigt eine beispielhafte schematische Darstellung eines digitalen Steuersystems 400 für die Mikrofonvorrichtung 82 gemäß einigen Implementierungen. Das digitale Steuersystem 400 ähnelt dem analogen Steuersystem 392, ist aber so aufgebaut, dass es wenigstens einen Teil der Signale in den digitalen Bereich umwandelt. Wie in 19 dargestellt, umfasst das digitale Steuersystem beispielsweise einen Analog-zu-DigitalWandler (A/D-Wandler 404) zur Umwandlung des von der Steuerschleife 340 erzeugten akustischen Signals und/oder des Ladungspumpensteuersignals in ein digitales Signal. Darüber hinaus sieht die Implementierung von 19 die Verwendung eines digitalen Schleifenfilters 408 zur Erzeugung eines Steuersignals für das Ladungspumpensystem 102 und einer digitalen Ladungspumpen-Schnittstelle 412 zur Steuerung des Ladungspumpensystems 102 auf Grundlage des digitalen Signals vor.
21 veranschaulicht einen beispielhaften Betriebsablauf der Mikrofonvorrichtung 82. Der in diesem beispielhaften Betriebsablauf beschriebene Balgaufbau kann entweder die Balg-Membran 94 (3, 11 - 12) oder die Membran 298 (13 - 16) sein. Nach der Herstellung reicht die Membran in die zweite Kavität 146 in der Nähe des dielektrischen Kammes 98. Wenn sie atmosphärischen Druckverhältnissen ausgesetzt wird, bewirkt die Kraft, die durch den atmosphärischen Druck entsteht, dass sich die Membran so ausdehnt, dass die vierte Balgplatte 278 oder die Kontaktwand 318 den dielektrischen Kamm 98 (416) berührt. Schwankungen des Atmosphärendrucks und/oder des Schalldrucks können dazu führen, dass sich die Membran auf den dielektrischen Kamm 98 (420) zu oder von ihm weg bewegt. Wenn sich die Membran innerhalb der zweiten Kavität 146 bewegt, übt die Membran eine verteilte Kraft auf den dielektrischen Kamm 98 aus, wie in 12 (424) dargestellt. Wenn sich die Membran zum Beispiel nach unten bewegt, übt die Membran eine erhöhte Kraft auf den dielektrischen Kamm 98 aus. Wenn sich die Membran nach oben bewegt, übt die Membran einen reduzierten Druck auf den dielektrischen Kamm 98 aus. Die Änderung der verteilten Kraft, die auf den dielektrischen Kamm 98 ausgeübt wird, bewirkt, dass sich die Leiter 186, 190, 194 des dielektrischen Kammes 98 in Bezug auf die dielektrischen Stäbe 178, 182 auslenken, was eine Änderung der Kapazität des dielektrischen Kammes 98 bewirkt (428). Eine Auslenkung aufgrund von Schwankungen des atmosphärischen Drucks kann eine elektrostatische Kraft verursachen, die vom Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 des dielektrischen Kamms (432) erfasst wird. Genauer gesagt wird die Kapazitätsänderung zwischen den Leitern 154A, 154B des akustischen Abtastabschnitts 110 durch den akustischen Abtastabschnitt 312 erfasst, der mit der Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 fest verdrahtet ist. In einigen Implementierungen ändert sich die elektrostatische Kraft bei einer Frequenz von etwa 10Hz. Akustische Drücke, die in der Nähe der Mikrofonvorrichtung 82 auftreten, üben eine akustische Kraft auf die Balgstruktur aus, wodurch sich die Balgstruktur innerhalb der zweiten Kavität 146 bewegt, was eine elektrostatische Kraft verursacht, die vom akustischen Abtastabschnitt 110 (436) erfasst wird. Genauer gesagt wird die Kapazitätsänderung zwischen den Leitern 154A, 154B des akustischen Abtastabschnitts 110 durch den Akustik-Abtastkondensator 312 erfasst, der mit der Akustiksignal-Detektionsschleife 304 fest verdrahtet ist. Bei einigen Implementierungen ändert sich die elektrostatische Kraft bei einer Frequenz im Bereich zwischen etwa 20Hz und 20kHz. Wenn sich der atmosphärische Druck und der akustische Druck gleichzeitig ändern, wird eine Kapazitätsänderung, die die Gesamtdruckänderung anzeigt, vom Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 an die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 und vom akustischen Abtastabschnitt 110 an den akustischen Abtastabschnitt 110 gesendet. Das an die Akustiksignal-Detektionsschleife 304 des IC 106 gesendete Gesamtsignal wird verarbeitet, um den Abschnitt des Gesamtsignals zu entfernen, der die Änderung des Atmosphärendrucks anzeigt, und um ein Audio-Ausgangssignal (440) zu erzeugen. Das an die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 gesendete Gesamtsignal wird verarbeitet, um den Teil des Gesamtsignals zu entfernen, der die Änderung des Schalldrucks anzeigt. Die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 erzeugt dann ein Steuersignal zur Modifizierung des Vorspannungsstroms, der von der Ladungspumpe zu den Vorspannungskondensatoren als Reaktion auf die Änderung des Atmosphärendrucks gesendet wird (444).
22 veranschaulicht eine Rückkopplungsreaktion der Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 gemäß einigen Implementierungen. Die Atmosphärendruck-Messschleife 336 empfängt ein Signal, das eine Änderung des Atmosphärendrucks anzeigt (448). Die Atmosphärendruck-Messschleife 336 empfängt des Weiteren ein Signal, das eine Ladung anzeigt, die zur Vorspannungsladung der Leiter 154A - 154D oder der Leiter 186, 190, 194 durch das Ladungspumpensystem 102 (452) bereitgestellt wird. Die Atmosphärendruck-Messschleife 336 bestimmt dann eine Differenz zwischen dem Signal, das die Änderung des Atmosphärendrucks anzeigt, und dem Signal, das die zur Vorspannung der Leiter 154A - 154D oder der Leiter 186, 190, 194 (456) bereitgestellte Ladung anzeigt. Die Atmosphärendruck-Messschleife 336 modifiziert ein Trägersignal wenigstens teilweise auf Grundlage der Differenz, um ein Ausgangssignal zu erzeugen (460). Die Steuerschleife 340 extrahiert dann den Abschnitt des Ausgangssignals, der Informationen umfasst, die die Differenz anzeigen (464). Die Steuerschleife 340 erzeugt dann auf Grundlage der Differenz ein Ladungspumpen-Steuersignal, um die festgestellte Änderung des Atmosphärendrucks zu kompensieren (468). Das Steuersignal zeigt einen Vorspannungsstrom an, der an die Leiter 154A - 154D oder die Leiter 186, 190, 194 angelegt wird, um der Auswirkung der Änderung des Atmosphärendrucks auf den dielektrischen Kamm 98 entgegenzuwirken. Zum Beispiel kann die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 als Reaktion auf die Feststellung, dass der Atmosphärendruck abgenommen hat, bestimmen, dass der an die Leiter 186, 194 gesendete Vorspannungsstrom reduziert werden sollte. Als Reaktion auf die Feststellung, dass der Atmosphärendruck gestiegen ist, kann die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 feststellen, dass der zu den Leitern 186, 194 gesendete Vorspannungsstrom erhöht werden sollte. In einigen Ausführungsformen kann das Steuersignal vom Schleifenfilter 388 des Weiteren verarbeitet werden. Das Steuersignal wandert dann zum Ladungspumpensystem 102 und veranlasst das Ladungspumpensystem 102, den Vorspannungsstrom zu ändern, der an die Leiter 154A - 154D oder 186, 190, 194 (472) angelegt wird. In einigen Implementierungen überwacht die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 die Differenz zwischen dem Signal, das den Atmosphärendruck anzeigt (beispielsweise die vom Atmosphärendruck-Messkondensator 360 erfasste Kapazität), und dem Signal, das die zur Vorspannung der Leiter bereitgestellte Ladung anzeigt (beispielsweise die vom Referenzkondensator 356 erfasste Kapazität) (476). Wenn die Differenz gering ist, kompensiert die von der Ladungspumpe gelieferte Vorspannungsladung den atmosphärischen Druck angemessen. Dementsprechend wird das Steuersignal nicht wesentlich verändert (beispielsweise sind die Terme C₁ - C₂ in den Gleichungen (1) und (2) klein oder gleich Null). Ein großer Unterschied deutet darauf hin, dass die von der Ladungspumpe gelieferte Vorspannungsladung zu hoch oder zu niedrig ist, um den atmosphärischen Druck zu kompensieren. Als Reaktion auf eine hohe Differenz erhöht oder verringert die Steuerschaltung das Steuersignal, so dass die Vorspannungsladung als Reaktion auf die Änderung des Atmosphärendrucks modifiziert wird. Die Modifikation der Vorspannungsladung stoppt, wenn die Differenz den vorgegebenen Schwellenwert erreicht und/oder unterschreitet, was anzeigt, dass der an die Leiter 154A - 154D oder die Leiter 186, 190, 194 angelegte Vorspannungsstrom den Atmosphärendruck ausreichend kompensiert (480). Als Reaktion auf den Erhalt weiterer Informationen, die auf eine Änderung des atmosphärischen Drucks hinweisen (beispielsweise aufgrund von Änderungen des atmosphärischen Drucks und/oder Über-/Unterkorrektur für die erste Änderung des atmosphärischen Drucks), kann der Atmosphärendruck-Abtastabschnitt 114 die Prozesse 366 - 476 wiederholen.
Beispielsweise kann in einigen Implementierungen die Mikrofonvorrichtung 82 Betriebsbedingungen ausgesetzt sein, bei denen sich der atmosphärische Druck schnell ändert, während die Mikrofonvorrichtung 82 gleichzeitig ein akustisches Signal empfängt. In einem Extrembeispiel kann die Mikrofonvorrichtung 82 in einem Aufzug verwendet werden, der vom Boden bis zur Spitze des Turms von Shanghai fährt. Zum Beispiel kann eine Person in die Mikrofonvorrichtung 82 sprechen, während sie im Aufzug des Turms von Shanghai fährt. Der Aufzug des Turms von Shanghai kann in etwa 45 Sekunden vom untersten Stockwerk in das 95. Stockwerk fahren und Passagiere mit einer Geschwindigkeit von fast 46 Meilen pro Stunde befördern. Gemäß dem Aufstieg biegt sich die Membran 90, 298 beim Steigen des Aufzugs als Reaktion auf die Änderungen des atmosphärischen Drucks und die Änderungen des Schalldrucks nach oben und unten aus und übt dabei Kräfte auf den dielektrischen Kamm 98 bei langsamen Frequenzen von bis zu etwa 10Hz als Reaktion auf die Änderungen des atmosphärischen Drucks und gleichzeitig bei schnelleren akustischen Frequenzen von etwa 20Hz bis 200 KHz aus. Dementsprechend erfasst die Atmosphärendruck-Messschleife 336 die langsameren Frequenzänderungen und durchläuft gleichzeitig mit der Akustiksignal-Detektionsschleife 304, die das akustische Signal verarbeitet, das in 22 dargestellte Verfahren.
23 zeigt ein Diagramm der Kapazität des dielektrischen Kammes 98 gegenüber einer Ablenkdistanz gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung. Ein Wandwinkel (beispielsweise ein Winkel der Leiter 186, 190, 194 relativ zur Vertikalen) beträgt 0 Grad für die in 23 gezeigte Darstellung. Die elektrostatische Kraft FE ist linear abhängig von der Überlappungsfläche zwischen den Leitern 186, 190, 194 und den benachbarten dielektrischen Stäben 178, 182.
24 zeigt eine Ableitung des Plots von 23. Wie in 24 dargestellt, ist die Änderungsrate der Kapazität bei Auslenkungen des dielektrischen Kammes 98 im Allgemeinen linear und liegt zwischen etwa 1,5µm und etwa 2,0µm. Dementsprechend ist es möglich, gleichzeitig die Vorspannung der Leiter 186, 194 des Atmosphärendruck-Abtastabschnitts 114 langsam zu variieren, um die durch den atmosphärischen Druck verursachte Kraft zu kompensieren, während gleichzeitig die durch den akustischen Druck verursachten akustischen Kräfte mit dem akustischen Abtastabschnitt 110 erfasst werden.
25 zeigt ein Diagramm der Kapazität des dielektrischen Kammes 98 gegenüber einer Ablenkdistanz gemäß einer Implementierung der vorliegenden Offenbarung. Ein Wandwinkel beträgt 1 Grad für die in 25 dargestellte Darstellung.
26 zeigt eine Ableitung des Plots von 26. Wie in 25 dargestellt, nimmt die Änderungsrate der Kapazität im Allgemeinen bei Auslenkungen zwischen etwa 0,25µm und etwa 1,25µm zu. Die elektrostatische Kraft ist im Allgemeinen proportional zur Auslenkung für Auslenkungen zwischen etwa 0,25µm und etwa 1,25µm, so dass eine negative mechanische Rückkopplung an die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 des IC 106 gesendet wird. Die Änderungsrate der Kapazität nimmt bei Auslenkungen zwischen etwa 1,25µm und 2µm ab. Die elektrostatische Kraft ist im Allgemeinen proportional zum Kehrwert der Auslenkung für Auslenkungen zwischen etwa 0,25µm und etwa 1,25µm, so dass eine positive mechanische Rückkopplung an die Atmosphärendruck-Kompensationsschleife 308 des IC 106 gesendet wird.
Die 27 - 29 zeigen Ausführungsformen von Balg-Membranen, die mit der Mikrofonvorrichtung 82, die den dielektrischen Kamm 98 umfasst, verwendet werden können. Die in den 27 - 29 dargestellten Balg-Membranen können in die Mikrofonvorrichtung 82 integriert werden, die im Wesentlichen dem entspricht, was in Bezug auf die Balg-Membran 94 gezeigt und beschrieben wird. Die in den 27 - 29 dargestellte Balg-Membran kann im Wesentlichen ähnlich funktionieren wie die Balg-Membran 94, wie sie gezeigt und beschrieben ist.
Die 27 - 29 sind Querschnitts-Detailansichten von Implementierungen einer Balg-Membran 504. Die Balg-Membran 504 ist so aufgebaut, dass sie sich als Reaktion auf eine von außen einwirkende Kraft auslenkt (beispielsweise nach oben oder unten) und dadurch eine erhöhte Kraft auf einen dielektrischen Kamm ausübt, wie beispielsweise den hier gezeigten und beschriebenen dielektrischen Kamm 98. Wie in 3 gezeigt und in Bezug auf die Balg-Membran 94 beschrieben, ist die Balg-Membran 504 an der Vorderseite des Substrats befestigt, um eine Barriere zwischen dem atmosphärischen Druck der Umgebung der Mikrofonvorrichtung 82 und dem Vakuum der ersten Kavität 126 und der zweiten Kavität 146 zu bilden.
27 zeigt eine Querschnittsansicht der Hälfte der Balg-Membran 504 in der ausgefahrenen Position, in der die Balg-Membran 504 durch eine von außen einwirkende Kraft, beispielsweise eine Kraft durch atmosphärischen Druck und/oder Schalldruck, verschoben wird. Die Balg-Membran 504 wird durch die von außen einwirkende Kraft sowohl schräg gestellt als auch elastisch verformt. Beispielhafte Abmessungen für die Balg-Membran 504 sind in 27 dargestellt und nachfolgend beschrieben. Obwohl sich 27 in der ausgefahrenen Position befindet, beziehen sich die nachfolgend beschriebenen Abmessungen auf die Balg-Membran 504 in einer nicht ausgelenkten Position (beispielsweise wenn die Balg-Membran 504 keiner von außen einwirkenden Kraft ausgesetzt ist). Der in 27 nicht dargestellte Abschnitt der Balg-Membran 504 ist um die Achse 512 im Wesentlichen symmetrisch zu dem dargestellten Abschnitt der Balg-Membran 504.
Die Balg-Membran 504 umfasst eine erste Balgplatte 516, eine Vielzahl von zweiten Balgplatten 520 und eine dritte Balgplatte 524. Bei der Umsetzung von 27 umfasst die Vielzahl der zweiten Balgplatten drei zweite Balgplatten 520. Die erste Balgplatte 516, die zweiten Balgplatten 520 und die dritte Balgplatte 524 bilden zusammen einen fünfschichtigen MEMS-Wandler. Aus einer Normalenrichtung zur Balg-Membran 504 betrachtet, haben die erste Balgplatte 516 und die zweiten Balgplatten 520 eine allgemein ringförmige Struktur. Aus einer Normalenrichtung zur Balg-Membran 504 betrachtet, hat die dritte Balgplatte 524 eine allgemein kreisförmige Struktur. Die erste Balgplatte 516 hat einen Radius r₁, der 200µm bis 500µm betragen kann. In einigen Anwendungen beträgt der Radius r₁ im Wesentlichen 200µm. Die erste Balgplatte 516 hat eine Dicke t₁, die 0,1µm bis 2µm betragen kann. In der abgebildeten Implementierung beträgt die Dicke t₁ im Wesentlichen 0,5µm. Die erste Balgplatte 516 umfasst eine Durchgangsbohrung 532 in der Nähe der Mitte der ersten Balgplatte 516. Ein Umfang der einen der zweiten Balgplatten 520 ist mit der ersten Balgplatte 516 in der Nähe der Durchgangsbohrung 532 verbunden. Jede der zweiten Balgplatten 520 hat einen Radius r₂ und eine Dicke t₂ und umfasst eine Durchgangsbohrung 536 in der Nähe eines Zentrums der zweiten Balgplatte 520. Der Radius r₂ ist wesentlich kleiner als der Radius r₁ der ersten Balgplatte 516. Der Radius r₂ kann 50µm bis 450µm betragen. In der abgebildeten Implementierung beträgt der Radius r₂ im Wesentlichen 200µm.Obwohl die in 27 dargestellten Radien r₂ für alle zweiten Balgplatten 520 gleich sind, können die Radien r₂ in anderen Implementierungen unterschiedlich sein. Die Durchgangsbohrung 536 hat einen Radius, der 30µm bis 440µm betragen kann. In der in 27 dargestellten Ausführung hat die Durchgangsbohrung 536 einen Radius von im Wesentlichen 150µm. Die dritte Balgplatte 524 hat einen Radius r₃ und eine Dicke t₃. Der Radius r₃ kann 50µm bis 450µm betragen. In der dargestellten Ausführung beträgt der Radius r₃ im Wesentlichen 198µm. Obwohl sich der in 27 dargestellte Radius r₃ von dem Radius r₂ unterscheidet, kann der Radius r₃ in anderen Implementierungen gleich dem Radius r₂ sein. Jede der Dicken t₁, t₂ und t₃ kann 0,1 µm bis 2µm betragen. In der abgebildeten Implementierung beträgt jede der Dicken t₁, t₂ und t₃ im Wesentlichen 0,5µm.
Die Balgplatten 516 - 524 sind entlang der Achse 512 ausgerichtet. Die Balgplatten 516 - 524 sind durch im Wesentlichen ringförmige, nachgiebige Strukturen 540 verbunden. Die nachgiebigen Strukturen 540 erleichtern die relative Durchbiegung zwischen benachbarten Balgplatten 516 - 524. Die nachgiebigen Strukturen 540 zwischen benachbarten Balgplatten 516 - 524 sind abwechselnd in der Nähe des Außenumfangs der Balgplatten 516 - 524 und in der Nähe der Durchgangsbohrungen 532, 536 angeordnet. Zum Beispiel sind die nachgiebigen Strukturen 540, die die erste Balgplatte 516 mit einer zweiten Balgplatte 520a und eine zweite Balgplatte 520b mit einer zweiten Balgplatte 520c verbinden, in der Nähe der Durchgangsbohrungen 532, 536 angeordnet. Die nachgiebige Struktur 540, die die zweite Balgplatte 520a mit der zweiten Balgplatte 520b verbindet, ist in der Nähe der äußeren Umfänge der zweiten Balgplatte 520a und der zweiten Balgplatte 520b angeordnet. Die nachgiebigen Strukturen 540, die die zweite Balgplatte 520c mit der dritten Balgplatte 524 verbinden, sind in der Nähe der äußeren Umfänge der zweiten Balgplatte 520a und der dritten Balgplatte 524 angeordnet. Die Positionierung der nachgiebigen Strukturen 540 bewirkt, dass die Balg-Membran 504 die in 27 gezeigte, im Wesentlichen zickzackförmige Querschnittskonfiguration aufweist. In der dargestellten Ausführung sind die nachgiebigen Strukturen 540 einstückig mit den Balgplatten 516 - 524 ausgebildet. Die nachgiebigen Strukturen 540 sind so aufgebaut, dass ein Abstand s oder Luftspalt zwischen benachbarten Balgplatten 516 - 524 eingehalten wird. Der Abstand s kann zwischen 0,5µm und 5µm liegen. In der dargestellten Ausführung beträgt der Abstand s im Wesentlichen 3µm.
Die Balgplatten 516 - 524 und die nachgiebigen Strukturen 540 sind aus einem Material gefertigt, das nicht steif wird, da die Balgplatte 504 zyklischen Belastungen ausgesetzt ist, die durch große aufgebrachte Drücke, wie beispielsweise dem atmosphärischen Druck, verursacht werden. Eine Nachgiebigkeit der Balg-Membran 504 kann größer sein als der Abstand zwischen der dritten Balgplatte 524 und dem dielektrischen Kamm. In der dargestellten Ausführung besteht die Balg-Membran 504 aus einem Material, das eine Belastung unter im Wesentlichen atmosphärischem Druck aufnehmen und eine Nachgiebigkeit von im Wesentlichen 1nm/Pa bis zu im Wesentlichen 10nm/Pa aufrechterhalten kann. In der abgebildeten Ausführung sind die Balgplatten 516 - 524 und die nachgiebigen Strukturen 540 aus einem Polysilizium- oder Siliziumnitridmaterial hergestellt. Beispielhafte Polysilizium-Materialien umfassen Siliziumnitride oder Siliziumoxide. Eine Grundresonanz der in 27 dargestellten Balg-Membran 504 ist höher als 20kHz bei 3 Dezibel (dB) Schall.
28 zeigt eine Querschnittsansicht der Hälfte einer Balg-Membran 544 in der ausgefahrenen Position gemäß einer anderen Umsetzung der vorliegenden Offenbarung. Die Balg-Membran 544 umfasst eine erste Balgplatte 548, eine Vielzahl von zweiten Balgplatten 552, eine dritte Balgplatte 556 und eine Vielzahl von nachgiebigen Strukturen 560. Die erste Balgplatte 548, die dritte Balgplatte 556 und die nachgiebigen Strukturen 560 sind der ersten Balgplatte 516, der dritten Balgplatte 524 und den nachgiebigen Strukturen 540, die oben in Bezug auf 27 beschrieben sind, im Wesentlichen ähnlich und werden nicht im Detail beschrieben.
Wie in 28 dargestellt, umfasst die Vielzahl der zweiten Balgplatten 552 fünf zweite Balgplatten 552. Die erste Balgplatte 548, die zweiten Balgplatten 552 und die dritte Balgplatte 556 bilden einen siebenlagigen MEMS-Wandler. Bei Betrachtung aus einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Balg-Membran 544 verläuft, haben die zweiten Balgplatten 556 eine allgemein ringförmige Struktur. Jede der zweiten Balgplatten 556 hat einen Radius r₂ und eine Dicke t₂ und umfasst eine Durchgangsbohrung 564 in der Nähe der Mitte der zweiten Balgplatte 556. Die Radien r₂ können 50µm bis 450µm betragen. In der abgebildeten Ausführung beträgt der Radius r₂ im Wesentlichen 200µm.In einigen Ausführungsformen sind die Radien r₂ jeweils gleich. In anderen Ausführungsformen können die Radien r₂ unterschiedlich sein. Die Balgplatten 548 - 556 sind entlang einer Achse 568 ausgerichtet. Die Balgplatten 548 - 556 sind durch die Vielzahl von im Wesentlichen ringförmigen, nachgiebigen Strukturen 560 verbunden. Die nachgiebigen Strukturen 560 zwischen benachbarten Balgplatten 548 - 556 sind abwechselnd in der Nähe eines Außenumfangs der Balgplatten 548 - 552 und in der Nähe der Durchgangsbohrungen der Balgplatten 548 - 552 angeordnet. Die Positionierung der nachgiebigen Strukturen 560 bewirkt, dass die Balg-Membran 544 die in 28 gezeigte, im Wesentlichen zickzackförmige Querschnittskonfiguration aufweist. In der dargestellten Ausführung sind die nachgiebigen Strukturen 560 einstückig mit den Balgplatten 548 - 556 ausgebildet. Die nachgiebigen Strukturen 560 sind so aufgebaut, dass ein Abstand s oder Luftspalt zwischen benachbarten Balgplatten eingehalten wird. Der Abstand s kann zwischen 0,5µm und 5µm liegen. In der dargestellten Ausführung beträgt der Abstand s im Wesentlichen 3µm.
Eine Grundresonanz der Balg-Membran 544 ist höher als 20kHz bei 3 Dezibel (dB) Schall. Die siebenlagige Balg-Membran 544 ist länger als die in 27 dargestellte fünflagige Balg-Membran 504. Entsprechend ist eine Empfindlichkeit der Siebenschicht-Balg-Membran 544 höher als eine Empfindlichkeit der Fünfschicht-Balg-Membran 504, weil die siebenschichtige Balg-Membran 544 in Richtung der Achse 568 stärker auslenken kann als die fünfschichtige Balg-Membran 504 in Richtung der Achse 512. Die Grundresonanz der siebenschichtige Balg-Membran 544 ist tiefer als die Resonanzfrequenz der fünfschichtigen Balg-Membran 504.
29 zeigt eine Querschnittsansicht der Hälfte einer Balg-Membran 572 in ausgefahrener Position gemäß einer anderen Umsetzung der vorliegenden Offenbarung. Die Balg-Membran 572 umfasst eine erste Balgplatte 576, eine Vielzahl von zweiten Balgplatten 580, eine dritte Balgplatte 584 und eine Vielzahl von nachgiebigen Strukturen 588. Die erste Balgplatte 576, die dritte Balgplatte 584 und die nachgiebigen Strukturen 588 sind der ersten Balgplatte 516, der dritten Balgplatte 524 und den nachgiebigen Strukturen 540, die oben in Bezug auf 27 beschrieben sind, im Wesentlichen ähnlich und werden nicht im Detail beschrieben.
Wie in 29 dargestellt, umfasst die Vielzahl der zweiten Balgplatten 552 sieben zweite Balgplatten 580. Die erste Balgplatte 576, die zweiten Balgplatten 580 und die dritte Balgplatte 584 bilden einen neunlagigen MEMS-Wandler. Bei Betrachtung aus einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Balg-Membran 572 verläuft, haben die zweiten Balgplatten 580 eine allgemein ringförmige Struktur. Jede der zweiten Balgplatten 580 hat einen Radius r₂ und eine Dicke t₂ und umfasst eine Durchgangsbohrung 592 in der Nähe der Mitte der zweiten Balgplatte 580. Die Radien r₂ können 50µm bis 450µm betragen. In der abgebildeten Ausführung beträgt der Radius r₂ im Wesentlichen 200µm.In einigen Ausführungsformen sind die Radien r₂ jeweils gleich. In anderen Ausführungsformen können die Radien r₂ unterschiedlich sein. Die Balgplatten 576 - 584 sind entlang einer Achse 596 ausgerichtet. Die Balgplatten 576 - 584 sind durch die Vielzahl von im Wesentlichen ringförmigen, nachgiebigen Strukturen 588 verbunden. Die nachgiebigen Strukturen 588 zwischen benachbarten Balgplatten 576 - 584 sind abwechselnd in der Nähe eines äußeren Umfangs der Balgplatten 576 - 580 und in der Nähe der Durchgangsbohrungen der Balgplatten 576 - 580 angeordnet. Die Positionierung der nachgiebigen Strukturen 588 bewirkt, dass die Balg-Membran 572 die in 29 gezeigte, im Wesentlichen zickzackförmige Querschnittskonfiguration aufweist. In der dargestellten Ausführung sind die nachgiebigen Strukturen 588 einstückig mit den Balgplatten 576 - 584 ausgebildet. Die nachgiebigen Strukturen 588 sind so aufgebaut, dass ein Abstand s oder Luftspalt zwischen benachbarten Balgplatten eingehalten wird. Der Abstand s kann zwischen 0,5µm und 5µm liegen. In der dargestellten Ausführung beträgt der Abstand s im Wesentlichen 3µm.
Eine Grundresonanz der in 29 dargestellten Balg-Membran 572 ist bei 3 Dezibel (dB) Schall höher als 20kHz. Die in 29 dargestellte neunlagige Balg-Membrane 572 ist länger als die in 27 dargestellte fünflagige Balg-Membrane 504 und die in 28 dargestellte siebenlagige Balg-Membrane 544. Dementsprechend ist die Empfindlichkeit der Neun-Schicht-Balg-Membran 572 höher als die Empfindlichkeit der Fünf-Schicht-Balg-Membran 504 und der Sieben-Schicht-Balg-Membran 544, weil die Neun-Schicht-Balg-Membran 572 in Richtung der Achse 596 stärker auslenken kann als die Fünf-Schicht-Balg-Membran 504 in Richtung der Achse 512 und die Sieben-Schicht-Balg-Membran 544 in Richtung der Achse 596. Die Grundresonanz der Balg-Membrane 572 in 29 ist geringer als die Grundresonanz der Fünflagen-Balg-Membrane 504 und die Grundresonanz der Siebenlagen-Balg-Membrane 544.
30 ist ein Flussdiagramm, das ein Herstellungsverfahren für die Herstellung einer der Balg-Membranen 504, 544, 572 zeigt. Die 31 - 35 veranschaulichen die Schritte des Herstellungsprozesses von 30. Bei einigen Anwendungen kann die Balg-Membran 94 auf ähnliche Weise hergestellt werden.
31 veranschaulicht einen ersten Schritt 704 des Herstellungsprozesses. In Schritt 704 wird ein Stapel von Opferoxidschichten („sacrificial oxide layers“) durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) auf einem MEMS-Substrat 600 abgeschieden. Wie in 31 dargestellt, wird eine thermische Oxidschicht 604 über einer ersten Oberfläche des MEMS-Substrats 600 mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen abgeschieden. In der dargestellten Ausführungsform besteht die thermische Oxidschicht 604 aus Siliziumdioxid. In anderen Ausführungen können andere Arten von thermischen Oxiden verwendet werden. Abwechselnd eine oder mehrere dotierte Oxidschichten 608 und undotierte Oxidschichten 612 werden über einem Abschnitt der thermischen Oxidschicht 604 abgeschieden. In der dargestellten Ausführung werden drei dotierte Oxidschichten 608 und drei undotierte Oxidschichten 612 abgeschieden. In anderen Implementierungen können mehr oder weniger dotierte Oxidschichten 608 und undotierte Oxidschichten 612 abgeschieden werden. In der abgebildeten Implementierung ist das dotierte Oxid Phosphosilikatglas (PSG). Das PSG kann 5 - 20 Gewichts-% Phosphor umfassen. In der abgebildeten Ausführungsform umfasst das PSG im Wesentlichen 10 Gewichts-% Phosphor. In der abgebildeten Ausführungsform ist das undotierte Oxid undotiertes Silikatglas. In anderen Ausführungen können verschiedene undotierte Oxide verwendet werden. Die thermische Oxidschicht 604, die dotierte Oxidschicht 608 und die undotierte Oxidschicht 612 werden hier als Opferoxidschichten bezeichnet, da sie durch Ätzen entfernt werden können, und sind meist temporäre Schichten, die vor Abschluss des Herstellungsprozesses entfernt werden.
In Schritt 708 wird eine Opferätzung („sacrificial etch“) abgeschlossen, indem die Opferoxidschichten 604, 608, 612 für einen vordefinierten Zeitraum mit Fluorwasserstoff (HF) behandelt werden, um einen Abschnitt der Opferoxidschichten 604, 608, 612 aufzulösen. 32 zeigt die Opferoxidschichten 604, 608, 612 nach der Opferätzung. Während des Opferätzens reagiert die HF am schnellsten mit der dotierten Oxidschicht 608. Wie in 32 dargestellt, wurde der größte Teil der dotierten Oxidschicht 608 durch die HF entfernt, so dass ein dünner Abschnitt des dotierten Oxids 608 in der Nähe eines Zentrums der Opferoxidschichten 604, 608, 612 zurückblieb. In einigen Ausführungsformen entspricht der Radius des Schaftes im Wesentlichen den Radien der Durchgangsbohrungen in den oben beschriebenen Balgplatten, bezogen auf die 27 - 29. Die Opferätzung rundete die Kanten der undotierten Oxidschichten 612 ab und reagierte nicht mit der thermischen Oxidschicht 604.
In Schritt 712 wird, wie in 33 dargestellt, eine Membranschicht 616 aus Polysilizium oder Nitrid über den Opferoxidschichten 604, 608, 612 abgeschieden. Die Membranschicht 616 wird mittels chemischer Niederdruck-Gasphasenabscheidung (LPCVD) abgeschieden, so dass das Polysilizium- oder Siliziumnitridmaterial alle Außenflächen der undotierten Oxidschicht 612 und der dotierten Oxidschicht 608 beschichten kann. Die Membranschicht 616 wird am Ende des Herstellungsprozesses zur Balg-Membran, und die Opferoxidschichten 604, 608, 612 fungieren als Gerüstschicht für die Membranschicht 616, so dass die Membrane 616 in der durch die Opferoxidschichten 604, 608, 612 definierten Form gebildet wird, wenn die Membranschicht 616 abgeschieden wird. Die Dicke der Membranschicht 616 ist somit die Dicke der Balg-Membran. Die Membranschicht 616 kann eine Dicke t von 0,1 µm bis 2µm haben. In der dargestellten Ausführung beträgt die Dicke t im Wesentlichen 0,5µm.
In Schritt 716 wird, wie in 34 dargestellt, ein Abschnitt des MEMS-Substrats 600 weggeschnitten, um eine Kavität 620 zu bilden, die sich bis zur thermischen Oxidschicht 604 erstreckt. Der Abschnitt des MEMS-Substrats 600 kann durch Tief-Reaktiv-Ionen-Ätzen („deep reactive-ion etching“, DRIE) entfernt werden.
In Schritt 720 wird eine zweite Opferätzung durchgeführt, um die Opferoxidschichten 604, 608, 612 zu entfernen. Die zweite Opferätzung kann eine höhere HF-Konzentration verwenden und/oder die Opferoxidschichten 604, 608, 612 über einen längeren Zeitraum und mit einem höheren volumetrischen HF-Gehalt als die in Schritt 608 abgeschlossene Opferätzung der HF aussetzen. Wie in 35 dargestellt, sind nach Abschluss von Schritt 720 die gesamte dotierte Oxidschicht 608 und die undotierte Oxidschicht 612 entfernt worden. Ein Großteil der thermischen Oxidschicht 604 ist ebenfalls entfernt worden. Die Schicht 616 wird nach dem Opferätzen über der Kavität 620 aufgehängt, und ein Umfang der Schicht 616 wird durch den verbleibenden Abschnitt der thermischen Oxidschicht 604 auf dem MEMS-Substrat 600 befestigt. Abstandshalter 624 werden an einem Abschnitt der Membranschicht 616 befestigt, der über dem MEMS-Substrat 600 liegt, wie in 35 dargestellt. Wenn sie in einer Mikrofonvorrichtung wie der in 3 dargestellten Mikrofonvorrichtung 82 eingesetzt werden, sind die Abstandshalter 624 so bemessen, dass sie genügend Raum für die Durchbiegung der Balg-Membran bieten, wenn die Balg-Membran in der Mikrofonvorrichtung 82 eingesetzt wird. Die freien Enden der Abstandshalter 624 werden ähnlich wie in 3 auf dem MEMS-Substrat 86 der Mikrofonvorrichtung befestigt.
Der hier beschriebene Gegenstand veranschaulicht manchmal verschiedene Komponenten, die in verschiedenen anderen Komponenten enthalten oder mit ihnen verbunden sind. Es ist zu verstehen, dass solche dargestellten Architekturen illustrativ sind, und dass tatsächlich viele andere Architekturen implementiert werden können, die die gleiche Funktionalität erreichen. In einem konzeptionellen Sinne ist jede Anordnung von Komponenten zur Erzielung der gleichen Funktionalität effektiv „verbunden“, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird. Daher können alle zwei Komponenten, die hier kombiniert werden, um eine bestimmte Funktionalität zu erreichen, als miteinander „assoziiert“ angesehen werden, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird, unabhängig von Architekturen oder intermedialen Komponenten. Ebenso können zwei auf diese Weise verbundene Komponenten als „funktionell miteinander verbunden“ oder „funktionell miteinander gekoppelt“ angesehen werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen, und zwei Komponenten, die auf diese Weise verbunden werden können, können auch als „funktionell miteinander koppelbar“ angesehen werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Spezifische Beispiele für „betriebsfähig koppelbar“ umfassen, sind aber nicht beschränkt auf physikalisch koppelbare und/oder physikalisch interagierende Komponenten und/oder drahtlos interagierende und/oder drahtlos interagierende Komponenten und/oder logisch interagierende und/oder logisch interagierende Komponenten.
Was die Verwendung von Plural und/oder Singular in diesem Dokument betrifft, so können diejenigen, die sich in der Kunst auskennen, vom Plural in den Singular und/oder vom Singular in den Plural übersetzen, wie es dem Kontext und/oder der Anwendung angemessen ist. Die verschiedenen Singular/Plural-Permutationen können hier der Klarheit halber ausdrücklich aufgeführt werden.
Es wird von denjenigen innerhalb der Kunst verstanden werden, dass die hier und insbesondere in den beigefügten Ansprüchen verwendeten Begriffe (beispielsweise Körper der beigefügten Ansprüche) im Allgemeinen als „offene“ Begriffe gemeint sind (beispielsweise sollte der Begriff „umfassen“ als ‟umfassen durch nicht beschränkt auf, der Begriff „aufweisen“ als „wenigstens aufweisen‟, der Begriff „einschließt“ als „einschließt, aber nicht beschränkt auf“ usw. interpretiert werden).
Des Weiteren wird von den Fachleuten in der Technik verstanden werden, dass, wenn eine bestimmte Anzahl von eingeführten Anspruchsrezitationen beabsichtigt ist, eine solche Absicht ausdrücklich im Anspruch genannt wird, und dass in Ermangelung einer solchen Rezitation keine solche Absicht vorliegt. Als Verständnishilfe können zum Beispiel die folgenden beigefügten Ansprüche die Verwendung der einleitenden Sätze „wenigstens einer“ und „einer oder mehrere“ enthalten, um Anspruchsrezitationen einzuführen. Die Verwendung solcher Sätze sollte jedoch nicht dahingehend ausgelegt werden, dass die Einführung einer Anspruchswiederholung durch die unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ einen bestimmten Anspruch, der eine solche eingeführte Anspruchswiederholung enthält, auf Erfindungen beschränkt, die nur eine Wiederholung enthalten, selbst wenn derselbe Anspruch die einleitenden Sätze „ein/e oder mehrere“ oder „wenigstens einen“ und unbestimmte Artikel wie „ein“ oder „eine“ (beispielsweise „ein“ und/oder „eine“ ist typischerweise so auszulegen, dass damit „wenigstens ein/e“ oder „eine/r oder mehrere“ gemeint sind); dasselbe gilt für die Verwendung bestimmter Artikel, die zur Einführung von Anspruchsrezitationen verwendet werden. Selbst wenn eine bestimmte Zahl einer eingeführten Anspruchs-Rezitation explizit rezitiert wird, werden diejenigen, die sich in der Kunst auskennen, erkennen, dass eine solche Rezitation typischerweise so interpretiert werden sollte, dass wenigstens die rezitierte Zahl gemeint ist (beispielsweise bedeutet die bloße Rezitation von „zwei Funktionen“ ohne andere Modifikatoren typischerweise wenigstens zwei Rezitationen oder zwei oder mehr Rezitationen).
Darüber hinaus ist in den Fällen, in denen eine Konvention analog zu „wenigstens einem von A, B und C usw.“ verwendet wird, im Allgemeinen eine solche Konstruktion in dem Sinne beabsichtigt, dass jemand, der über Fachkenntnisse verfügt, die Konvention verstehen würde (beispielsweise „ein System mit wenigstens einem von A, B und C“ würde Systeme umfassen, die A allein, B allein, C allein, A und B zusammen, A und C zusammen, A und C zusammen, B und C zusammen und/oder A, B und C zusammen usw. haben, ohne darauf beschränkt zu sein). In den Fällen, in denen eine Konvention analog zu „wenigstens einem von A, B oder C usw.“ verwendet wird, ist eine solche Konstruktion im allgemeinen in dem Sinne gemeint, dass jemand, der sich in der Kunst auskennt, die Konvention verstehen würde (beispielsweise „ein System mit wenigstens einem von A, B oder C: würde Systeme umfassen, aber nicht beschränkt sein auf Systeme, die A allein, B allein, C allein, A und B zusammen, A und C zusammen, B und C zusammen und/oder A, B und C zusammen usw. haben). Des Weiteren wird von den Fachleuten in der Kunst verstanden, dass praktisch jedes disjunktive Wort und/oder jeder Satz, das/der zwei oder mehr alternative Begriffe enthält, sei es in der Beschreibung, in den Ansprüchen oder in den Zeichnungen, so verstanden werden sollte, dass die Möglichkeiten der Einbeziehung eines der Begriffe, eines der Begriffe oder beider Begriffe in Betracht gezogen werden sollten. Zum Beispiel wird der Ausdruck „A oder B“ so verstanden werden, dass er die Möglichkeiten von „A“ oder „B“ oder „A und B“ umfasst. Des Weiteren bedeutet, sofern nicht anders angegeben, die Verwendung der Wörter „grob“, „in etwa“, „ungefähr“, „circa“, „im Wesentlichen“ usw. plus oder minus zehn Prozent.
Die vorstehende Beschreibung der illustrativen Elemente wurde zu Illustrations- und Beschreibungszwecken vorgelegt. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend oder einschränkend in Bezug auf die genaue Form zu sein, die offenbart wurde, und Änderungen und Variationen sind im Lichte der obigen Lehren möglich oder können aus der Praxis der offengelegten Implementierungen gewonnen werden. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/646003 [0001]

Claims

Mikrofon, umfassend: einen dielektrischen Kamm, umfassend: ein Gehäuse, das eine Kavität definiert; eine Vielzahl von Leitern, die innerhalb der Kavität angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Leitern so strukturiert ist, dass sie sich als Reaktion auf Druckänderungen bewegen, während das Gehäuse fixiert bleibt, wobei die Druckänderungen Druckänderungen umfassen, die aus akustischer Aktivität resultieren, und Druckänderungen umfassen, die aus Änderungen eines atmosphärischen Drucks resultieren, wobei die Vielzahl von Leitern umfassen: wenigstens einen ersten Leiter, der so konfiguriert ist, dass er als Reaktion auf die Druckänderungen, die aus Änderungen des Atmosphärendrucks resultieren, erste elektrische Signale erzeugt; und wenigstens einen zweiten Leiter, der so konfiguriert ist, dass er als Reaktion auf die aus der akustischen Aktivität resultierenden Druckänderungen zweite elektrische Signale erzeugt; und wenigstens einen dielektrischen Stab, der innerhalb der Kavität positioniert und in einer festen Position in Bezug auf die Kavität befestigt ist, so dass der wenigstens eine dielektrische Stab unter den Druckänderungen fixiert bleibt, wobei jeder des wenigstens einen dielektrischen Stabes an wenigstens den wenigstens einen ersten Leiter oder wenigstens einen zweiten Leiter der Vielzahl von Leitern angrenzt; und eine Steuerschaltung, umfassend: eine Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung, die elektrisch mit dem wenigstens einen ersten Leiter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie die ersten elektrischen Signale empfängt und ein Atmosphärendruck-Signal erzeugt, das die Druckänderungen anzeigt, die sich aus den Änderungen des Atmosphärendrucks ergeben; und eine Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung, die elektrisch mit dem wenigstens einen zweiten Leiter gekoppelt und so konfiguriert ist, dass sie die zweiten elektrischen Signale empfängt und ein akustisches Signal erzeugt, das die aus der akustischen Aktivität resultierenden Druckänderungen anzeigt.
Mikrofon nach Anspruch 1, das des Weiteren wenigstens einen Isolator umfasst, der mit dem Gehäuse gekoppelt und in Bezug auf das Gehäuse als Reaktion auf Druckänderungen beweglich ist, und wobei die Vielzahl von Leitern mit dem wenigstens einen Isolator gekoppelt ist.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung des Weiteren eine Ladungspumpe umfasst, die elektrisch mit wenigstens einem Verbindungsabschnitt der Vielzahl von Leitern verbunden ist, um eine Vorspannungsladung für wenigstens den Abschnitt der Vielzahl von Leitern bereitzustellen, und wobei die Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie die ersten elektrischen Signale verarbeitet, um ein Ladungspumpen-Vorspannungssignal als Reaktion auf die Druckänderungen zu erzeugen, die aus den Änderungen des Atmosphärendrucks resultieren.
Mikrofon nach Anspruch 3, wobei das Ladungspumpen-Vorspannungssignal so konfiguriert ist, dass es eine elektrische Kraft zwischen der Vielzahl von Leitern erzeugt, um die Vielzahl von Leitern in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Bewegungsrichtung zu bewegen, die durch die Änderungen des Atmosphärendrucks verursacht wird.
Mikrofon nach Anspruch 4, wobei die elektrische Kraft so konfiguriert ist, dass sie die Vielzahl von Leitern in eine Ruhelage zurückbringt, in der die Vielzahl von Leitern in Abwesenheit der Druckänderungen, die aus den Änderungen des Atmosphärendrucks resultieren, positioniert wäre.
Mikrofon nach Anspruch 1, das des Weiteren eine Membran umfasst, die sich in die Kavität erstreckt und eine Kraft auf den dielektrischen Kamm ausübt, und wobei die Druckänderungen eine Bewegung der Membran bewirken, wobei die Änderungen in der Bewegung der Membran eine Bewegung der Vielzahl von Leitern relativ zu der Vielzahl dielektrischer Stäbe bewirken.
Mikrofon nach Anspruch 6, wobei die Membran eine erste Balgplatte, eine zweite Balgplatte, die an der ersten Balgplatte durch eine erste nachgiebige Struktur befestigt ist, und eine dritte Balgplatte, die an der zweiten Balgplatte durch eine zweite nachgiebige Struktur befestigt ist, umfasst, wobei die erste Balgplatte und die zweite Balgplatte ringförmig und die dritte Balgplatte kreisförmig ist.
Mikrofon nach Anspruch 6, wobei die Membran eine erste Schicht aus einem ersten Material mit einem ersten Elastizitätsmodul und eine zweite Schicht aus einem zweiten Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul, der kleiner ist als der erste Elastizitätsmodul, umfasst.
Mikrofon nach Anspruch 1, wobei die Kavität ein Vakuum ist.
Wandler eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), umfassend: eine Balg-Membran, umfassend: eine erste Balgplatte, wobei die erste Balgplatte ringförmig ist; eine oder mehrere zweite Balgplatten, wobei die eine oder die mehreren zweiten Balgplatten ringförmig sind, eine dritte Balgplatte, wobei die dritte Balgplatte kreisförmig ist; und eine Vielzahl von nachgiebigen Strukturen, die die erste Balgplatte, die eine oder mehrere zweite Balgplatten und die dritte Balgplatte verbinden; und wobei in einer Ruhelage die erste Balgplatte, die eine oder mehrere zweite Balgplatten und die dritte Balgplatte im Wesentlichen parallel sind, und wobei sich der MEMS-Wandler als Reaktion auf einen angelegten Druck, wobei der angelegte Druck wenigstens einer von einem atmosphärischen Druck und einem akustischen Druck ist, in eine ausgefahrene Position erstreckt, in der die erste Balgplatte und die eine oder mehreren zweiten Balgplatten in Bezug auf die dritte Balgplatte geneigt sind.
MEMS-Wandler nach Anspruch 10, wobei die erste Position in Abwesenheit einer von außen einwirkenden Kraft eintritt.
MEMS-Wandler nach Anspruch 10, wobei die erste Balgplatte, die zweite Balgplatte und die dritte Balgplatte so aufgebaut sind, dass sie sich als Reaktion auf Änderungen des angelegten Drucks bewegen.
MEMS-Wandler nach Anspruch 10, wobei die Vielzahl der nachgiebigen Strukturen so konfiguriert sind, dass sie Nachgiebigkeitswerte zwischen 1 nm/Pa und 10nm/Pa aufrechterhalten, wenn der MEMS-Wandler zyklischen Belastungen ausgesetzt wird.
MEMS-Wandler nach Anspruch 10, wobei die erste Balgplatte, die eine oder mehrere zweite Balgplatten und die dritte Balgplatte jeweils eine Dicke von im Wesentlichen 0,5µm bis im Wesentlichen 2µm aufweisen.
MEMS-Wandler nach Anspruch 10, wobei ein Abstand zwischen benachbarten der ersten Balgplatte, der einen oder mehreren zweiten Balgplatten und der dritten Balgplatte im Wesentlichen 0,5µm bis 5µm beträgt.
MEMS-Wandler nach Anspruch 10, wobei die eine oder mehrere zweite Balgplatten drei zweite Balgplatten umfassen.
MEMS-Wandler nach Anspruch 10, wobei die eine oder die mehreren zweiten Balgplatten fünf zweite Balgplatten umfassen.
MEMS-Wandler nach Anspruch 10, wobei die eine oder die mehreren zweiten Balgplatten sieben zweite Balgplatten umfassen.
Wandler eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), der zur Verwendung mit einem Mikrofonsystem konfiguriert ist, das ein Gehäuse, das eine Kavität definiert, und einen in der Kavität positionierten Drucksensor umfasst, wobei der MEMS-Wandler umfasst: eine erste Schicht, die eine Kontaktschicht umfasst, die so strukturiert ist, dass sie eine Kraft auf den Drucksensor ausübt, wobei die erste Schicht aus einem ersten Material mit einem ersten Elastizitätsmodul gebildet ist; eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht gebildet ist, wobei die zweite Schicht aus einem zweiten Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul gebildet ist, der niedriger als der erste Elastizitätsmodul ist; und wobei wenigstens ein Abschnitt der ersten Schicht und der zweiten Schicht an dem Gehäuse zur Durchbiegung in Bezug auf das Gehäuse befestigt sind, wobei die zweite Schicht so strukturiert ist, dass sie die konzentrierte Spannung aufnimmt, die durch das Gehäuse auf den MEMS-Wandler während der Durchbiegung ausgeübt wird, und die konzentrierte Spannung als verteilte Spannung auf die erste Schicht überträgt.
MEMS-Wandler nach Anspruch 19, wobei die erste Schicht eine Dicke von 100nm - 1µm hat, um ein Vakuum in der Kavität aufrechtzuerhalten.
MEMS-Wandler nach Anspruch 19, wobei das erste Elastizitätsmodul zwischen 50GPa und 200GPa liegt.
MEMS-Wandler nach Anspruch 19, wobei das zweite Elastizitätsmodul zwischen 1GPa und 10GPa liegt.
Steuerschaltung für ein Mikrofon für mikroelektromechanische Systeme (MEMS), wobei die Steuerschaltung umfasst: eine Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie ein erstes Signal von einer ersten Vielzahl von Leitern einer beweglichen Sensorstruktur des MEMS-Mikrofons empfängt, das als Reaktion auf die Bewegung der beweglichen Sensorstruktur erzeugt wird, und das erste Signal verarbeitet, um ein Signal zu erzeugen, das eine Änderung des Atmosphärendrucks anzeigt; und eine Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie ein zweites Signal von einer zweiten Vielzahl von Leitern der beweglichen Abtaststruktur empfängt, wobei die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie das zweite Signal verarbeitet, um ein Signal zu erzeugen, das eine akustische Aktivität anzeigt.
Steuerschaltung nach Anspruch 23, des Weiteren mit einer Ladungspumpe, die mit der beweglichen Abtaststruktur verbunden ist, wobei die Atmosphärendruck-Verarbeitungsschaltung so konfiguriert ist, dass sie die Ladungspumpe so steuert, dass sie ein Vorspannungssignal an einen oder mehrere von wenigstens der ersten Vielzahl von Leitern der beweglichen Abtaststruktur auf Grundlage des Signals liefert, das die Änderung des Atmosphärendrucks anzeigt.
Steuerschaltung nach Anspruch 24, wobei die Vorspannungsladung so bemessen ist, dass sie die bewegliche Abtaststruktur vorspannt, um die Änderung des Atmosphärendrucks zu kompensieren.
Steuerschaltung nach Anspruch 23, wobei das zweite Signal einen hochfrequenten Abschnitt und einen niederfrequenten Abschnitt aufweist, und wobei die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung ein Filter umfasst, der so konfiguriert ist, dass er den niederfrequenten Abschnitt des zweiten Signals entfernt.
Steuerschaltung nach Anspruch 23, wobei das zweite Signal eine Amplitude aufweist und wobei die Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung eine Rückkopplungsschaltung umfasst, die so konfiguriert ist, dass sie die Amplitude des zweiten Signals bestimmt und als Reaktion darauf, dass die Amplitude einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet, ein Rückkopplungssignal erzeugt, um die Amplitude des zweiten Signals zu reduzieren, um eine Überlastung der Akustik-Aktivitäts-Verarbeitungsschaltung zu verhindern.
Steuerschaltung nach Anspruch 23, wobei sich die zweite Vielzahl von Leitern von der ersten Vielzahl von Leitern unterscheidet.
Mikrofon, umfassend: ein Gehäuse, das eine Kavität definiert; eine Vielzahl von Leitern, die innerhalb der Kavität angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Leitern so aufgebaut ist, dass sie sich als Reaktion auf Druckänderungen bewegen, während das Gehäuse fixiert bleibt, wobei die Druckänderungen Druckänderungen, die aus akustischer Aktivität resultieren, und Druckänderungen, die aus Änderungen eines atmosphärischen Drucks resultieren, umfassen, wobei die Vielzahl von Leitern umfassen: wenigstens einen ersten Leiter, der so konfiguriert ist, dass er als Reaktion auf die Druckänderungen, die aus Änderungen des Atmosphärendrucks resultieren, erste elektrische Signale erzeugt; und wenigstens einen zweiten Leiter, der so konfiguriert ist, dass er als Reaktion auf die aus der akustischen Aktivität resultierenden Druckänderungen zweite elektrische Signale erzeugt; und wenigstens ein dielektrischer Stab, der innerhalb der Kavität positioniert und in einer festen Position in Bezug auf die Kavität befestigt ist, so dass der wenigstens eine dielektrische Stab unter den Druckänderungen fixiert bleibt, wobei jeder der wenigstens einen dielektrischen Stäbe an wenigstens einen der Leiter der Vielzahl von Leitern angrenzt; und eine Wandler-Membran, umfassend: eine erste Balgplatte, wobei die erste Balgplatte ringförmig ist; eine oder mehrere zweite Balgplatten, wobei die eine oder die mehreren zweiten Balgplatten ringförmig sind, eine dritte Balgplatte, wobei die dritte Balgplatte kreisförmig ist; und eine Vielzahl von nachgiebigen Strukturen, die die erste Balgplatte, die eine oder mehrere zweite Balgplatten und die dritte Balgplatte verbinden; und wobei in einer Ruhelage die erste Balgplatte, die eine oder mehrere zweite Balgplatten und die dritte Balgplatte im Wesentlichen parallel sind, und wobei als Reaktion auf einen angelegten Druck der angelegte Druck wenigstens einer von einem atmosphärischen Druck und einem akustischen Druck ist, der MEMS-Wandler sich in eine ausgefahrene Position erstreckt, in der die erste Balgplatte und die eine oder mehrere zweite Balgplatten in Bezug auf die dritte Balgplatte geneigt sind und der MEMS-Wandler eine Kraft auf den dielektrischen Kamm ausübt, wobei die Kraft wenigstens einen Abschnitt der Vielzahl von Leitern in Bezug auf wenigstens einen Abschnitt der dielektrischen Stäbe verschiebt.
Mikrofon, umfassend: ein Gehäuse, das eine Kavität definiert; eine Vielzahl von Leitern, die innerhalb der Kavität angeordnet sind, wobei die Vielzahl von Leitern so strukturiert ist, dass sie sich als Reaktion auf Druckänderungen bewegen, während das Gehäuse fixiert bleibt, wobei die Druckänderungen Druckänderungen, die aus akustischer Aktivität resultieren, und Druckänderungen, die aus Änderungen in einem atmosphärischen Druck resultieren, umfassen, wobei die Vielzahl von Leitern umfassen: wenigstens einen ersten Leiter, der so konfiguriert ist, dass er als Reaktion auf die Druckänderungen, die aus Änderungen des Atmosphärendrucks resultieren, erste elektrische Signale erzeugt; und wenigstens einen zweiten Leiter, der so konfiguriert ist, dass er als Reaktion auf die aus der akustischen Aktivität resultierenden Druckänderungen zweite elektrische Signale erzeugt; und wenigstens ein dielektrischer Stab, der innerhalb der Kavität positioniert und in einer festen Position in Bezug auf die Kavität befestigt ist, so dass der wenigstens eine dielektrische Stab unter den Druckänderungen fixiert bleibt, wobei jeder der wenigstens einen dielektrischen Stäbe an wenigstens einen der Leiter der Vielzahl von Leitern angrenzt; und einen Wandler, umfassend: eine erste Schicht, die eine Kontaktschicht umfasst, die so strukturiert ist, dass sie eine Kraft auf den Drucksensor ausübt, wobei die erste Schicht aus einem ersten Material mit einem ersten Elastizitätsmodul gebildet ist; eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht gebildet ist, wobei die zweite Schicht aus einem zweiten Material mit einem zweiten Elastizitätsmodul gebildet ist, der niedriger als der erste Elastizitätsmodul ist; und wobei wenigstens ein Abschnitt der ersten Schicht und der zweiten Schicht an dem Gehäuse zur Durchbiegung in Bezug auf das Gehäuse befestigt sind, wobei die zweite Schicht so strukturiert ist, dass sie eine konzentrierte Reaktionskraft aufnimmt, die von dem Gehäuse auf den MEMS-Wandler während der Durchbiegung ausgeübt wird, und die konzentrierte Spannung auf die erste Schicht als eine verteilte Spannung überträgt, wobei die erste Schicht eine Kraft auf den dielektrischen Kamm ausübt, wobei die Kraft wenigstens einen Abschnitt der Vielzahl von Leitern in Bezug auf wenigstens einen Abschnitt der dielektrischen Kämme verschiebt.
Verfahren zur Herstellung eines Wandlers eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), wobei das Verfahren umfasst: Abscheiden einer thermischen Oxidschicht über einer ersten Oberfläche eines Substrats mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Oberflächen; Abscheiden einer oder mehrerer dotierter Oxidschichten und einer oder mehrerer undotierter Oxidschichten, wobei die eine oder mehreren dotierten Oxidschichten und die eine oder mehreren undotierten Oxidschichten abwechselnd beabstandet sind, und wobei eine der einen oder mehreren dotierten Oxidschichten an die thermische Oxidschicht angrenzt; Wegätzen eines Abschnitts der einen oder mehreren dotierten Oxidschichten, um die Oberflächen der einen oder mehreren undotierten Oxidschichten freizulegen; Abscheiden einer Membranschicht über den Oberflächen der thermischen Oxidschicht, der einen oder mehreren dotierten Oxidschichten und der einen oder mehreren undotierten Oxidschichten; Wegätzen eines Abschnitts der zweiten Oberfläche des Substrats, um die thermische Oxidschicht freizulegen; und Wegätzen der einen oder mehreren dotierten Oxidschichten, der einen oder mehreren undotierten Oxidschichten und eines Abschnitts der thermischen Oxidschicht von der Membranschicht, wobei die Membranschicht einen Membran-Wandler definiert, der durch die thermische Oxidschicht an der ersten Oberfläche des Substrats befestigt und relativ zum Substrat beweglich ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Membranschicht ein Polysilizium-Material oder ein Siliziumnitrid-Material ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Membranschicht eine Dicke von 0,5µm bis 2µm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei die Membranschicht mittels chemischer Niederdruck-Gasphasenabscheidung abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das dotierte Opferoxid Phosphosilikatglas und das undotierte Opferoxid Silikatglas ist.