DE112019005007T5

DE112019005007T5 - Akustikwandler mit einer Niederdruckzone und Membranen, die eine erhöhte Nachgiebigkeit aufweisen

Info

Publication number: DE112019005007T5
Application number: DE112019005007.9T
Authority: DE
Inventors: Michael Kuntzman; Michael Pedersen; Sung Bok Lee; Bing Yu; Vahid Naderyan; Peter Loeppert
Original assignee: Knowles Electronics LLC
Current assignee: Knowles Electronics LLC
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2021-07-15
Also published as: US11617042B2; US20200112799A1; CN112840676A; US10939214B2; CN112840676B; WO2020072904A1; US20210176570A1

Abstract

Ein Akustikwandler zum Erzeugen elektrischer Signale als Reaktion auf akustische Signale umfasst eine erste Membran, die eine erste darin ausgebildete Wellung aufweist. Eine zweite Membran weist eine zweite darin ausgebildete Wellung auf und ist von der ersten Membran derart beabstandet, dass dazwischen eine Kavität mit einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks gebildet wird. Eine Rückwand ist zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet. Ein oder mehrere Stützen erstrecken sich von wenigstens einer der ersten Membran oder der zweiten Membran durch die Rückplatte hindurch in Richtung der jeweils anderen. Die ein oder mehreren Stützen verhindern, dass sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran die Rückplatte aufgrund der Bewegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung Rückplatte berühren. Die erste Wellung und die zweite Wellung ragen jeweils von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran nach außen, weg von der Rückplatte.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität und Nutzen der U.S. Provisional Application No. 62/742,153 , eingereicht am 5. Oktober 2018, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Systeme und Verfahren zur Verbesserung der Nachgiebigkeit von Membranen, die in Akustikwandlern enthalten sind.
Hintergrund
Mikrofonanordnungen werden im Allgemeinen in elektronischen Vorrichtungen verwendet, um akustische Energie in elektrische Signale umzuwandeln. Mikrofone umfassen im Allgemeinen Membranen zur Umwandlung akustischer Signale in elektrische Signale. Auch Drucksensoren können solche Membranen umfassen. Fortschritte in der Mikro- und Nanofabrikationstechnologie haben zur Entwicklung immer kleinerer Mikrofonanordnungen und Drucksensoren mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) geführt.
Zusammenfassung
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen allgemein Systeme und Verfahren zur Erhöhung der Nachgiebigkeit in einer oberen und unteren Membran eines Doppelmembranen-Akustikwandlers und/oder zur Verhinderung des Kollapses einer oder beider Membranen. Insbesondere betreffen einige hierin beschriebene Ausführungsformen Doppelmembranen-Akustikwandler, die eine oder mehrere nach außen gerichtete, in den Membranen definierte Wellungen zur Erhöhung der Nachgiebigkeit und/oder eine oder mehrere nicht starr verbundene oder unverankerte Stützen umfassen, die sich von wenigstens einer der Doppelmembranen zur anderen erstrecken, um als Stopper zur Verhinderung des Kollapses der Doppelmembranen zu dienen.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Akustikwandler zum Erzeugen elektrischer Signale als Reaktion auf akustische Signale: eine erste Membran mit einer ersten darin ausgebildeten Wellung und eine zweite Membran mit einer zweiten darin ausgebildeten Wellung. Die zweite Membran ist von der ersten Membran beabstandet, so dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, wobei die Kavität einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. Eine Rückwand ist in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet. Eine oder mehrere Stützen erstrecken sich von wenigstens einer der ersten Membranen oder der zweiten Membran in Richtung der anderen der ersten Membranen oder der zweiten Membran durch eine entsprechende Blende in der Rückplatte. Die eine oder mehreren Stützen sind so konfiguriert, dass sie verhindern, dass sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran die Rückplatte aufgrund der Bewegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der Rückplatte berühren. Die erste Wellung und die zweite Wellung ragen jeweils von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran in einer Richtung weg von der Rückplatte nach außen vor.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Mikrofonanordnung eine Basis und einen auf der Basis positionierten Deckel. Ein Port ist entweder in der Basis oder im Deckel definiert. Ein Akustikwandler ist auf der Basis oder dem Deckel positioniert und trennt ein Vordervolumen von einem Rückvolumen der Mikrofonanordnung, wobei das Vordervolumen in Fluidverbindung mit dem Port steht. Der Akustikwandler umfasst eine erste Membran mit einer darin ausgebildeten ersten Wellung, eine zweite Membran mit einer darin ausgebildeten zweiten Wellung, wobei die zweite Membran von der ersten Membran so beabstandet ist, dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, wobei die Kavität einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. Eine Rückwand ist in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet. Ein oder mehrere Stützen erstrecken sich von wenigstens einer der ersten Membran oder der zweiten Membran in Richtung der anderen der ersten Membran oder der zweiten Membran durch eine entsprechende Blende, die in der Rückplatte definiert ist, wobei der eine oder die mehreren Stützen so konfiguriert sind, dass sie verhindern, dass sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran die Rückplatte aufgrund einer Bewegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der Rückplatte berühren. Die erste Wellung und die zweite Wellung ragen jeweils von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran in einer Richtung weg von der Rückplatte nach außen vor. Ein integrierter Schaltkreis ist elektrisch mit dem Akustikwandler gekoppelt, wobei der integrierte Schaltkreis so konfiguriert ist, dass er eine Kapazitätsänderung zwischen der ersten Membran und der Rückplatte und der zweiten Membran und der Rückplatte in Reaktion auf den Empfang eines akustischen Signals durch den Port misst, wobei die Kapazitätsänderung dem akustischen Signal entspricht.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Akustikwandler zur Erzeugung elektrischer Signale als Reaktion auf akustische Signale eine erste Membran, die eine erste darin ausgebildete Wellung aufweist. Eine zweite Membran weist eine zweite darin ausgebildete Wellung auf, wobei die zweite Membran von der ersten Membran beabstandet ist, so dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, die einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. Eine Rückwand ist in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet. Ein oder mehrere Stützen erstrecken sich von wenigstens einer der ersten Membran oder der zweiten Membran in Richtung der anderen der ersten Membran oder der zweiten Membran durch eine entsprechende Blende, die in der Rückplatte definiert ist, wobei der eine oder die mehreren Stützen so konfiguriert sind, dass sie verhindern, dass sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran die Rückplatte aufgrund einer Bewegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der Rückplatte berühren. Eine periphere Stützstruktur ist an der ersten Membran und der zweiten Membran angebracht und stützt wenigstens einen Abschnitt eines Umfangs der ersten Membran und der zweiten Membran, wobei die periphere Stützstruktur in der Nähe einer Kante der ersten und zweiten Membran angeordnet ist. Der Akustikwandler umfasst auch ein Substrat, das eine erste Öffnung darin definiert. Eine Stützstruktur ist auf dem Substrat angeordnet und definiert eine zweite Öffnung, die der ersten Öffnung des Substrats entspricht, wobei wenigstens ein Abschnitt der ersten Membran auf der Stützstruktur angeordnet ist. Sowohl die erste Wellung als auch die zweite Wellung ragen von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran in einer Richtung weg von der Rückplatte nach außen vor.
Es sollte gewürdigt werden, dass alle Kombinationen der vorstehenden Konzepte und zusätzliche Konzepte, die unten ausführlicher erörtert werden (vorausgesetzt, dass solche Konzepte nicht gegenseitig widersprüchlich sind), als Teil des hier offenbaren Gegenstands in Betracht gezogen werden. Insbesondere werden alle Kombinationen von beanspruchten Gegenständen, die am Ende dieser Offenbarung erscheinen, als Teil des hier offenbaren Gegenstands betrachtet.
Figurenliste
Die vorstehenden und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich. Da diese Zeichnungen nur einige Ausführungsformen gemäß der Offenbarung darstellen und daher nicht als Einschränkung des Umfangs der Offenbarung zu betrachten sind, wird die Offenbarung anhand der beigefügten Zeichnungen mit zusätzlicher Spezifität und Ausführlichkeit beschrieben.

1A ist eine Draufsicht auf einen Akustikwandler und 1 B ist eine seitliche Querschnittsansicht des Akustikwandlers von 1A, aufgenommen entlang der in 1A dargestellten Linie X-X, gemäß einer Ausführungsform.
2A ist eine Draufsicht auf einen Akustikwandler und 2B ist eine seitliche Querschnittsansicht des Akustikwandlers von 2A, aufgenommen entlang der in 2A gezeigten Linie Y-Y, gemäß einer Ausführungsform.
2C-2E sind schematische Darstellungen von Akustikwandlern gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
2F ist eine Draufsicht auf einen Akustikwandler und 2G ist eine seitliche Querschnittsansicht des Akustikwandlers von 2F, aufgenommen entlang der in 2F gezeigten Linie Z-Z, gemäß einer weiteren Ausführungsform.
3A ist eine Seitenquerschnittsansicht eines Akustikwandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform.
3B ist eine isometrische Draufsicht auf einen Abschnitt des Akustikwandlers von 3A.
3C zeigt einen Abschnitt des Akustikwandlers von 3A, der durch den Pfeil A in 3A angedeutet ist, mit einer Öffnung, die in einer zweiten Membran des Akustikwandlers definiert ist, und einer Fangstruktur, die unterhalb der Öffnung angeordnet ist.
3D zeigt einen Abschnitt einer zweiten Membran eines Akustikwandlers mit einer abgedichteten Öffnung, die in einer zweiten Membran des Akustikwandlers gemäß einer anderen Ausführungsform definiert ist.
3E zeigt einen Abschnitt des Akustikwandlers aus 3A, der durch den Pfeil B in 3A angedeutet ist und eine Spannungsentlastungsstruktur gemäß einer Ausführungsform aufweist.
3F zeigt einen Abschnitt eines Akustikwandlers, der eine erste und eine zweite Membran umfasst, die jeweils eine Spannungsentlastungsstruktur umfassen, gemäß einer anderen Ausführungsform.
3G zeigt einen Abschnitt einer zweiten Membran des Akustikwandlers aus 3A, der durch den Pfeil C in 3A angezeigt wird.
3H-J zeigt Abschnitte verschiedener Akustikwandler, die eine periphere Stützstruktur umfassen, gemäß verschiedener Ausführungsformen.
4 ist eine schematische Darstellung einer Mikrofonanordnung, die den Akustikwandler von 3 umfasst, gemäß einer Ausführungsform.
5 ist ein vereinfachtes Schaltbild der Mikrofonanordnung von 4, gemäß einer Ausführungsform.
6 ist eine schematische Darstellung einer Druckmessanordnung, die den Akustikwandler von 3 umfasst, gemäß einer Ausführungsform.
7 ist ein vereinfachtes Schaltdiagramm der Drucksensoranordnung von 8 gemäß einer Ausführungsform
8 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden eines Doppelmembranen-Akustikwandlers gemäß einer Ausführungsform.
9 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Akustikwandlers gemäß einer anderen Ausführungsform.
10 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Akustikwandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen bezeichnen ähnliche Symbole typischerweise ähnliche Komponenten, sofern der Kontext nichts anderes vorschreibt. Die veranschaulichenden Implementierungen, die in der ausführlichen Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen beschrieben werden, sind nicht als einschränkend zu verstehen. Andere Implementierungen können verwendet werden, und andere Änderungen können vorgenommen werden, ohne vom Geist oder Umfang des hier vorgestellten Gegenstands abzuweichen. Es versteht sich von selbst, dass die Aspekte der vorliegenden Offenbarung, wie sie hier allgemein beschrieben und in den Figuren veranschaulicht sind, in einer Vielzahl von unterschiedlichen Konfigurationen angeordnet, ersetzt, kombiniert und designt werden können, die alle ausdrücklich in Betracht gezogen und zum Bestandteil dieser Offenbarung gemacht werden.
Ausführliche Beschreibung der verschiedenen Ausführungsformen
Die hier beschriebenen Ausführungsformen betreffen allgemein Systeme und Verfahren zur Erhöhung der Nachgiebigkeit in einer oberen und unteren Membran eines Doppelmembranen-Akustikwandlers und/oder zur Verhinderung des Kollapses einer oder beider Membranen. Insbesondere betreffen einige hierin beschriebene Ausführungsformen Doppelmembranen-Akustikwandler, die eine oder mehrere nach außen gerichtete Wellungen umfassen, die in den Membranen zur Erhöhung der Nachgiebigkeit definiert sind, und/oder einen oder mehrere nicht starr verbundene oder unverankerte Stützen, die sich von wenigstens einer der Doppelmembranen zur anderen erstrecken, um als Stopper zur Verhinderung des Kollapses der Doppelmembranen zu dienen.
Doppelmembranen-Akustikwandler umfassen eine obere Membran und eine untere Membran mit einer dazwischen angeordneten Rückwand. Die Membranen können unter vermindertem Druck abgedichtet werden, so dass zwischen der oberen und der unteren Membran ein Niederdruckbereich entsteht, der einen Druck aufweist, der wesentlich niedriger ist als der Atmosphärendruck, beispielsweise kann ein mittleres Vakuum im Bereich von etwa 1 mTorr bis 10 Torr in vielen Fällen ausreichend sein. Der Bereich mit niedrigem Druck reduziert die akustische Dämpfung der Rückplatte (d. h. die Dämpfung durch Quetschschichten) erheblich, was eine Verringerung des Spalts zwischen den Membranen und der Rückplatte sowie eine Reduzierung der Perforationen ermöglicht und eine sehr hohe Abtastkapazität erlauben kann. Da das Volumen zwischen der oberen und unteren Membran abgedichtet ist, können außerdem keine Partikel (beispielsweise Staub, Wassertropfen, Löt- oder Montageabfälle usw.) zwischen die Membranen und die Rückplatte eindringen, was eine häufige Ausfallursache bei Akustikwandlern mit einer Membran ist. Daher können Schutznetze oder -membranen, die den Austritt solcher Partikel in Akustikwandler mit einer Membran verhindern, aber das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) reduzieren, in einigen hier offenbaren Implementierungen von Doppelmembranen-Akustikwandlern eliminiert werden.
Eine große Herausforderung bei Doppelmembranen-Akustikwandlem ist das Erreichen einer ausreichenden Nachgiebigkeit der Membranen. Der atmosphärische Druck, der auf jede der Membranen einwirkt, erzeugt Spannungen in den Membranen, die zu einer erheblichen Verringerung der Nachgiebigkeit führen. Außerdem kann eine ausreichend große Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck und der Niederdruckzone zwischen den beiden Membranen zum Kollaps der Membranen führen, was einen Ausfall des Akustikwandlers zur Folge hat.
Im Gegensatz dazu können die hier beschriebenen Ausführungsformen der Akustikwandler Vorteile bieten, die beispielsweise umfassen (1) Bereitstellen von nach außen weisenden Wellungen/Wellungen auf jeder der oberen und unteren Membranen des Akustikwandlers, um eine durchschnittliche Nachgiebigkeit in einem Membranbereich des Akustikwandlers zu erhöhen; (2) Verhindern eines Kollapses der ersten Membran und der zweiten Membran zueinander durch Bereitstellen von nicht starr verbundenen und/oder unverankerten Stützen, die von wenigstens einer der Membranen zu der anderen hin vorstehen und als Stopper dienen; (3) Erhöhen der Robustheit der Membranen; und (4) Bereitstellen einer Erhöhung der Nachgiebigkeit (beispielsweise, von mehr als dem 8-fachen bei 100 kPa Differenzdruck) im Vergleich zu einem ähnlichen Akustikwandler, der keine derartigen Wellungen umfasst.
Wie hier beschrieben, bezieht sich der Begriff „unverankert“ in Verbindung mit Stützen auf Stützen, die sich von einer Membran zu einer anderen Membran eines Doppelmembranen-Akustikwandlers erstrecken, so dass zwischen einer Spitze der Stütze und der jeweiligen Membran in der Nähe der Spitze ein Spalt oder Raum besteht. Der Kontakt der Spitze mit der jeweiligen Membran wird nur hergestellt, wenn eine ausreichend hohe Kraft oder ein ausreichend hoher Druck auf eine oder beide Membranen wirkt (beispielsweise Umgebungsdruck oder elektrostatische Kraft aufgrund von Vorspannung), so dass die unverankerten Stützen sowohl gleiten als auch sich relativ zur jeweiligen Membran drehen können.
Wie hier beschrieben, bezieht sich der Begriff „nicht starr verbunden“, wenn er in Verbindung mit Stützen verwendet wird, auf Stützen, die sich von einer Membran zu einer anderen Membran eines Doppelmembranen-Akustikwandlers erstrecken, so dass eine Spitze der Stütze in ständigem Kontakt mit der gegenüberliegenden Membran steht, so dass eine Biegung oder Drehung der Stütze in der Nähe der Kontaktstelle möglich ist.
Wie hier beschrieben, umfasst der Begriff „verankert“, wenn er in Verbindung mit Stützen verwendet wird, Stützen mit einer Spitze, die in Kontakt mit einer gegenüberliegenden Membran steht, so dass die verankerte Stütze relativ zur gegenüberliegenden Membran unbeweglich ist.
1A ist eine Draufsicht auf einen Akustikwandler 110, gemäß einer Ausführungsform. 1B ist eine seitliche Querschnittsansicht des Akustikwandlers 110, die entlang der Linie X-X in 1A aufgenommen ist. Der Akustikwandler 110 kann beispielsweise einen MEMS-Akustikwandler zur Verwendung in einer MEMS-Mikrofonanordnung, einen MEMS-Drucksensor oder Kombinationen davon umfassen. Der Akustikwandler 110 ist so konfiguriert, dass er elektrische Signale erzeugt, die auf akustische Signale oder atmosphärische Druckänderungen reagieren.
Der Akustikwandler 110 umfasst ein Substrat 112, das eine erste Öffnung 113 darin definiert. In einigen Ausführungsformen kann das Substrat 112 aus Silizium, Glas, Keramik oder einem anderen geeigneten Material gebildet sein. Eine Stützstruktur 114 ist über dem Substrat 112 angeordnet und definiert eine zweite Öffnung 115, die axial mit der ersten Öffnung 113 ausgerichtet sein kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Stützstruktur 114 aus Glas (beispielsweise Glas oder Glas mit einem Phosphorgehalt wie PSG) gebildet sein. In einigen Ausführungsformen können die Öffnungen 113 und 115 den gleichen Querschnitt aufweisen (beispielsweise den gleichen Durchmesser). In anderen Ausführungsformen können die Öffnungen 113 und 115 unterschiedliche Querschnitte aufweisen (beispielsweise unterschiedliche Durchmesser).
Der Akustikwandler 110 umfasst eine untere oder erste Membran 120, eine obere oder zweite Membran 130 und eine Rückplatte 140, die sich zwischen der ersten Membran 120 und der zweiten Membran 130 befindet. Jede der ersten Membranen 120, der zweiten Membran 130 und der Rückplatte 140 ist auf dem Substrat 112 angeordnet. Zumindest ein Abschnitt der ersten Membran 120 kann auf der Stützstruktur angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann ein Abschnitt der radialen Ränder einer oder mehrerer der ersten Membran 120, der zweiten Membran 130 und der Rückplatte 140 während eines Herstellungsprozesses des Akustikwandlers 110 in die Stützstruktur 114 eingebettet werden, so dass die Bildung der zweiten Öffnung 115 in der Stützstruktur 114 bewirkt, dass jede der ersten Membran 120, der zweiten Membran 130 und der Rückplatte 140 in der zweiten Öffnung 115 über der ersten Öffnung 113 aufgehängt wird.
Die Membranen 120 und 130 können aus einem leitfähigen Material oder einer geschichteten Schicht aus leitfähigem und isolierendem Material gebildet werden. Die zur Bildung der Membranen 120 und 130 verwendeten Materialien können beispielsweise Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Gold, Aluminium, Platin usw. umfassen. Schwingungen der Membranen 120, 130 (beispielsweise phasenverschobene Schwingungen) relativ zur Rückplatte 140, die im Wesentlichen fest (beispielsweise im Wesentlichen unflexibel relativ zu den Membranen 120, 130) ist, als Reaktion auf akustische Signale, die an einer der ersten oder zweiten Membranen 120 und 130 empfangen werden, bewirken Änderungen in der Kapazität zwischen den Membranen 120 und 130 und der Rückplatte 140 und entsprechende Änderungen im erzeugten elektrischen Signal.
In anderen Ausführungsformen kann wenigstens ein Abschnitt der ersten Membran 120 und der zweiten Membran 130 unter Verwendung eines piezoelektrischen Materials gebildet werden, beispielsweise Quarz, Bleititanat, III-V- und II-VI-Halbleiter (beispielsweise Galliumnitrid, Indiumnitrid, Aluminiumnitrid, Zinkoxid usw.), Graphen, ultra-nanokristalliner Diamant, Polymere (beispielsweise Polyvinylidenfluorid) oder jedes andere geeignete piezoelektrische Material. Beispielsweise kann das piezoelektrische Material als Ring um den Umfang der ersten oder zweiten Membran 120 oder 130 auf dem Basismaterial, das die Membranen 120 und 130 bildet (beispielsweise Siliziumnitrid oder Polysilizium), aufgebracht werden. In solchen Ausführungsformen kann die Vibration der Membranen 120, 130 als Reaktion auf das akustische Signal ein elektrisches Signal (beispielsweise einen piezoelektrischen Strom oder eine piezoelektrische Spannung) erzeugen, das für das akustische Signal repräsentativ ist. Bei Betrieb als Drucksensor erzeugt eine Einwärtsverschiebung der beiden Membranen 120 und 130 aufeinander zu mit zunehmendem Umgebungsdruck oder eine Auswärtsverschiebung voneinander weg mit abnehmendem Umgebungsdruck ein dem atmosphärischen Druck entsprechendes elektrisches Signal. In verschiedenen Ausführungsformen können die erste und die zweite Membran 120, 130 aus spannungsarmem Siliziumnitrid (LSN) oder einem anderen geeigneten Material (beispielsweise Siliziumoxid, Silizium, Siliziumkarbid, Keramik usw.) gebildet sein. Darüber hinaus kann die Rückplatte 140 aus Polysilizium (Poly) und Siliziumnitrid oder einem anderen geeigneten Material (beispielsweise Siliziumoxid, Silizium, Keramik usw.) gebildet werden.
Die äußeren Oberflächen 123 und 133 sowohl der ersten Membran 120 als auch der zweiten Membran 130 sind der Atmosphäre ausgesetzt, beispielsweise der atmosphärischen Luft. Die zweite Membran 130 ist von der ersten Membran 120 beabstandet, so dass zwischen der ersten und der zweiten Membran 120 und 130 eine Kavität oder ein Volumen 121 gebildet wird. Die Kavität 121 weist einen Druck auf, der niedriger als der Atmosphärendruck ist, beispielsweise in einem Bereich von 1 mTorr bis 10 Torr, aber in einigen Ausführungsformen kann eine Begrenzung des Drucks auf einen Bereich von 1 mTorr bis 1 Torr besondere Vorteile in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bieten. Die Rückplatte 140 ist in der Kavität 121 zwischen der ersten und zweiten Membran 120 und 130 angeordnet. In einigen Ausführungsformen können eine oder mehrere Blenden 142 in der Rückplatte 140 definiert sein, so dass ein Abschnitt der Kavität 121, der sich zwischen der ersten Membran 120 und der Rückplatte 140 befindet, mit einem Abschnitt der Kavität 121 verbunden ist, der sich zwischen der zweiten Membran 130 und der Rückplatte 140 befindet.
Die große Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck, der auf die erste Membran 120 und die zweite Membran 130 wirkt, und dem niedrigen Druck in der Kavität 121 bewirkt, dass sich die erste Membran 120 und die zweite Membran 130 in einem Zustand kontinuierlicher Spannung befinden. Dadurch wird die Nachgiebigkeit der Membranen 120, 130 deutlich reduziert. Um die Nachgiebigkeit zu erhöhen, wird eine erste Wellung 122 und eine zweite Wellung 132 auf der ersten Membran 120 bzw. der zweiten Membran 130 ausgebildet. Die erste und zweite Wellung 122, 132 ragen von den Membranen 120 bzw. 130 in einer Richtung weg von der Rückplatte 140 nach außen.
Beispielsweise können die Membranen 120, 130 eine oder mehrere umlaufende Wellungen umfassen (wie in 1B am besten dargestellt), die dazu dienen, die Spannung in der ersten bzw. zweiten Membran 120 bzw. 130 zu verringern und die Nachgiebigkeit zu erhöhen. Die Darstellung umfasst zwar nur eine einzige Wellung 122, 132, doch kann die erste und zweite Membran 120 und 130 eine beliebige Anzahl von Wellungen umfassen (beispielsweise 2, 3 oder sogar mehr Wellungen, die in Umfangsrichtung um eine Längsachse des Akustikwandlers 110 angeordnet sind). In verschiedenen Ausführungsformen können die Wellungen 122 und 132 eine Höhe in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 5 Mikrometer aufweisen (beispielsweise 0,5, 1, 2, 3, 4 oder 5 Mikrometer einschließlich aller Bereiche und Werte dazwischen), und ein Abstand zwischen den Membranen 120 und 130 kann in einem Bereich von 1-15 Mikrometer liegen (beispielsweise 1, 3, 5, 7, 9, 12, 14 oder 15 Mikrometer einschließlich aller Bereiche und Werte dazwischen).
Atmosphärische Luft übt auf die erste und zweite Membran 120 und 130 jeweils eine Kraft in Richtung der Rückplatte 140 aus. Da die Wellungen 122 und 132 von den Membranen 120 und 130 nach außen ragen, bewirkt der auf die Wellungen 122 und 132 wirkende atmosphärische Druck, dass sich die Wellungen axial nach innen zur Rückplatte 140 und radial nach außen biegen. Dies führt zu einer Zunahme der Nachgiebigkeit, die proportional mit einer relativen Zunahme des atmosphärischen Drucks zunimmt. In einigen Ausführungen kann der Akustikwandler 110 beispielsweise eine akustische Nachgiebigkeit im Bereich der Membranen 120 und 130 aufweisen, die etwa das Zweifache der akustischen Nachgiebigkeit eines ähnlichen Basis-Akustikwandlers beträgt, der die nach außen vorstehenden Wellungen 122 und 132 nicht umfasst, bei einer Druckdifferenz von etwa Null zwischen dem atmosphärischen Druck und dem Druck in der Kavität 121. Die Nachgiebigkeit des Akustikwandlers 110 kann bei einer Druckdifferenz von etwa 100 kPa auf mehr als das 8-fache der Nachgiebigkeit des Basis-Akustikwandlers ansteigen, was einem Anstieg der Nachgiebigkeit um mehr als 13 dB entspricht. Auf diese Weise weist der Akustikwandler 110 eine deutlich höhere Empfindlichkeit gegenüber akustischen Signalen oder zur Messung von Druckänderungen im Vergleich zum Basis-Akustikwandler auf.
In einigen Ausführungsformen kann der Akustikwandler 110 oder jeder andere hier beschriebene Akustikwandler als Mikrofon- und/oder Druckmessanordnung betrieben werden. In einer solchen Ausführungsform wirkt der atmosphärische Druck auf beide Membranen 120 und 130, und der akustische Druck wirkt auf eine der Membranen (beispielsweise entweder auf eine der Membranen 120 oder 130). Änderungen des atmosphärischen Drucks bewirken, dass sich die Kapazitätswerte jeder der Membranen 120 und 130 in die gleiche Richtung ändern, wodurch ein Gleichtaktsignal entsteht, das zur Druckmessung verwendet wird. Im Gegensatz dazu bewirkt der akustische Druck, dass sich die beiden Kapazitätswerte in entgegengesetzte Richtungen ändern, wodurch ein Differenzialsignal entsteht, das zur Erfassung des akustischen Drucks verwendet wird.
2A ist eine Draufsicht auf einen Akustikwandler 210a, gemäß einer Ausführungsform. 2B ist eine seitliche Querschnittsansicht des Akustikwandlers 210a, die entlang der Linie Y-Y in 2A aufgenommen wurde. Der Akustikwandler 210a kann beispielsweise einen MEMS-Akustikwandler zur Verwendung in einer MEMS-Mikrofonanordnung oder einen MEMS-Drucksensor umfassen. Der Akustikwandler 210a ist so konfiguriert, dass er elektrische Signale in Reaktion auf akustische Signale oder atmosphärische Druckänderungen erzeugt.
Der Akustikwandler 210a umfasst ein Substrat 212, das eine erste Öffnung 213 darin definiert. Eine Stützstruktur 214 ist über dem Substrat 212 angeordnet und definiert eine zweite Öffnung 215, die axial mit der ersten Öffnung 213 ausgerichtet sein kann. Das Substrat 212 und die Stützstruktur 214 können dem Substrat 112 und der Stützstruktur 114 im Wesentlichen ähnlich sein und werden daher hier nicht weiter ausführlich beschrieben.
Der Akustikwandler 210a umfasst eine untere oder erste Membran 220, eine obere oder zweite Membran 230 und eine Rückplatte 240, die sich zwischen der ersten Membran 220 und der zweiten Membran 230 befindet. Die erste Membran 220, die zweite Membran 230 und die Rückplatte 240 können jeweils aus den gleichen Materialien wie die erste Membran 120, die zweite Membran 130 und die Rückplatte 140 bestehen. Die äußeren Oberflächen 223 und 233 der ersten Membran 220 und der zweiten Membran 230 sind der Atmosphäre ausgesetzt, beispielsweise der atmosphärischen Luft. Außerdem steht eine Kavität 221 zwischen der ersten und der zweiten Membran 220 und 230 unter einem Druck, der niedriger als der Atmosphärendruck ist, beispielsweise in einem Bereich von 1 mTorr bis 10 Torr, wobei in einigen Ausführungsformen eine Begrenzung des Drucks auf einen Bereich von 1 mTorr bis 1 Torr besondere Vorteile in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) bieten kann. In der Rückplatte 240 können eine oder mehrere Blenden 242 definiert sein, so dass ein erster Abschnitt der Kavität 221, der sich zwischen der ersten Membran 220 und der Rückplatte 240 befindet, mit einem zweiten Abschnitt der Kavität 221 zwischen der zweiten Membran 230 und der Rückplatte 240 verbunden ist.
Die große Druckdifferenz zwischen dem atmosphärischen Druck, der auf die erste Membran 220 und die zweite Membran 230 wirkt, und dem niedrigen Druck in der Kavität 221 kann so groß werden, dass die erste und zweite Membran 220 und 230 kollabieren. Um dies zu verhindern, umfasst die zweite Membran 230 einen oder mehrere Stützen 234a, die sich von ihr in Richtung der ersten Membran 220 durch eine entsprechende Öffnung 242 oder eine andere in der Rückplatte 240 definierte Öffnung erstrecken, wobei ein Abschnitt der Stütze 234a so konfiguriert ist, dass er die erste Membran 220 in Reaktion auf eine Bewegung der zweiten Membran 230 in Richtung der ersten Membran 220 oder umgekehrt berührt. Beispielsweise ist eine Spitze 235a des Stutzens 234a in der Nähe der ersten Membran 220 angeordnet und von dieser beabstandet, so dass der Stutzen 234a ein unverankerter Stutzen ist. Mit anderen Worten, die Spitze 235a des Stutzens 234a berührt die erste Membran 220 bei einigen Druckdifferenzen nicht, kann aber die erste Membran 220 bei anderen Druckdifferenzen berühren, um einen Kollaps der Membranen 220 und 230 zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann ein Standardabstand (beispielsweise wenn eine Druckdifferenz zwischen einem Druck innerhalb der Kavität 221 und einem Druck der äußeren Umgebung etwa Null ist) zwischen der Spitze 235a und der Stütze 234a in einem Bereich von 10 nm bis 2 Mikrometer liegen. In einigen Ausführungsformen können sich zusätzlich oder alternativ ein oder mehrere unverankerte Stützen von der ersten Membran 220 in Richtung der zweiten Membran 230 erstrecken.
Wenn eine oder beide der Membranen 220, 230 aufgrund einer Umgebungsdruckbelastung oder einer anderen Belastungskraft (beispielsweise elektrostatische Kraft) gegeneinander verschoben (beispielsweise gebogen) werden, berührt die Spitze 235a der Stütze 234a eine innere Oberfläche der ersten Membran 220, die sich in der Kavität 221 befindet, um eine weitere Verschiebung der Membranen 220, 230 gegeneinander zu begrenzen, wenigstens an den Stellen der Membranen 220 und 230, an denen die Stütze 234a positioniert ist. Mit anderen Worten, die Stütze 234a dient als Stopper oder Bewegungsbegrenzer, der die Verschiebung der Membranen 220 und 230 in Richtung der Rückplatte 240 begrenzt, beispielsweise durch statische Verformung der ersten Membranen 220 und/oder der zweiten Membran 230 in Richtung der Rückplatte 240 aufgrund eines großen Druckunterschieds zwischen der Kavität 221 und der äußeren Umgebung und/oder durch Vibration der Membranen 220, 230. Die Abschnitte der Membranen 220, 230 zwischen benachbarten Stützen 234a oder zwischen der Stütze 234a und der Stützstruktur 214 können sich noch gegeneinander verschieben, aber die geringe radiale Länge dieser Abschnitte kann die Verschiebung begrenzen, um einen Kollaps zu verhindern.
In einigen Ausführungsformen können Überdruckanschläge oder Rippen in den Bereichen zwischen den Stützen 234a umfasst sein, um einen elektrischen Kurzschluss zu verhindern, wenn eine oder beide Membranen 220 oder 230 sich ausreichend durchbiegen, um die Rückplatte 240 zu berühren. Wie in 2A dargestellt, erstreckt sich beispielsweise ein erster Satz Säulen 227a von der ersten Membran 220 in Richtung der Rückplatte 240 und ein zweiter Satz Säulen 237a von der zweiten Membran in Richtung der Rückplatte 240. Die Säulen 227a, 237a bestehen aus einem nichtleitenden Material (beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid), um einen elektrischen Kurzschluss in Szenarien zu verhindern, in denen der atmosphärische Druck hoch genug ist, um die erste Membran 220 und/oder die zweite Membran 230 dazu zu bringen, die Rückplatte 240 zu berühren. Obwohl als Säulen 227a, 237a dargestellt, können die Überdruckanschläge in anderen Ausführungsformen Erhebungen oder Vertiefungen umfassen, die auf der ersten und/oder der zweiten Membran 220 und 230 definiert sind. Darüber hinaus können die Überdruckanschläge auch in der Rückplatte 240 ausgebildet sein. Alternativ können die Säulen 227a, 237a aus leitfähigem Material (beispielsweise dotiertem Polysilizium, Metall usw.) gebildet sein, wenn der Kontaktbereich nicht leitfähig ist (beispielsweise eine Öffnung in der Elektrode). Es sollte verstanden werden, dass, während 2A zeigt die Stützen 234a vertikal zueinander ausgerichtet sind, in anderen Ausführungsformen, die Stützen 234a kann falsch ausgerichtet sein, versetzt oder an jedem anderen geeigneten Ort relativ zueinander angeordnet. Während 2A nur drei Stützen 234a zeigt, kann der Akustikwandler 210a oder jeder andere hierin definierte Akustikwandler eine Vielzahl von Stützen umfassen, beispielsweise mehr als 10, 20, 30, 40, 50 Stützen einschließlich aller dazwischen liegenden Bereiche und Werte. Darüber hinaus können die Stützen 234a, obwohl sie als „Stütze“ beschrieben werden, jede geeignete Struktur umfassen, die so konfiguriert ist, dass sie eine Trennung der ersten Membran 320 und der zweiten Membran 330 von der Rückplatte 340 ermöglicht.
2C ist eine schematische Darstellung eines Akustikwandlers 210b, gemäß einer anderen Ausführungsform. Der Akustikwandler 210b ist dem Akustikwandler 210a im Wesentlichen ähnlich, mit Ausnahme der folgenden Unterschiede. Eine Stütze 234b erstreckt sich von der zweiten Membran 230 in Richtung der ersten Membran 220. Eine Spitze 235b des Stutzens 234b ist in Kontakt mit der ersten Membran 220 positioniert. Die Form des Stutzens 234b ist so beschaffen, dass er an oder in der Nähe der Verbindungsstelle schmal ist (beispielsweise eine Kegelform bildet), um eine Drehung oder Biegung des Stutzens relativ zur ersten Membran 220 an oder in der Nähe der Verbindungsstelle, d. h. an der Spitze 235b des Stutzens 234b, zu ermöglichen. Der Stütze 234b ist daher eine nicht starr verbundene Stütze. In einigen Ausführungsformen können sich ein oder mehrere nicht starr verbundene Stützen zusätzlich oder alternativ von der ersten Membran 220 in Richtung der zweiten Membran 230 erstrecken.
2D ist eine schematische Darstellung eines Akustikwandlers 210c, gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Akustikwandler 210c ähnelt im Wesentlichen dem Akustikwandler 210a/b, mit der Ausnahme, dass eine Stütze 234c, die sich von der zweiten Membran 230 in Richtung der ersten Membran 220 erstreckt, eine flache Spitze 235c umfasst, die von der ersten Membran 220 beabstandet ist (beispielsweise kann die Stütze 234c als Kegelstumpf geformt sein). Ein Vorsprung 237c (beispielsweise ein Stift) erstreckt sich von der Spitze 235c und berührt die erste Membran 220, so dass sich der Stütze 234c in der Nähe des Verbindungspunktes drehen oder biegen kann und daher nicht starr mit der ersten Membran 220 verbunden ist.
2E ist eine schematische Darstellung eines Akustikwandlers 210d, gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Akustikwandler 210d ist dem Akustikwandler 210a im Wesentlichen ähnlich, abgesehen von den folgenden Unterschieden. Eine erste Stütze 224d erstreckt sich von der ersten Membran 220 in Richtung der zweiten Membran 230 und umfasst eine flache Spitze 225d (beispielsweise in Form eines Kegelstumpfs). Weiterhin erstreckt sich ein zweiter Stütze 234d von der zweiten Membran 230 in Richtung der ersten Stütze 224d. Die zweite Stütze 234d umfasst ebenfalls eine flache Spitze 235d. Die Spitzen 225d/235d liegen nahe beieinander, berühren sich aber nicht, d. h. es handelt sich um unverankerte Stützen. Die Spitzen 225d und 235d der Stützen 224d bzw. 234d können sich als Reaktion auf Bewegungen der Membranen 220 und 230 aufeinander zu berühren. In einigen Ausführungsformen können die ersten und zweiten Stützen 224d und 234d in Größe und Form einander im Wesentlichen ähnlich sein.
2F ist eine Draufsicht auf einen Akustikwandler 210e, gemäß einer weiteren Ausführungsform. 2G ist eine seitliche Querschnittsansicht des Akustikwandlers 210e, die entlang der Linie Z-Z in 2F aufgenommen wurde. Der Akustikwandler 210e umfasst das Substrat 212 und die Stützstruktur 214. Der Akustikwandler 210e umfasst auch eine erste Membran 220e, die eine erste darin ausgebildete Wellung 222e aufweist, und eine zweite Membran 230e, die eine zweite darin ausgebildete Wellung 232e aufweist. Die zweite Membran 230e ist von der ersten Membran 220e beabstandet, so dass dazwischen eine Kavität 221e gebildet wird. Die Kavität 221e weist einen Druck auf, der niedriger als der Atmosphärendruck ist (beispielsweise in einem Bereich von 1 mTorr bis 10 Torr oder 1 mTorr bis 1 Torr). Eine Rückwand 240e ist in der Kavität 221e zwischen der ersten Membran 220e und der zweiten Membran 230e angeordnet.
Die erste Wellung 222e und die zweite Wellung 232e ragen jeweils von der ersten Membran 220e bzw. der zweiten Membran 230e nach außen hervor. Wie in 2G gezeigt, sind die Wellungen 222e und 232e geschlossene Umfangsstrukturen, die um eine Längsachse des Akustikwandlers 210e angeordnet sind, entlang der die Membranen 220e und 230e schwingen. Stützen 234e erstrecken sich von der zweiten Membran 230e in Richtung der ersten Membran 220e durch entsprechende Blenden 242e, die in der Rückplatte 240 definiert sind. Die Spitzen 235e der Stützen 234e sind so konfiguriert, dass sie die erste Membran 220e berühren, wenn sich die zweite Membran 230e in Richtung der ersten Membran 220e bewegt oder umgekehrt. Somit sind die Stützen 234e unverankert. Wie in 2G dargestellt, sind die Stützen 234e Punktstrukturen. Obwohl die Darstellung vier Stützen 234e umfasst, kann eine beliebige Anzahl von Stützen in der ersten und/oder zweiten Membran 220e und 230e vorgesehen werden. Außerhalb der Ebene liegende Stützen 234e sind in 2G aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Darüber hinaus können die ersten und/oder zweiten Membranen 220e und 230e auch nicht starr verbundene Stützen und/oder verankerte Stützen umfassen.
3A ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Akustikwandlers 310, gemäß einer weiteren Ausführungsform. 3B ist eine isometrische Ansicht von oben auf einen Abschnitt des Akustikwandlers 310. Der Akustikwandler 310 kann beispielsweise einen MEMS-Akustikwandler zur Verwendung in einer MEMS-Mikrofonanordnung oder einen MEMS-Drucksensor umfassen. Der Akustikwandler 310 ist so konfiguriert, dass er elektrische Signale in Reaktion auf akustische Signale oder atmosphärische Druckänderungen erzeugt.
Der Akustikwandler 310 umfasst ein Substrat 312 (beispielsweise ein Silizium-, Glas- oder Keramiksubstrat), das eine erste Öffnung 313 darin definiert. Eine Stützstruktur 314 ist über dem Substrat 312 angeordnet und definiert eine zweite Öffnung 315 durch diese hindurch, die axial mit der ersten Öffnung 313 ausgerichtet sein kann, um wenigstens einen Abschnitt eines akustischen Pfades des Akustikwandlers 310 zu definieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Stützstruktur 314 aus Glas (beispielsweise aus Glas mit einem Phosphorgehalt) gebildet sein. In einigen Ausführungsformen kann die zweite Öffnung 315 den gleichen Querschnitt (beispielsweise den gleichen Durchmesser) wie die erste Öffnung 313 aufweisen. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Öffnung 315 einen größeren oder kleineren Querschnitt relativ zur ersten Öffnung 313 aufweisen.
Der Akustikwandler 310 umfasst eine untere oder erste Membran 320 und eine obere oder zweite Membran 330, die von der ersten Membran 320 beabstandet ist, so dass dazwischen eine Kavität 341 gebildet wird, die einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist, beispielsweise in einem Bereich von 1 mTorr bis 10 Torr oder 1 mTorr bis 1 Torr. Zwischen der ersten Membran 320 und der zweiten Membran 330 befindet sich in der Kavität 341 eine Rückwand 340. Die Rückwand 340 ist an der ersten Membran 320 und die zweite Membran 330 ist an der Rückwand 340 an entsprechenden Kantenankern („edge anchor“) 343 bzw. 333 verankert. Die Kantenanker 343 und 333 sind radial zueinander versetzt. Die im Akustikwandler 310 enthaltenen Komponenten können kreisförmige Querschnitte aufweisen, wie in 3B am besten dargestellt. Zumindest ein Abschnitt der ersten Membran 320, beispielsweise in der Nähe einer ersten umlaufenden Kante 321 der ersten Membran 320 und radial einwärts davon, ist auf der Stützstruktur 314 angeordnet. Die erste umlaufende Kante 321 der ersten Membran 320 erstreckt sich über einen Umfang der Stützstruktur 314 hinaus und ist mit dem Substrat 312 gekoppelt. Ferner erstreckt sich ein zweiter umlaufender Rand 331 der zweiten Membran 330 in Richtung des ersten umlaufenden Randes 321 und ist mit diesem gekoppelt. Wie in 3A dargestellt, kann ein Abschnitt 314a der Stützstruktur 314 in ein Volumen zwischen den Kantenankern 333 und 343 und dem zweiten umlaufenden Rand 331 der zweiten Membran 330 eingebettet sein.
Oberflächen der ersten Membran 320 und der zweiten Membran 330, die sich außerhalb der Kavität 341 befinden, sind der Atmosphäre ausgesetzt, beispielsweise der atmosphärischen Luft. Eine Vielzahl von Blenden 342 sind in der Rückplatte 340 so definiert, dass ein Abschnitt der Kavität 341, der sich zwischen der ersten Membran 320 und der Rückplatte 340 befindet, mit einem zweiten Abschnitt der Kavität 341 zwischen der zweiten Membran 330 und der Rückplatte 340 verbunden ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Membran 330 auch eine Vielzahl von Schichten umfassen, obwohl sie als eine einzelne Schicht dargestellt ist. Zum Beispiel kann die zweite Membran 330 eine erste isolierende Schicht (beispielsweise eine Siliziumnitridschicht) und eine zweite leitende Schicht (beispielsweise eine Polysiliziumschicht) umfassen.
Um die Nachgiebigkeit zu erhöhen, sind eine erste Wellung 322 und eine zweite Wellung 332 auf der ersten Membran 320 bzw. der zweiten Membran 330 ausgebildet. Die erste und zweite Wellung 322 und 332 ragen von den Membranen 320 bzw. 330 in einer Richtung weg von der Rückplatte 340 nach außen, wie zuvor in Bezug auf den Akustikwandler 110 beschrieben, und sind in Umfangsrichtung um eine Längsachse AL des Akustikwandlers positioniert, wie in 3B gezeigt. In der ersten und zweiten Membran 320, 330 können mehr als eine Wellung definiert sein. In einigen Ausführungsformen können die erste und die zweite Wellung 322 und 332 näher an den Außenkanten der ersten und der zweiten Membran 320 und 330 liegen als an einem Mittelpunkt derselben. In anderen Ausführungsformen können die erste und/oder zweite Wellung 322 und 332 näher an der Längsachse AL als an der Außenkante der ersten und zweiten Membran 320 und 330 oder äquidistant davon angeordnet sein. Darüber hinaus können die erste und zweite Wellung 322 und 332 relativ zu einer Längsachse AL des Akustikwandlers 310 axial ausgerichtet oder axial zueinander versetzt sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die Wellungen 322 und 332 eine Höhe in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 5 Mikrometer aufweisen (beispielsweise, 0,5, 1, 2, 3, 4 oder 5 Mikrometer einschließlich aller dazwischen liegenden Bereiche und Werte), und ein zwischen den flachen Bereichen der Membranen 320, 330 gemessener Abstand liegt in einem Bereich von 1-15 Mikrometer (beispielsweise 1, 3, 5, 7, 9, 12, 14 oder 15 Mikrometer einschließlich aller dazwischen liegenden Bereiche und Werte).
Um einen Kollaps der ersten und zweiten Membran 320 und 330 aufgrund des großen Druckunterschieds zwischen der atmosphärischen Luft und dem niedrigen Druck in der Kavität 341 zu verhindern, umfasst die zweite Membran 330 eine Vielzahl von Stützen 334, die sich von dort aus in Richtung der ersten Membran 320 durch entsprechende Blenden 342 der Rückplatte 340 erstrecken. Die Spitzen 335 der Stützen 334 sind in der Nähe der ersten Membran 320 angeordnet und von dieser beabstandet, so dass die Stütze 334 unverankert ist. Wenn eine oder beide der Membranen 320 und 330 schwingen oder auf andere Weise gegeneinander verschoben (beispielsweise gebogen) werden, berühren eine oder mehrere der Spitzen 335 der Stützen 334 eine innere Oberfläche der ersten Membran 320, die sich innerhalb der Kavität 341 befindet, um eine weitere Verschiebung der Membranen 320, 330 gegeneinander wenigstens an Stellen zu verhindern, an denen die Stütze 334 positioniert ist, wodurch ein Kollaps der Membranen 320, 330 verhindert wird, wie zuvor hierin beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Akustikwandler 310 eine durchschnittliche Nachgiebigkeit in einem Bereich der Membranen 320 und 330 aufweisen, die mehr als das 8-fache einer durchschnittlichen Nachgiebigkeit eines ähnlichen Akustikwandlers beträgt, der keine nach außen gerichteten Wellungen und die unverankerten Stützen umfasst. In einigen Ausführungsformen kann eine Spitze jedes der Stützen 334 mit der ersten Membran 320 gekoppelt sein. Der Akustikwandler 310 kann eine beliebige Anzahl von Stützen 334 umfassen, beispielsweise im Bereich von 20 bis 500 Stützen (beispielsweise 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 100, 200, 300, 400 oder 500 Stützen, einschließlich). Während 3A zeigt, dass sich die Stützen 334 von der zweiten Membran 330 in Richtung der ersten Membran 320 erstrecken, können sich in anderen Ausführungsformen zusätzlich oder alternativ Stützen von der ersten Membran 320 in Richtung der zweiten Membran 330 erstrecken.
In einigen Ausführungsformen erstreckt sich eine verankerte Stütze 336 von der ersten Membran 320 in Richtung der zweiten Membran 330 durch eine entsprechende Blende 342 der Rückplatte. Die verankerte Stütze 336 kann sich von einem inneren Rand der ersten Membran 320 in Richtung der zweiten Membran 330 erstrecken. Ein Scheitelpunkt 337 der verankerten Stütze 336 berührt die erste Membran 320 und ist mit dieser gekoppelt, so dass die verankerte Stütze 336 die Form eines umgekehrten Kegelstumpfes hat. In anderen Ausführungsformen kann die verankerte Stütze jede andere geeignete Form aufweisen, beispielsweise einen kreisförmigen, quadratischen oder rechteckigen Querschnitt, abgerundete S-förmige Seitenwände oder jede andere geeignete Form. Eine Durchdringung 324 ist in der ersten Membran 320 definiert, und ein Durchgangsloch 338 ist durch den Scheitelpunkt 337 definiert. Das Durchgangsloch 338 überlappt wenigstens teilweise die Durchdringung 324 (beispielsweise ist es axial mit der Durchdringung 324 ausgerichtet) und weist den gleichen Querschnitt (beispielsweise Durchmesser) wie die Durchdringung 324 auf. In anderen Ausführungsformen kann das Durchgangsloch 338 einen Querschnitt aufweisen, der wesentlich größer ist als der Querschnitt (beispielsweise Durchmesser) der Durchdringung 324. Die Durchdringung 324 und das Durchgangsloch 338 ermöglichen einen Druckausgleich zwischen einem Vordervolumen und einem Rückvolumen des Akustikwandlers 310.
Eine Vielzahl von Öffnungen 339 kann auch in der zweiten Membran 330 ausgebildet sein. Die Vielzahl von Öffnungen 339 sind so strukturiert, dass ein isotropes Ätzmittel (beispielsweise ein Nassätzmittel wie gepufferte Flusssäure) hindurchfließen kann, um Abschnitte der Stützstruktur 314 zu ätzen und zu entfernen, die während des Herstellungsprozesses zwischen der ersten und der zweiten Membran 320 und 330 angeordnet sein können, um die Kavität 341 zu bilden (siehe auch 3C). Durch die in der Rückplatte 340 definierten Blenden 342 kann auch das Ätzmittel hindurchfließen und Abschnitte der Stützstruktur 314 ätzen, die zwischen der Rückplatte 340 und der ersten Membran 320 angeordnet sein können. Die Vielzahl der Öffnungen 339 kann beispielsweise mit einem spannungsarmen Siliziumnitrid (LSN) abgedichtet werden. 3C zeigt einen Abschnitt des Akustikwandlers 310, der in 3A durch den Pfeil A gekennzeichnet ist, der eine Öffnung 339 der Vielzahl von Öffnungen 339 zeigt, die in der zweiten Membran 330 definiert sind, nachdem sie mit einem Stopfen 364 aus einem Dichtungsmaterial abgedichtet wurden. Eine Fangstruktur 366 ist unterhalb der Öffnung 339 innerhalb der Kavität 341 angeordnet und mit der zweiten Membran 330 gekoppelt. Die Fangstruktur 366 umfasst eine Leiste 367, die sich unterhalb der entsprechenden Öffnung 339 erstreckt. Die Öffnung 399 kann einen Durchmesser aufweisen, der ausreichend groß ist, damit das Dichtungsmaterial hindurchtreten und sich auf der Leiste 367 absetzen kann. Das Dichtungsmaterial lagert sich auf der Leiste 367 ab und bildet schließlich den Stopfen 364, der die Öffnung 339 verschließt. In einigen Ausführungsformen kann der Abstand zwischen der Kante der Öffnung 339 und der Kante der Leiste 367 im Bereich von 1-10 um liegen und kann ungleichmäßig über das Gerät verteilt sein. Durch Verändern des Abstands zwischen dem Rand der Öffnung 339 und dem Rand der Leiste 367 kann die Ätzrate des Strukturmaterials in der Nähe der Öffnung 339 abgestimmt werden.
In einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Öffnungen 339, die in der zweiten Membran 330 definiert sind, ohne Verwendung der Fangstruktur 366 verschlossen werden. Zum Beispiel ist 3D eine seitliche Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Akustikwandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Abschnitt zeigt eine zweite Membran 330a des Akustikwandlers, die eine Öffnung 339a aufweist, die in der zweiten Membran 330a definiert ist. Die zweite Membran 330a ist der zweiten Membran 330 im Wesentlichen ähnlich, mit der Ausnahme, dass die dort definierten Öffnungen 339a eine kleinere Größe aufweisen als ähnliche Öffnungen 339, die in der zweiten Membran 330 definiert sind. Die Öffnungen 339a können ausreichend klein sein, damit das Dichtungsmaterial einen Stopfen 364a in und um die Öffnung 339a bilden kann, ohne dass eine Fangstruktur darunter verwendet wird, wie beim Akustikwandler 310 beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann der Durchmesser oder Querschnitt der Öffnungen in einem Bereich von 50-500 nm liegen.
3E zeigt einen Abschnitt des Akustikwandlers 310, der durch den Pfeil B in 3A angedeutet ist, um eine Spannungsentlastungsstruktur 350 zu zeigen, die angrenzend an den umlaufenden Rand 321 oder die Peripherie der ersten Membran 320 ausgebildet ist. Die Spannungsentlastungsstruktur 350 kann sich entlang des gesamten Umfangs der ersten Membran 320 (beispielsweise in Umfangsrichtung um die Längsachse AL) erstrecken. In einigen anderen Fällen kann sich die Spannungsentlastungsstruktur 350 nur über einen Abschnitt des Umfangs der ersten Membran 320 erstrecken.
Die Spannungsentlastungsstruktur 350 kann eine Dicke TSR aufweisen, die größer ist als eine Dicke Td der ersten Membran 320 in der Nähe einer Mitte der ersten Membran 320. In einigen Ausführungsformen kann die Dicke der Spannungsentlastungsstruktur 350 allmählich von der Dicke Td der Membran 320 bis zur Dicke TSR zunehmen. Wie in 3B gezeigt, nimmt beispielsweise die Dicke der Spannungsentlastungsstruktur 350 mit zunehmendem Abstand von der Mitte der ersten Membran 320 zu, bis die Dicke gleich der Dicke TSR ist. Das heißt, die Dicke der Spannungsentlastungsstruktur 350 nimmt als Funktion des Abstands von der Mitte der ersten Membran 320 zu.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Spannungsentlastungsstruktur 350 eine Schicht aus einer ersten Materialart, die zwischen zwei Schichten einer zweiten Materialart angeordnet ist. Beispielsweise umfasst die Spannungsentlastungsstruktur 350, wie in 3E gezeigt, eine Schicht 356 des ersten Materialtyps, die zwischen einer ersten Membranschicht 352 und einer über der ersten Membranschicht angeordneten zweiten Membranschicht 354 eingebettet ist, die jeweils aus dem zweiten Materialtyp gebildet sind. Die Membranschichten 352 und 354 können die Schicht 356 aus dem ersten Material wenigstens teilweise umschließen. Das erste Material kann eines oder mehrere der folgenden Materialien umfassen: Silizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Glas mit einem Phosphorgehalt, PSG und BPSG oder jedes andere Material, das zur Bildung der Stützstruktur 314 verwendet wird. Die zweite Art von Material kann Siliziumnitrid umfassen (beispielsweise spannungsarmes Siliziumnitrid). In anderen Ausführungsformen wird die Spannungsentlastungsstruktur vollständig aus Siliziumnitrid gebildet. Das heißt, die Spannungsentlastungsstruktur 350 kann ein dickerer Abschnitt der ersten Membran 320 sein.
Die Spannungsentlastungsstruktur 350 kann das Risiko eines Spannungsanstiegs entlang des Umfangs der ersten Membran 320 reduzieren. Insbesondere können große Drucktransienten, die auf die erste Membran 320 einwirken, einen Anstieg der mechanischen Spannung entlang der Peripherie der ersten Membran 320 verursachen. Dieser Spannungsanstieg kann das Risiko eines Bruchs oder einer Verformung der ersten Membran 320 erhöhen. Die Spannungsentlastungsstruktur 350 reduziert das Risiko eines Spannungsanstiegs und erhöht somit eine Robustheit der ersten Membran 320.
Während dies in Bezug auf die erste Membran 320 beschrieben wurde, kann in verschiedenen Ausführungsformen auch die zweite Membran 330 eine Spannungsentlastungsstruktur an einer peripheren Kante davon umfassen. Zum Beispiel ist 3F eine schematische Darstellung eines Akustikwandlers 410 gemäß einer anderen Ausführungsform. Der Akustikwandler 410 umfasst ein Substrat 412 und eine Stützstruktur 414. Auf dem Substrat 412 sind Membranen 420 und 430 angeordnet, zwischen denen eine Kavität 441 einen Druck aufweist, der niedriger als der Atmosphärendruck ist. Eine Rückwand 440 ist zwischen den Membranen 420 und 430 innerhalb der Kavität 441 angeordnet. Jede der Membranen 420 und 430 umfasst nach außen vorstehende Wellungen 422 und 432, wie hierin zuvor beschrieben. Die Rückplatte 440 ist an der ersten Membran 420 verankert und die zweite Membran 430 ist an der Rückplatte 440 an entsprechenden Kantenankern 443 bzw. 433 verankert. Ähnlich wie der Akustikwandler 410 umfasst die erste Membran 420 an ihrem radialen Rand eine erste Spannungsentlastungsstruktur 450, deren Dicke zum Rand hin allmählich verjüngt zunimmt. Die erste Spannungsentlastungsstruktur 450 ähnelt im Wesentlichen der Spannungsentlastungsstruktur 350, die zuvor hier mit Bezug auf die 3A und 3E beschrieben wurde. Darüber hinaus umfasst die zweite Membran 430 auch eine zweite Spannungsentlastungsstruktur 460, die an einem radialen Rand derselben ausgebildet ist. Die zweite Spannungsentlastungsstruktur 460 umfasst eine Schicht 466 aus einer ersten Art von Material (beispielsweise PSG oder BPSG), die zwischen der ersten und zweiten Membranschicht 462 und 464 eingebettet ist, die aus einer zweiten Art von Material (beispielsweise einem Siliziumnitrid oder einem spannungsarmen Nitrid) gebildet sind. Ein Abschnitt der ersten Membranschicht 462 bildet den Kantenanker und ein Abschnitt der zweiten Membranschicht 464 ist über dem Kantenanker 433 angeordnet, so dass der Kantenanker 433 ebenfalls mit der ersten Art von Material eingebettet ist. In weiterer Ausdehnung sind die erste und zweite Membranschicht 462 und 464 aufeinander angeordnet, um die zweite Membran 430 zu bilden. Zu den Rändern der zweiten Membran 430 hin ist die zweite Membranschicht 464 von der ersten Membranschicht 462 beabstandet, um die Spannungsentlastungsstruktur 460 zu bilden. Eine verjüngte Seitenwand 465 koppelt die zweite Membranschicht 464 an die erste Membranschicht 462.
3G zeigt einen Abschnitt des Akustikwandlers aus 3A, der durch den Pfeil C in 3A angezeigt wird. Das Bilden der Kavität 341 kann das Ätzen eines Strukturmaterials (beispielsweise PSG oder BPSG, das Teil der Stützstrukturschicht sein kann, aus der die Stützstruktur 314 gebildet wird) beinhalten, das zwischen der ersten und zweiten Membran 320 und 330 radial einwärts der Kantenanker 333 und 343 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen kann ein isotropes Ätzmittel (beispielsweise ein Nassätzmittel) verwendet werden oder die Ätzung kann zeitlich so gesteuert werden, dass im Wesentlichen das gesamte Strukturmaterial zwischen den Membranen 320 und 330 geätzt wird, so dass die Kavität 341 im Wesentlichen frei von Strukturmaterial ist. Das Ätzmittel tritt durch die Durchgangslöcher 339 in die Kavität 341 ein, die später versiegelt wird, wie zuvor hier beschrieben.
In anderen Ausführungsformen kann das Ätzen zeitlich so gesteuert werden, dass eine umlaufende Stützstruktur in der Kavität 341 gebildet wird. 3H ist zum Beispiel ein Seitenquerschnitt eines Abschnitts eines Akustikwandlers 310a gemäß einer anderen Ausführungsform. Der Akustikwandler 310a ist dem Akustikwandler 310 im Wesentlichen ähnlich. Im Unterschied zum Akustikwandler 310 ist jedoch eine periphere Stützstruktur 317 an den radialen Kanten der ersten und zweiten Membran 320 und 330 ausgebildet. Die periphere Stützstruktur 317a ist an wenigstens einem Abschnitt eines Umfangs der ersten Membran 320 und der zweiten Membran 330 befestigt und stützt diesen und befindet sich in der Nähe einer Kante der ersten und zweiten Membran 320 und 330 innerhalb der Kavität 341. Die periphere Stützstruktur 317a umfasst eine erste Schicht 317aa (beispielsweise einen ersten Abschnitt aus Glas, wie PSG, der einen Phosphorgehalt im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% aufweist) und eine zweite Schicht 317ab (beispielsweise einen zweiten Abschnitt aus Glas, wie PSG, der einen Phosphorgehalt im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% aufweist), die jeweils denselben Verunreinigungsgehalt (beispielsweise denselben Phosphorgehalt) aufweisen. Beispielsweise kann das Ätzen des Strukturmaterials, das zur Bildung der Stützstruktur 314 verwendet wird, für eine vorbestimmte Zeit durchgeführt werden und kann vor dem Erreichen der Kantenanker 333 und 343 gestoppt werden, um die periphere Stützstruktur 317a zu bilden.
In einigen Ausführungsformen werden die Abschnitte des Strukturmaterials in der Nähe der Öffnungen 339 zuerst relativ zu den Abschnitten distal von den Öffnungen 339 geätzt, so dass eine radial innere Seitenwand der peripheren Stützstruktur 317a ein verjüngtes Profil aufweist. Beispielsweise ist, wie in 3H gezeigt, die radial innere Seitenwand der peripheren Stützstruktur 317a von der zweiten Membran 330 zur Rückplatte 340 und von der Rückplatte 340 zur ersten Membran 320 verjüngt. In anderen Ausführungsformen kann die erste Schicht 317aa einen ersten Phosphorgehalt (beispielsweise in einem Bereich von 2-6%) aufweisen und die zweite Schicht 317ab kann einen zweiten Phosphorgehalt (beispielsweise in einem Bereich von 4-10%) aufweisen, der sich vom ersten Phosphorgehalt unterscheidet. Dies kann eine ungleiche Ätzung des Strukturmaterials verursachen, was zu dem konischen Profil führt. Die periphere Stützstruktur 317a kann die Robustheit der Membranen 320 und 330 erhöhen.
In einigen Ausführungsformen kann eine periphere Stützstruktur 3 oder mehr Schichten umfassen. Zum Beispiel ist 31 eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Akustikwandlers 310b gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Akustikwandler 310b ist dem Akustikwandler 310a im Wesentlichen ähnlich. Anders als der Akustikwandler 310a umfasst der Akustikwandler 310b eine periphere Stützstruktur 317b, die eine erste Schicht 317ba (beispielsweise einen ersten Abschnitt aus Glas, PSG oder BPSG) in der Nähe der radialen Ränder der ersten Membran 320 und eine zweite Schicht 317bb (beispielsweise einen zweiten Abschnitt aus Glas, PSG oder BPSG) in der Nähe der radialen Ränder der zweiten Membran 330 umfasst, die jeweils einen geringen Gehalt an Verunreinigungen aufweisen (beispielsweise Glas mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 2-4%). Die periphere Stützstruktur 317b umfasst auch eine dritte Schicht 317bc (beispielsweise einen dritten Glas-, PSG- oder BPSG-Abschnitt), die zwischen der ersten und zweiten Schicht 317ba und 317bb angeordnet ist. Die dritte Schicht 317bc weist im Vergleich zu den ersten und zweiten Schichten 317ba und 317bb einen höheren Gehalt an Verunreinigungen auf (beispielsweise Glas mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 4-10 %). Das Ätzen der Strukturmaterialschichten kann für eine vorbestimmte Zeit durchgeführt werden, um vor dem Erreichen der Kantenanker 333 und 343 zu stoppen, so dass die periphere Stützstruktur 317b gebildet wird. Die ersten und zweiten Schichten 317ba/bb, die den geringeren Verunreinigungsgehalt aufweisen, ätzen langsamer als die dritte Schicht 317bc, so dass eine innere Seitenwand jeder der ersten und zweiten Schichten 317ba/bb von der dritten Schicht 317bc radial nach innen in Richtung der Membranen 320 bzw. 330 verjüngt ist. Dies kann des Weiteren die Robustheit jeder der ersten und zweiten Membranen 320 und 330 erhöhen. In einigen Ausführungsformen kann ein Verunreinigungsgehalt innerhalb einer oder mehrerer der Schichten 317ba/bb/bc auch entlang einer Höhe davon variieren.
3J ist ein Seitenquerschnitt eines Abschnitts eines Akustikwandlers 310c, gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Akustikwandler 310c umfasst die erste Membran 320, die auf dem Substrat 312 angeordnet ist. Eine zweite Membran 330c ist von der ersten Membran 320 beabstandet, so dass dazwischen eine Kavität 341c gebildet wird, die einen Druck aufweist, der niedriger als der Atmosphärendruck ist. In der Kavität 341c ist zwischen der ersten und zweiten Membran 320 und 330c eine Rückwand 340c angeordnet. Anders als die zweite Membran 330 und die Rückwand 340 umfassen die zweite Membran 330c und die Rückwand 340c keine Kantenanker. Stattdessen erstreckt sich ein umlaufender Rand 331c der zweiten Membran 330c in Richtung des umlaufenden Randes 321 der ersten Membran 320 und ist mit diesem gekoppelt. Eine periphere Stützstruktur 317c ist in der Kavität in der Nähe des umlaufenden Randes 331c der zweiten Membran 330c über der ersten Membran 320 angeordnet. Die Peripherie der Rückplatte 340c ist in die periphere Stützstruktur 317c eingebettet. Die periphere Stützstruktur 317c kann eine einzelne Schicht mit einem einzigen Phosphorgehalt, einen variierenden Phosphorgehalt oder eine Vielzahl von Schichten umfassen, wobei jede Schicht denselben oder einen unterschiedlichen Phosphorgehalt aufweist.
In einigen Ausführungsformen kann der Akustikwandler 310 in einer Mikrofonanordnung umfasst sein. Zum Beispiel ist 4 eine schematische Darstellung einer Mikrofonanordnung 300a gemäß einer Ausführungsform. Die Mikrofonanordnung 300a kann eine MEMS-Mikrofonanordnung umfassen. Die Mikrofonanordnung 300a kann zur Umwandlung von akustischen Signalen in elektrische Signale in einem beliebigen Gerät verwendet werden, wie beispielsweise in Mobiltelefonen, Laptops, Fernbedienungen für Fernsehgeräte, Tablets, Audiosystemen, Kopfhörern, Wearables, tragbaren Lautsprechern, Auto-Soundsystemen oder jedem anderen Gerät, das eine Mikrofonanordnung verwendet.
Die Mikrofonanordnung 300a umfasst eine Basis 302, die einen Port 304 oder Sound-Port darin definiert, so dass die Mikrofonanordnung 300a eine Mikrofonanordnung mit Bodenanschluss ist. Ein Deckel 306 ist auf der Basis 302 angeordnet und definiert ein Innenvolumen, in dem der Akustikwandler310 und eine integrierte Schaltung 308a angeordnet sind. In anderen Ausführungsformen kann der Port 304 im Deckel 306 statt in der Basis 302 definiert sein, so dass die Mikrofonanordnung 300 eine Mikrofonanordnung mit oberem Port umfasst. Der Deckel 306 kann aus einem geeigneten Material, wie beispielsweise Metallen (beispielsweise Aluminium, Kupfer, rostfreiem Stahl usw.), Kunststoffen, Polymeren usw., geformt sein und kann mit der Basis 302 verbunden sein, beispielsweise durch ein Durchgangsloch, durch Löten oder durch Schmelzkleben. In einigen Ausführungsformen kann der Deckel 306 ein Verbundwerkstoff aus Metall und Kunststoff sein, beispielsweise Metall, das einen eingegossenen oder übergossenen Kunststoff aufweist.
Die Basis 302 kann aus Materialien gebildet werden, die bei der Herstellung von Leiterplatten (PCB) verwendet werden (beispielsweise Kunststoff). Beispielsweise kann das Substrat eine Leiterplatte umfassen, die so konfiguriert ist, dass der Akustikwandler 310, die integrierte Schaltung 308a und der Deckel 306 darauf montiert werden können. Der Akustikwandler 310 ist auf dem Port 304 positioniert und so konfiguriert, dass er ein elektrisches Signal in Reaktion auf ein akustisches Signal erzeugt. Der Akustikwandler 310 trennt ein Vordervolumen 305 von einem Rückvolumen 307 der Mikrofonanordnung, wobei das Vordervolumen 305 in Fluidverbindung mit dem Port 304 steht. Das Substrat 312 kann beispielsweise auf der Basis 302 positioniert werden, die den Port 304 umgibt, so dass seine Öffnung 313 axial mit dem Port 304 ausgerichtet ist. Die untere Membran 320 kann so positioniert werden, dass sie dem Port 304 zugewandt ist, um akustische Signale durch den Port 304 über das Durchgangsloch 305 zu empfangen. Die obere Membran 330 ist dem Rückvolumen 307 zugewandt. Die Durchdringung 324 in der Membran 320 ermöglicht einen barometrischen Druckausgleich zwischen dem Vordervolumen 305 und dem Rückvolumen 307.
In 4 sind der Akustikwandler 310 und die integrierte Schaltung 308a auf einer Oberfläche der Basis 302 angeordnet, aber in anderen Ausführungsformen können eine oder mehrere dieser Komponenten auf dem Deckel 306 (beispielsweise auf einer inneren Oberfläche des Deckels 306), an den Seitenwänden des Deckels 306 oder übereinander gestapelt angeordnet sein. In einigen Ausführungsformen kann die Basis 302 eine Schnittstelle für externe Vorrichtungen aufweisen, die eine Vielzahl von Kontakten hat, die mit der integrierten Schaltung 308 gekoppelt sind, beispielsweise mit Anschlusspads (beispielsweise Bonding Pads), die auf der integrierten Schaltung 308a vorgesehen sein können. Die integrierte Schaltung 308a ist in einigen Implementierungen eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC). Die Kontakte können als Pins, Pads, Bumps oder Kugeln neben anderen bekannten oder zukünftigen Befestigungsstrukturen ausgeführt sein. Die Funktionen und die Anzahl der Kontakte an der Schnittstelle für externe Vorrichtungen hängen von dem oder den implementierten Protokollen ab und können u. a. Strom-, Masse-, Daten- und Taktkontakte umfassen. Die Schnittstelle für externe Vorrichtungen ermöglicht die Integration der Mikrofonanordnung 300 mit einer Host-Vorrichtung durch Reflow-Löten, Schmelzkleben oder andere Montageverfahren.
Der integrierte Schaltkreis 308a ist elektrisch mit dem Akustikwandler 310 gekoppelt, beispielsweise über elektrische Durchgangslöcher, und kann auch mit der Basis 302 gekoppelt sein (beispielsweise mit einer Leiterbahn oder einem anderen elektrischen Kontakt, der auf der Basis 302 angeordnet ist). Der integrierte Schaltkreis 308a empfängt ein elektrisches Signal vom Akustikwandler 310 und kann das Signal verstärken und aufbereiten, bevor er ein digitales oder analoges akustisches Signal ausgibt. Die integrierte Schaltung 308a kann auch eine Protokollschnittstelle (nicht dargestellt) umfassen, je nach dem gewünschten Ausgabeprotokoll. Die Mikrofonanordnung 300a kann auch so konfiguriert sein, dass sie wie hier beschrieben programmiert oder abgefragt werden kann. Beispielhafte Protokolle umfassen u.a. PDM, PCM, SoundWire, I2C, I2S und SPI, sind aber nicht darauf beschränkt.
Die Mikrofonanordnung 300a kann eine Schnittstelle für externe Vorrichtungen (d. h. eine elektrische Schnittstelle) aufweisen, die eine Vielzahl von elektrischen Kontakten (beispielsweise Strom, Masse, Daten, Takt) zur elektrischen Integration mit einer Host-Vorrichtung umfasst. Die Schnittstelle für externe Vorrichtungen kann auf einer äußeren Oberfläche der Basis 302 angeordnet und für das Reflow-Löten mit einem Host-Gerät konfiguriert sein. Alternativ kann die Schnittstelle auch auf einer anderen Oberfläche der Basis 302 oder des Deckels 306 angeordnet sein. Der integrierte Schaltkreis 308a kann mit einem Verkapselungsmaterial abgedeckt sein, das elektrisch isolierende, elektromagnetische und thermische Abschirmeigenschaften aufweisen kann. Der integrierte Schaltkreis 308a empfängt ein elektrisches Signal vom Akustikwandler 310 und kann das Signal verstärken oder aufbereiten, bevor er ein digitales oder analoges akustisches Signal ausgibt. Beispielsweise kann der integrierte Schaltkreis 308a ein elektrisches Signal vom Akustikwandler 310 empfangen, das eine Charakteristik (beispielsweise Spannung) aufweist, die sich in Abhängigkeit von Kapazitätsänderungen im Akustikwandler 310 (beispielsweise Kapazitätsänderungen zwischen den Membranen 320, 330 und der Rückplatte 340 des Akustikwandlers 310) ändert, oder einen piezoelektrischen Strom vom Akustikwandler 310 empfangen, der für das akustische Signal repräsentativ ist.
5 ist ein vereinfachtes Schaltbild der Mikrofonanordnung 300a. Die Membranen 320 und 330 werden mit einer Vorspannung Vbias vorgespannt. In einigen Ausführungsformen kann eine ungleiche Vorspannung an die Kapazitäten angelegt werden, die von jeder Membran 320 und 330 gebildet werden. Die Kapazitätsänderung der zweiten Membran 330 ist außer Phase mit der Kapazitätsänderung der ersten Membran 320, da ein akustisches Signal erst nach dem Eintritt in den Port 304 auf die erste Membran 320 auftrifft. Die mechanische Kopplung der Membranen 320 und 330 über die Stützen bewirkt, dass die Membranen 320, 330 im Gleichklang schwingen, so dass die Membranen als phasenverschobene Kondensatoren modelliert werden können. Der integrierte Schaltkreis 308a kann eine analoge Pufferstufe umfassen, um die von den Membranen 320 und 330 empfangenen elektrischen Signale zu verstärken. Die integrierte Schaltung 308a kann auch eine Analog-Digital-Wandlerschaltung (ADC) umfassen, wie beispielsweise einen Sigma-Delta-Modulator (ΣΔ in 5). Die Verarbeitung kann jedoch auch im analogen Bereich erfolgen, so dass der ADC ausgeschlossen werden kann. Das resultierende elektrische Signal, das von dem integrierten Schaltkreis 308a empfangen wird, ist bezeichnend für die akustischen Signale, die von dem Akustikwandler 310 erfasst werden.
In einigen Ausführungsformen kann der Akustikwandler 310 in einer Druckmessanordnung verwendet werden. Beispielsweise zeigt 6 eine Anordnung 300b zur Druckmessung, die den auf der Basis 302 positionierten Akustikwandler 310 umfasst und den Deckel 306 und einen integrierten Schaltkreis 308b (beispielsweise einen ASIC) umfasst. Das Vordervolumen 305 und das Rückvolumen 307 des Akustikwandlers 310 können jedoch beide für den Atmosphären- oder Umgebungsdruck geöffnet sein (beispielsweise über das Durchgangsloch 324 zum Druckausgleich). Dies bewirkt, dass der Umgebungs- oder Atmosphärendruck gleichmäßig auf jede der ersten und zweiten Membranen 320 und 330 einwirkt, so dass die Membranen 320 und 330 eine Gleichtakt- oder gleichphasige Kapazitätsänderung erfahren, die aus der Auslenkung oder Biegung der Membranen 320, 330 in den Bereichen zwischen den Stützen resultiert.
7 ist ein vereinfachtes Schaltbild der Druckmessanordnung 300b. Die Membranen 320 und 330 werden mit einer Vorspannung Vbias vorgespannt. In einigen Ausführungsformen kann eine ungleiche Vorspannung an die Kapazitäten angelegt werden, die von jeder Membran gebildet werden. Die Kapazitätsänderung des zweiten Diagramms 330 ist gleichphasig mit Änderungen des atmosphärischen Drucks, der auf jede der Membranen 320 und 330 gleichermaßen wirkt, so dass die Membranen als gleichphasige Kapazitäten modelliert werden können. Der integrierte Schaltkreis 308b kann eine analoge Pufferstufe umfassen, um die von den Membranen 320 und 330 empfangenen elektrischen Signale zu verstärken. Die integrierte Schaltung 308b kann auch eine Analog-Digital-Wandlerschaltung (ADC) umfassen, wie beispielsweise einen Sigma-Delta-Modulator (ΣΔ in 7). Die Verarbeitung kann jedoch im analogen Bereich erfolgen, so dass der ADC ausgeschlossen werden kann. Die integrierte Schaltung 308b kann auch einen Tiefpassfilter (LPF) umfassen, um beispielsweise das Rauschen zu reduzieren und/oder die atmosphärische Druckänderung von einem akustischen Signal zu isolieren. Das resultierende elektrische Signal, das von dem integrierten Schaltkreis 308b empfangen wird, ist indikativ für den atmosphärischen Druck, der von dem Akustikwandler 310 erfasst wird.
8 ist ein schematisches Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Herstellen eines Akustikwandlers (beispielsweise des Akustikwandlers 110, 210e, 310, 310a/b/c, 410) gemäß einer Ausführungsform. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Substrats, bei 502. Das Substrat kann beispielsweise das Substrat 112, 212, 312, 412 umfassen und kann aus Silizium, Siliziumoxid, Glas, Keramik oder jedem anderen geeigneten Material gebildet sein.
Bei 504 wird eine erste Membran über dem Substrat gebildet, so dass die erste Membran an ihrer Peripherie am Substrat befestigt ist. Die erste Membran (beispielsweise die erste Membran 120, 220e, 320, 420) weist nach außen gerichtete Wellungen auf, die sich in Richtung des Substrats erstrecken. Die erste Membran kann aus einem spannungsarmen Material gebildet sein, beispielsweise LSN, einer spannungsarmen Keramik oder Polysilizium.
Bei 506 ist eine Rückplatte (beispielsweise die Rückplatte 140, 240, 240e, 340, 340c, 440) in einem Abstand von der ersten Membran in einer Richtung weg vom Substrat ausgebildet. Das Material der Rückplatte kann in Bezug auf die erste Membran und das zweite Membranmaterial im Wesentlichen unflexibel sein und kann beispielsweise einen Poly/SiN/Poly-Schichtstapel oder einen anderen Leiter/Isolator/Leiterschichtstapel umfassen. Die Rückplatte kann auch aus einer einzigen Schicht aus leitendem Material, wie beispielsweise Polysilizium, gebildet sein. In einigen Ausführungsformen wird auch eine Vielzahl von Blenden durch die Rückplatte gebildet.
Bei 508 wird eine zweite Membran (beispielsweise die zweite Membran 130, 230e, 330, 330a, 330c, 430) gebildet, die von der Rückplatte in einer Richtung weg vom Substrat beabstandet ist und an ihrem Umfang am Substrat befestigt ist. Die zweite Membran kann auch aus einem spannungsarmen Material gebildet werden, beispielsweise aus LSN, einer spannungsarmen Keramik oder Polysilizium. In einigen Ausführungsformen kann das Ausbilden der zweiten Membran auch das Ausbilden einer Stütze (beispielsweise die Stütze 234a, 234b, 234c, 234d, 334) umfassen, die sich von der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran erstreckt, bei 510. Ein Abschnitt der Stütze ist in der Nähe der anderen Membran positioniert (beispielsweise beabstandet von der anderen Membran um einen Abstand von 50 nm bis 2 Mikrometer in einer Standardposition, wie zuvor hierin beschrieben) und so konfiguriert, dass er die andere Membran in Reaktion auf eine Bewegung von wenigstens einer der ersten Membran und der zweiten Membran in Richtung der anderen Membran berührt, um einen Kollaps der ersten Membran und der zweiten Membran unter atmosphärischem Druck zu verhindern.
In einigen Ausführungsformen kann das Ausbilden der zweiten Membran auch das Ausbilden einer verankerten Stütze (beispielsweise die verankerte Stütze 336) umfassen, die sich von der ersten Membran durch eine entsprechende Blende in der Rückplatte in Richtung der zweiten Membran erstreckt, wobei ein Scheitelpunkt der verankerten Stütze die andere Membran berührt und mit dieser verbunden ist. Durch den Scheitelpunkt kann eine Durchdringung definiert sein, und in der zweiten Membran kann eine Durchdringung definiert sein, die die Durchdringung wenigstens teilweise überlappt, um einen Druckausgleich zwischen einem Vordervolumen und einem Rückvolumen des Akustikwandlers zu ermöglichen. In verschiedenen Ausführungsformen können das Durchgangsloch und die Durchdringung durch einen DRIE-Prozess (Deep Reactive Ion Etching) gebildet werden.
Bei 512 wird eine Kavität zwischen der ersten und der zweiten Membran gebildet, indem isotropes Ätzen verwendet wird, um Strukturmaterial zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran zu entfernen. In einigen Ausführungsformen definiert die Rückplatte wenigstens eine durchgehende Blende, so dass ein erster Abschnitt der Kavität, der sich zwischen der ersten Membran und der Rückplatte befindet, mit einem Abschnitt der Kavität zwischen der zweiten Membran und der Rückplatte verbunden ist. In einigen Ausführungsformen sind Öffnungen in der zweiten Membran definiert. Beispielsweise können die Öffnungen 339, 339a in der zweiten Membran 330, 330a durch ein Nassätz- oder Trockenätzverfahren definiert werden. Die Öffnungen ermöglichen es einem isotropen Ätzmittel, ein Strukturmaterial (beispielsweise einen Abschnitt einer Stützstruktur), das zwischen der ersten und der zweiten Membran angeordnet ist, zu kontaktieren und zu ätzen, um die Kavität zu bilden.
In einigen Ausführungsformen kann das Strukturmaterial geätzt werden (beispielsweise Glas wie PSG mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-%), so dass ein Abschnitt der Stützstruktur an wenigstens einem Abschnitt eines Umfangs der ersten Membran und der zweiten Membran über dem Substrat befestigt bleibt und diesen stützt. Die periphere Stützstruktur befindet sich in der Nähe einer Kante der ersten und der zweiten Membran innerhalb der Kavität.
Bei 514 wird eine Versiegelungsschicht (beispielsweise spannungsarmes Siliziumnitrid, Metall usw.) unter Verwendung eines Niederdruck-Abscheidungsprozesses (beispielsweise LPCVD, PECVD, ALD, Sputtern oder Verdampfung) abgeschieden, um die Öffnungen (beispielsweise die Öffnungen 339, 339a) mit einem Stopfen (beispielsweise dem Stopfen 364, 364a) zu versiegeln. Dieser Vorgang dichtet die Kavität bei einem Druck ab, der unter dem Atmosphärendruck liegt (beispielsweise in einem Bereich von 1 mTorr bis 10 Torr oder 1 mTorr bis 1 Torr).
Bei 516 wird eine Öffnung (beispielsweise die Öffnung 313) in dem Substrat (beispielsweise dem Substrat 312) durch Ätzen durch das Substrat hindurch gebildet, beispielsweise mit einem tiefen reaktiven lonenätzprozess (DRIE). In einigen Ausführungsformen kann ein zusätzliches Ätzen (beispielsweise Nassätzen mit gepufferter Flusssäure) erfolgen, um die Position der Stützstruktur 314, 414 zu definieren. In einigen Ausführungsformen kann die Öffnung im Substrat gebildet werden, bevor eine Kavität zwischen der ersten und der zweiten Membran gebildet wird und bevor die Kavität bei einem Druck unterhalb des Atmosphärendrucks versiegelt wird (beispielsweise kann der Vorgang 516 vor dem Vorgang 514 oder vor dem Vorgang 512 erfolgen).
9 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Akustikwandlers 610, gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Akustikwandler 610 kann beispielsweise einen MEMS-Akustikwandler zur Verwendung in einer MEMS-Mikrofonanordnung oder einen MEMS-Drucksensor umfassen. Der Akustikwandler 610 ist so konfiguriert, dass er elektrische Signale in Reaktion auf akustische Signale oder atmosphärische Druckänderungen erzeugt. Der Akustikwandler 610 ähnelt dem Akustikwandler 310 mit einigen hier beschriebenen Unterschieden.
Der Akustikwandler 610 umfasst das Substrat 312 (beispielsweise ein Silizium-, Glas- oder Keramiksubstrat), das die erste Öffnung 313 darin definiert. Anders als der Akustikwandler 310 ist jedoch eine Stützstruktur 614 über dem Substrat 312 angeordnet und definiert die zweite Öffnung 315 durch dieses hindurch, die axial mit der ersten Öffnung 313 ausgerichtet sein kann, um wenigstens einen Abschnitt eines akustischen Pfades des Akustikwandlers 310 zu definieren. Die Stützstruktur 614 umfasst eine erste Stützstruktur-Schicht 615, eine zweite Stützstruktur-Schicht 616 und eine dritte Stützstruktur-Schicht 617. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 615 der Stützstruktur Siliziumoxid (beispielsweise thermisches Siliziumoxid), das eine Dicke in einem Bereich von 300 nm bis 900 nm (beispielsweise einschließlich 300, 400, 500, 600, 700, 800 oder 900 nm) aufweist. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Schicht der Stützstruktur 616 Glas mit einem Phosphorgehalt im Bereich von 6 Gew.-% bis 8 Gew.-% (beispielsweise einschließlich 6, 7 oder 8 Gew.-%). Das Glas kann zum Beispiel Phosphorsilikatglas umfassen. In einigen Ausführungsformen umfasst die dritte Schicht 617 der Stützstruktur Siliziumoxid {beispielsweise abgeschieden durch einen chemischen Niederdruck-Gasphasenabscheidungsprozess (LPCVD)} und weist eine Dicke in einem Bereich von 400 nm bis 700 nm auf (beispielsweise einschließlich 400, 450, 500, 550, 600, 650 oder 700 nm).
Der Akustikwandler 610 umfasst eine untere oder erste Membran 620 und die obere oder zweite Membran 330, die von der ersten Membran 620 beabstandet ist, so dass dazwischen eine Kavität 341 mit einem Druck, der niedriger als der Atmosphärendruck ist, beispielsweise in einem Bereich von 1 mTorr bis 10 Torr oder 1 mTorr bis 1 Torr, gebildet wird. Anders als die erste Membran 320 umfasst die erste Membran 620 keine Spannungsentlastu ngsstru ktu r.
Die Rückplatte 340 befindet sich zwischen der ersten Membran 620 und der zweiten Membran 630 in der Kavität 341. Zumindest ein Abschnitt der ersten Membran 620, beispielsweise in der Nähe eines ersten umlaufenden Randes 621 der ersten Membran 620 und radial einwärts davon, ist an der Stützstruktur 614 angeordnet. Die erste umlaufende Kante 621 der ersten Membran 620 erstreckt sich über einen Umfang der Stützstruktur 614 hinaus und ist mit dem Substrat 312 gekoppelt. Ferner erstreckt sich ein zweiter umlaufender Rand 331 der zweiten Membran 330 in Richtung des ersten umlaufenden Randes 621 und ist mit diesem gekoppelt.
Oberflächen sowohl der ersten Membran 620 als auch der zweiten Membran 330, die sich außerhalb der Kavität 341 befinden, sind der Atmosphäre ausgesetzt, beispielsweise der atmosphärischen Luft. Eine Vielzahl von Blenden 342 sind in der Rückplatte 340 so definiert, dass ein Abschnitt der Kavität 341, der sich zwischen der ersten Membran 620 und der Rückplatte 340 befindet, mit einem zweiten Abschnitt der Kavität 341 zwischen der zweiten Membran 330 und der Rückplatte 340 verbunden ist. Jede der ersten Membranen 620 und der zweiten Membran 330 umfasst nach außen vorstehende Wellungen 622 bzw. 332, wie zuvor hierin beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen können die Wellungen 622 und 332 eine Höhe in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 5 Mikrometer aufweisen (beispielsweise 0,5, 1, 2, 3, 4 oder 5 Mikrometer, einschließlich aller Bereiche und Werte dazwischen), und ein zwischen den flachen Bereichen der Membranen 620, 330 gemessener Abstand liegt in einem Bereich von 1-15 Mikrometer (beispielsweise 1, 3, 5, 7, 9, 12, 14 oder 15 Mikrometer, einschließlich aller Bereiche und Werte dazwischen). Es sollte gewürdigt werden, dass die Wellungen 322, 622 in Umfangsrichtung verlaufen und eine Vielzahl von Wellungen umfassen können.
Die zweite Membran 330 umfasst eine Vielzahl von Stützen 334, die sich von ihr aus in Richtung der ersten Membran 620 durch entsprechende Blenden 342 der Rückplatte 340 erstrecken. In anderen Ausführungsformen können sich die Stützen 334 von der ersten Membran 620 in Richtung der zweiten Membran 330 erstrecken. Die verankerte Stütze 336 erstreckt sich von der ersten Membran 620 in Richtung der zweiten Membran 330 durch eine entsprechende Blende 342 der Rückplatte. In der ersten Membran 620 ist eine Durchdringung 324 definiert, und durch den Scheitelpunkt 337 ist ein Durchgangsloch 338 definiert. Das Durchgangsloch 338 überlappt wenigstens teilweise die Durchdringung 324 (beispielsweise ist es axial mit der Durchdringung 324 ausgerichtet) und kann den gleichen oder einen anderen Querschnitt (beispielsweise Durchmesser) wie die Durchdringung 324 aufweisen.
Eine Vielzahl von Öffnungen 339 kann auch in der zweiten Membran 330 ausgebildet sein, damit ein isotropes Ätzmittel (beispielsweise ein Nassätzmittel wie gepufferte Flusssäure) hindurchfließen kann, um Abschnitte der Stützstruktur 314 zu ätzen und zu entfernen, wie zuvor hierin beschrieben. Die Vielzahl der Öffnungen 339 kann beispielsweise mit einem spannungsarmen Siliziumnitrid (LSN) verschlossen werden. Eine Fangstruktur 366 ist unterhalb der Öffnung 339 innerhalb der Kavität 341 angeordnet und mit der zweiten Membran 330 gekoppelt, wie zuvor hierin beschrieben. In einigen Ausführungsformen können die Fangstrukturen 366 aus einem leitenden Material (beispielsweise Polysilizium) gebildet werden. Die zur Bildung der Fangstrukturen 366 verwendete Schicht kann als obere Membranelektrode dienen. In einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Öffnungen 339, die in der zweiten Membran 330 definiert sind, ohne Verwendung der Fangstruktur 366 verschlossen werden.
Wie in 9 gezeigt, ist eine zweite Stützstruktur 624 und eine dritte Stützstruktur 634 in ein Volumen zwischen den Kantenankern 333 und 343 und dem zweiten umlaufenden Rand 331 der zweiten Membran 330 eingebettet. Die zweite Stützstruktur 624 ist zwischen der ersten Membran 620 und der Rückplatte 340 angeordnet und umfasst eine erste Schicht 625 der zweiten Stützstruktur, eine zweite Schicht 626 der zweiten Stützstruktur und eine dritte Schicht 627 der zweiten Stützstruktur. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 625 der zweiten Stützstruktur Siliziumoxid (beispielsweise LPCVD-Siliziumoxid) mit einer Dicke in einem Bereich von 400 nm bis 700 nm (beispielsweise einschließlich 400, 450, 500, 550, 600, 650 oder 700 nm). In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Schicht 626 der Stützstruktur Glas mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 6 Gew.-% bis 8 Gew.% (beispielsweise einschließlich 6, 7 oder 8 Gew.-%) und mit einer Dicke in einem Bereich von 1.000 nm bis 2.000 nm (beispielsweise einschließlich 1.000, 1.100, 1.200, 1.300, 1.400, 1.500, 1.600, 1.700, 1.800, 1.900 oder 2.000 nm). In einigen Ausführungsformen umfasst die dritte Schicht 627 der zweiten Stützstruktur auch Glas mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 3 Gew.-% bis 6 Gew.-% (beispielsweise einschließlich 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5 oder 6 Gew.-%) und eine Dicke in einem Bereich von 1.000 nm bis 2.000 nm aufweist (beispielsweise einschließlich 1.000, 1.100, 1.200, 1.300, 1.400, 1.500, 1.600, 1.700, 1.800, 1.900 oder 2.000 nm).
Die dritte Stützstruktur 634 ist zwischen der zweiten Membran 330 und der Rückplatte 340 angeordnet und umfasst eine erste dritte Stützstruktur-Schicht 635, eine zweite dritte Stützstruktur-Schicht 636 und eine dritte Stützstruktur-Schicht 637. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 635 der dritten Stützstruktur Glas, das einen Phosphorgehalt in einem Bereich von 3 Gew.-% bis 6 Gew.-% (beispielsweise einschließlich 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5 oder 6 Gew.-%) und eine Dicke in einem Bereich von 500 nm bis 1.000 nm (beispielsweise einschließlich 500, 600, 700, 800, 900 oder 1.000 nm) aufweist. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Schicht 636 der dritten Stützstruktur Glas mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 6 Gew.-% bis 8 Gew.-% (beispielsweise einschließlich 6, 7 oder 8 Gew.-%) und mit einer Dicke in einem Bereich von 2.000 nm bis 4.000 nm (beispielsweise einschließlich 1.000, 2.200, 2.400, 2.600, 2.800, 3.000, 3.200, 3.400, 3.600, 3.800 oder 4.000 nm). In einigen Ausführungsformen umfasst die dritte Schicht 637 der Stützstruktur auch Glas, das einen Phosphorgehalt in einem Bereich von 3 Gew.-% bis 6 Gew.-% aufweist (beispielsweise einschließlich 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5 oder 6 Gew.-%) und eine Dicke in einem Bereich von 1.000 nm bis 2.000 nm aufweist (beispielsweise einschließlich 1.000, 1.100, 1.200, 1.300, 1.400, 1.500, 1.600, 1.700, 1.800, 1.900 oder 2.000 nm).
10 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines Akustikwandlers 710 gemäß einer weiteren Ausführungsform. Der Akustikwandler 710 kann beispielsweise einen MEMS-Akustikwandler zur Verwendung in einer MEMS-Mikrofonanordnung oder einem MEMS-Drucksensor umfassen. Der Akustikwandler 710 ist so konfiguriert, dass er elektrische Signale in Reaktion auf akustische Signale oder atmosphärische Druckänderungen erzeugt.
Der Akustikwandler 710 umfasst das Substrat 312 (beispielsweise ein Silizium-, Glas- oder Keramiksubstrat), in dem die erste Öffnung 313 definiert ist. Die Stützstruktur 614, wie zuvor hierin in Bezug auf 9 beschrieben, ist über dem Substrat 312 angeordnet und definiert eine zweite Öffnung 315 dadurch, die axial mit der ersten Öffnung 313 ausgerichtet sein kann, um wenigstens einen Abschnitt eines akustischen Pfades des Akustikwandlers 710 zu definieren.
Der Akustikwandler 710 umfasst die untere oder erste Membran 620, wie zuvor hierin in Bezug auf 9 beschrieben, und eine obere oder zweite Membran 730, die von der ersten Membran 620 beabstandet ist, so dass dazwischen eine Kavität 741 gebildet wird, die einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist, beispielsweise in einem Bereich von 1 mTorr bis 10 Torr oder 1 mTorr bis 1 Torr.
Die Rückplatte 740 befindet sich zwischen der ersten Membran 620 und der zweiten Membran 730 in der Kavität 741. Zumindest ein Abschnitt der ersten Membran 620, beispielsweise in der Nähe eines ersten umlaufenden Randes 621 der ersten Membran 620 und radial einwärts davon, ist auf der Stützstruktur 614 angeordnet. Die erste umlaufende Kante 621 der ersten Membran 620 erstreckt sich über einen Umfang der Stützstruktur 614 hinaus und ist mit dem Substrat 312 gekoppelt. Ferner erstreckt sich eine zweite umlaufende Kante 737 der zweiten Membran 730 in Richtung der ersten umlaufenden Kante 621 und ist mit dieser gekoppelt.
Oberflächen sowohl der ersten Membran 620 als auch der zweiten Membran 730, die sich außerhalb der Kavität 741 befinden, sind der Atmosphäre ausgesetzt, beispielsweise der atmosphärischen Luft. Eine Vielzahl von Blenden 742 sind in der Rückplatte 740 so definiert, dass ein Abschnitt der Kavität 741, der sich zwischen der ersten Membran 620 und der Rückplatte 740 befindet, mit einem zweiten Abschnitt der Kavität 741 zwischen der zweiten Membran 730 und der Rückplatte 740 verbunden ist. Jede der ersten Membranen 620 und der zweiten Membran 730 umfasst nach außen vorstehende Wellungen 622 bzw. 732, wie zuvor hierin beschrieben. In verschiedenen Ausführungsformen können die Wellungen 622 und 732 eine Höhe in einem Bereich von 0,5 Mikrometer bis 5 Mikrometer aufweisen (beispielsweise 0,5, 1, 2, 3, 4 oder 5 Mikrometer einschließlich aller Bereiche und Werte dazwischen), und ein Abstand, gemessen zwischen den flachen Bereichen der Membranen 620, 730, liegt in einem Bereich von 1-15 Mikrometer (beispielsweise 1, 3, 5, 7, 9, 12, 14 oder 15 Mikrometer einschließlich aller Bereiche und Werte dazwischen). Es sollte gewürdigt werden, dass die Wellungen 622, 732 in Umfangsrichtung verlaufen und eine Vielzahl von Wellungen umfassen können.
Die zweite Membran 730 umfasst eine Vielzahl von Stützen 754, die sich von ihr aus in Richtung der ersten Membran 620 durch entsprechende Blenden 742 der Rückplatte 740 erstrecken. In anderen Ausführungsformen können sich die Stützen 754 von der ersten Membran 620 in Richtung der zweiten Membran 730 erstrecken. Die verankerte Stütze 756 erstreckt sich von der ersten Membran 620 in Richtung der zweiten Membran 730 durch eine entsprechende Blende 742 der Rückplatte 740. In der ersten Membran 720 ist eine Durchdringung 324 definiert, und durch einen Scheitelpunkt 737 der verankerten Stütze 756 ist ein Durchgangsloch 738 definiert. Das Durchgangsloch 738 überlappt wenigstens teilweise die Durchdringung 324 (beispielsweise ist es axial mit der Durchdringung 324 ausgerichtet) und kann den gleichen oder einen anderen Querschnitt (beispielsweise Durchmesser) wie die Durchdringung 324 aufweisen.
Eine Vielzahl von Öffnungen 739 kann auch in der zweiten Membran 730 ausgebildet sein, damit ein isotropes Ätzmittel (beispielsweise ein Nassätzmittel wie gepufferte Flusssäure) hindurchfließen kann, um Abschnitte einer Opferschicht, die in der Kavität 741 angeordnet sein kann, zu ätzen und zu entfernen, wie zuvor hierin beschrieben. Die Vielzahl der Öffnungen 739 kann beispielsweise mit einem spannungsarmen Siliziumnitrid (LSN) versiegelt werden. Eine Fangstruktur 766 ist unterhalb der Öffnung 739 innerhalb der Kavität 741 angeordnet und mit der zweiten Membran 730 gekoppelt, wie zuvor hierin beschrieben. In einigen Ausführungsformen kann die Vielzahl von Öffnungen 739, die in der zweiten Membran 730 definiert sind, ohne Verwendung der Fangstruktur 766 abgedichtet werden. In einigen Ausführungsformen können die Fangstrukturen 766 aus einem leitenden Material (beispielsweise Polysilizium) gebildet werden. Die zur Bildung der Fangstrukturen 766 verwendete Schicht kann in doppelter Hinsicht als Elektrode für die zweite Membran 730 dienen.
Anders als die zweite Membran 330 und die Rückenplatte 340 umfassen die zweite Membran 730 und die Rückenplatte 740 keine Kantenanker. Stattdessen erstreckt sich ein umlaufender Rand 737 der zweiten Membran 730 in Richtung des umlaufenden Randes 721 der ersten Membran 620 und ist mit diesem gekoppelt. Eine erste periphere Stützstruktur 324 ist in der Kavität 741 nahe dem umlaufenden Rand 737 der zweiten Membran 730 zwischen der ersten Membran 620 und der Rückplatte 740 angeordnet, und eine zweite periphere Stützstruktur 734 ist in der Kavität 741 nahe dem umlaufenden Rand 737 der zweiten Membran 730 zwischen der zweiten Membran 730 und der Rückplatte 740 angeordnet.
Die erste periphere Stützstruktur 324 umfasst eine erste periphere Stützschicht 725, eine erste periphere Stützschicht 726 und eine erste periphere Stützschicht 727. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 725 der ersten peripheren Stützstruktur Siliziumoxid (beispielsweise LPCVD-Siliziumoxid), das eine Dicke in einem Bereich von 400 nm bis 700 nm (beispielsweise einschließlich 400, 450, 500, 550, 600, 650 oder 700 nm) aufweist, In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Schicht 726 der ersten peripheren Stützstruktur Glas mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 6 Gew.-% bis 8 Gew.-% (beispielsweise einschließlich 6, 7 oder 8 Gew.-%) und mit einer Dicke in einem Bereich von 1.000 nm bis 2.000 nm (beispielsweise einschließlich 1.000, 1.100, 1.200, 1.300, 1.400, 1.500, 1.600, 1.700, 1.800, 1.900 oder 2.000 nm). In einigen Ausführungsformen umfasst die dritte Schicht 727 der ersten peripheren Stützstruktur auch Glas mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 3 Gew.-% bis 6 Gew.-% (beispielsweise einschließlich 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5 oder 6 Gew.-%) und eine Dicke in einem Bereich von 1.000 nm bis 2.000 nm aufweist (beispielsweise einschließlich 1.000, 1.100, 1.200, 1.300, 1.400, 1.500, 1.600, 1.700, 1.800, 1.900 oder 2.000 nm).
Die zweite periphere Stützstruktur 734 umfasst eine erste Schicht der zweiten peripheren Stützstruktur 735, eine zweite Schicht der zweiten peripheren Stützstruktur 736 und eine dritte Schicht der zweiten peripheren Stützstruktur 737. In einigen Ausführungsformen umfasst die erste Schicht 735 der zweiten peripheren Stützstruktur Glas, das einen Phosphorgehalt in einem Bereich von 3 Gew.-% bis 6 Gew.-% (beispielsweise einschließlich 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5 oder 6 Gew.-%) und eine Dicke in einem Bereich von 500 nm bis 1000 nm (beispielsweise einschließlich 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000 nm) aufweist. In einigen Ausführungsformen umfasst die zweite Schicht 736 der peripheren Stützstruktur Glas mit einem Phosphorgehalt in einem Bereich von 6 Gew.-% bis 8 Gew.-% (beispielsweise einschließlich 6, 7 oder 8 Gew.-%) und mit einer Dicke in einem Bereich von 2.000 nm bis 4.000 nm (beispielsweise einschließlich 1.000, 2.200, 2.400, 2.600, 2.800, 3.000, 3.200, 3.400, 3.600, 3.800 oder 4.000 nm). In einigen Ausführungsformen umfasst die dritte Schicht der zweiten peripheren Stützstruktur 737 auch Glas, das einen Phosphorgehalt im Bereich von 3 Gew.-% bis 6 Gew.-% aufweist (beispielsweise einschließlich 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 5,5 oder 6 Gew.-%) und eine Dicke in einem Bereich von 1.000 nm bis 2.000 nm aufweist (beispielsweise einschließlich 1.000, 1.100, 1.200, 1.300, 1.400, 1.500, 1.600, 1.700, 1.800, 1.900 oder 2.000 nm).
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Akustikwandler zum Erzeugen elektrischer Signale als Reaktion auf akustische Signale eine erste Membran mit einer darin ausgebildeten ersten Wellung und eine zweite Membran mit einer darin ausgebildeten zweiten Wellung. Die zweite Membran ist von der ersten Membran beabstandet, so dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, wobei die Kavität einen Druck aufweist, der niedriger ist als der Atmosphärendruck. Eine Rückplatte ist in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet.
In einigen Ausführungsformen ragen sowohl die erste Wellung als auch die zweite Wellung von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran in einer Richtung weg von der Rückplatte nach außen vor.
In einigen Ausführungsformen definiert die Rückplatte wenigstens eine durchgehende Blende, so dass ein Abschnitt der Kavität, der sich zwischen der ersten Membran und der Rückplatte befindet, mit einem Abschnitt der Kavität verbunden ist, der sich zwischen der zweiten Membran und der Rückplatte befindet.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Akustikwandler des Weiteren ein Substrat, das eine erste Öffnung darin definiert, und eine Stützstruktur, die auf dem Substrat angeordnet ist und eine zweite Öffnung definiert, die der ersten Öffnung des Substrats entspricht. Wenigstens ein Abschnitt der ersten Membran ist auf der Stützstruktur angeordnet. In einigen Ausführungsformen umfasst die Stützstruktur eine Phosphosilikatglasschicht.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Akustikwandler des Weiteren eine periphere Stützstruktur, die an der ersten Membran und der zweiten Membran angebracht ist und wenigstens einen Abschnitt eines Umfangs derselben stützt, wobei die periphere Stützstruktur in der Nähe einer Kante der ersten und zweiten Membran angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die periphere Stützstruktur wenigstens eine erste Schicht und eine zweite Schicht, wobei jede der ersten und zweiten Schichten Phosphosilikatglas (PSG) umfasst. In einigen Ausführungsformen weist die erste Schicht einen ersten Phosphorgehalt und die zweite Schicht einen zweiten Phosphorgehalt auf, der sich von dem ersten Phosphorgehalt unterscheidet. In einigen Ausführungsformen weist eine radial innere Seitenwand der peripheren Stützstruktur ein sich verjüngendes Profil auf
In einigen Ausführungsformen umfasst wenigstens eine von der ersten Membran oder der zweiten Membran eine erste Membranschicht und eine zweite Membranschicht, die auf der ersten Membranschicht angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst wenigstens eine von der ersten Membran oder der zweiten Membran eine Spannungsentlastungsstruktur angrenzend an einen Umfang der jeweiligen ersten oder zweiten Membran. Die Spannungsentlastungsstruktur weist eine Dicke auf, die größer ist als die Dicke eines Abschnitts der jeweiligen ersten oder zweiten Membran in der Nähe einer Mitte der jeweiligen ersten oder zweiten Membran. In einigen Ausführungsformen umfasst die Spannungsentlastungsstruktur Phosphosilikatglas, das zwischen zwei Schichten aus Siliziumnitrid eingebettet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Spannungsentlastungsstruktur Siliziumnitrid.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Akustikwandler zum Erzeugen elektrischer Signale als Reaktion auf akustische Signale eine erste Membran und eine zweite Membran, die von der ersten Membran so beabstandet ist, dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, wobei die Kavität einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. Eine Rückplatte ist in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet. Eine Stütze erstreckt sich von der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran durch eine in der Rückplatte definierte Blende. Ein Abschnitt der Stütze ist so konfiguriert, dass er die erste Membran in Reaktion auf eine Bewegung der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran berührt.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Akustikwandler des Weiteren ein Substrat, das eine erste Öffnung darin definiert, und eine Stützstruktur, die auf dem Substrat angeordnet ist und eine zweite Öffnung definiert, die der ersten Öffnung des Substrats entspricht. Wenigstens ein Abschnitt der ersten Membran ist auf der Stützstruktur angeordnet.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Akustikwandler zum Erzeugen elektrischer Signale als Reaktion auf akustische Signale eine erste Membran, die eine erste darin ausgebildete Wellung aufweist, und eine zweite Membran, die eine zweite darin ausgebildete Wellung aufweist, wobei die zweite Membran von der ersten Membran so beabstandet ist, dass dazwischen eine Kavität ausgebildet ist, wobei die Kavität einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. Eine Rückwand ist in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet. Eine Stütze erstreckt sich von der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran durch eine in der Rückplatte definierte Blende. Ein Abschnitt der Stütze ist so konfiguriert, dass er die erste Membran als Reaktion auf die Bewegung der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran berührt.
In einigen Ausführungsformen ragen sowohl die erste Wellung als auch die zweite Wellung von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran nach außen in einer Richtung weg von der Rückplatte.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Akustikwandler des Weiteren eine verankerte Stütze, die sich von der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran durch eine entsprechende Blende in der Rückplatte erstreckt. Ein Scheitelpunkt der verankerten Stütze berührt die erste Membran und ist mit dieser gekoppelt. Eine Durchdringung ist durch den Scheitelpunkt und eine Durchdringung durch die erste Membran definiert, wobei sich die Durchdringung wenigstens teilweise mit der Durchbohrung überlappt.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Akustikwandler des Weiteren ein Substrat, das eine erste Öffnung darin definiert. Eine Stützstruktur ist auf dem Substrat angeordnet und definiert eine zweite Öffnung, die der ersten Öffnung des Substrats entspricht. Wenigstens ein Abschnitt der ersten Membran ist auf der Stützstruktur angeordnet.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Akustikwandler ferner eine periphere Stützstruktur, die an der ersten Membran und der zweiten Membran angebracht ist und wenigstens einen Abschnitt eines Umfangs derselben stützt, wobei die periphere Stützstruktur in der Nähe einer Kante der ersten und zweiten Membran angeordnet ist.
In einigen Ausführungsformen umfasst wenigstens eine von der ersten Membran oder der zweiten Membran des Weiteren eine Spannungsentlastungsstruktur, die an einen Umfang der jeweiligen ersten oder zweiten Membran angrenzt, wobei die Spannungsentlastungsstruktur eine Dicke aufweist, die größer ist als eine Dicke eines Abschnitts der jeweiligen ersten oder zweiten Membran in der Nähe einer Mitte der jeweiligen ersten oder zweiten Membran.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Mikrofonanordnung: eine Basis. Ein Deckel ist auf der Basis positioniert, ein Port ist entweder in der Basis oder im Deckel definiert. Ein Akustikwandler ist auf der Basis positioniert und trennt ein Vordervolumen von einem Rückvolumen der Mikrofonanordnung, wobei das Vordervolumen in Fluidverbindung mit dem Port steht. Der Akustikwandler umfasst eine erste Membran, die eine erste darin ausgebildete Wellung aufweist, und eine zweite Membran, die eine zweite darin ausgebildete Wellung aufweist, wobei die zweite Membran von der ersten Membran so beabstandet ist, dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, wobei die Kavität einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist. Eine Rückwand ist in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet. Eine Stütze erstreckt sich von der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran durch eine in der Rückplatte definierte Blende. Ein Abschnitt der Stütze ist so konfiguriert, dass er die erste Membran als Reaktion auf die Bewegung der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran berührt. Ein integrierter Schaltkreis ist elektrisch mit dem Akustikwandler gekoppelt. Die integrierte Schaltung ist so konfiguriert, dass sie eine phasenverschobene Kapazitätsänderung zwischen der ersten Membran und der Rückplatte und der zweiten Membran und der Rückplatte als Reaktion auf den Empfang eines akustischen Signals durch den Port misst, wobei die phasenverschobene Kapazitätsänderung dem akustischen Signal entspricht.
In einigen Ausführungsformen umfasst eine Druckmessanordnung eine Basis. Ein Deckel ist auf der Basis positioniert, ein Port ist entweder in der Basis oder im Deckel definiert. Ein Akustikwandler ist auf der Basis positioniert und trennt ein Vordervolumen von einem Rückvolumen der Druckmessanordnung, wobei das Vordervolumen in Fluidverbindung mit dem Port steht. Der Akustikwandler umfasst eine erste Membran, die eine erste darin ausgebildete Wellung aufweist, und eine zweite Membran, die eine zweite darin ausgebildete Wellung aufweist, wobei die zweite Membran von der ersten Membran so beabstandet ist, dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, wobei die Kavität einen Druck aufweist, der niedriger als der Atmosphärendruck ist. Eine Rückwand ist in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet. Eine Stütze erstreckt sich von der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran durch eine in der Rückplatte definierte Blende. Ein Abschnitt der Stütze ist so konfiguriert, dass er die erste Membran als Reaktion auf die Bewegung der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran berührt. Ein integrierter Schaltkreis ist elektrisch mit dem Akustikwandler gekoppelt, wobei der integrierte Schaltkreis so konfiguriert ist, dass er eine phasengleiche Kapazitätsänderung zwischen der ersten Membran und der Rückplatte und der zweiten Membran und der Rückplatte in Reaktion auf Änderungen des atmosphärischen Drucks relativ zu einem Druck in der Kavität misst.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren das Bereitstellen eines Substrats; das Ausbilden einer ersten Membran, die an ihrem Umfang an dem Substrat befestigt ist, wobei die erste Membran eine Wellung aufweist, die sich zu dem Substrat hin erstreckt; das Ausbilden einer Rückplatte, die von der ersten Membran in einer Richtung weg von dem Substrat beabstandet ist und an ihrem Umfang an dem Substrat befestigt ist; das Ausbilden einer zweiten Membran, die von der Rückplatte in einer Richtung weg von dem Substrat beabstandet ist und an ihrem Umfang an dem Substrat befestigt ist, wobei die zweite Membran eine Wellung aufweist, die sich von dem Substrat weg erstreckt; und Ausbilden einer Kavität zwischen der ersten und der zweiten Membran unter Verwendung von isotropem Ätzen, um strukturelles Material zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran zu entfernen; Aufbringen einer Dichtungsschicht, um die Kavität so abzudichten, dass die Kavität einen Druck aufweist, der niedriger ist als der atmosphärische Druck; und Ausbilden einer Öffnung in dem Substrat unterhalb der ersten Membran. In einigen Ausführungsformen liegt der Druck in der Kavität in einem Bereich von 1 mTorr bis 1 Torr.
In einigen Ausführungsformen definiert die Rückplatte wenigstens eine Öffnung durch sie hindurch, so dass ein Abschnitt der Kavität, der sich zwischen der ersten Membran und der Rückplatte befindet, mit einem Abschnitt der Kavität verbunden ist, der sich zwischen der zweiten Membran und der Rückplatte befindet
In einigen Ausführungsformen umfasst das Ausbilden der zweiten Membran des Weiteren das Ausbilden einer Stütze in der zweiten Membran, die sich durch eine in der Rückplatte definierte Öffnung in Richtung der ersten Membran erstreckt, wobei ein Abschnitt der Stütze so konfiguriert ist, dass er die erste Membran in Reaktion auf eine Bewegung der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran berührt.
In einigen Ausführungsformen umfasst das Ausbilden der zweiten Membran des Weiteren das Ausbilden einer verankerten Stütze in der zweiten Membran, die sich durch eine entsprechende Öffnung in der Rückplatte in Richtung der ersten Membran erstreckt, wobei ein Scheitelpunkt der verankerten Stütze die erste Membran berührt und mit dieser gekoppelt ist, wobei ein Durchgangsloch durch den Scheitelpunkt und eine Durchdringung durch die erste Membran definiert sind, wobei die Durchdringung wenigstens teilweise mit dem Durchgangsloch überlappt.
In einigen Ausführungsformen umfasst ein Akustikwandler zum Erzeugen elektrischer Signale als Reaktion auf akustische Signale: eine erste Membran, die eine Spannungsentlastungsstruktur angrenzend an einen Umfang der ersten Membran aufweist, wobei die Spannungsentlastungsstruktur eine Dicke aufweist, die größer ist als eine Dicke eines Abschnitts der ersten Membran in der Nähe eines Zentrums der ersten Membran. Eine zweite Membran ist von der ersten Membran beabstandet, um dazwischen eine Kavität zu definieren, wobei der Druck in der Kavität niedriger als der atmosphärische Druck ist. Zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran befindet sich in der Kavität eine Rückwand.
In einigen Ausführungsformen umfasst die Spannungsentlastungsstruktur Phosphosilikatglas, das zwischen zwei Schichten aus Siliziumnitrid eingebettet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die Spannungsentlastungsstruktur Siliziumnitrid.
In einigen Ausführungsformen umfasst der Akustikwandler des Weiteren eine periphere Stützstruktur, die an der ersten Membran und der zweiten Membran angebracht ist und wenigstens einen Abschnitt eines Umfangs derselben stützt, wobei die periphere Stützstruktur in der Nähe einer Kante der ersten und zweiten Membran angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen umfasst die periphere Stützstruktur wenigstens eine erste Schicht und eine zweite Schicht, wobei jede der ersten und zweiten Schichten Phosphosilikatglas (PSG) umfasst. In einigen Ausführungsformen weist die erste Schicht einen ersten Phosphorgehalt auf und die zweite Schicht weist einen zweiten Phosphorgehalt auf, der sich vom ersten Phosphorgehalt unterscheidet.
In einigen Ausführungsformen weist eine radial innere Seitenwand der peripheren Stützstruktur ein sich verjüngendes Profil auf.
Der hier beschriebene Gegenstand veranschaulicht manchmal verschiedene Komponenten, die in verschiedenen anderen Komponenten enthalten oder mit diesen verbunden sind. Es ist zu verstehen, dass solche dargestellten Architekturen nur beispielhaft sind, und dass in der Tat viele andere Architekturen implementiert werden können, die die gleiche Funktionalität erreichen. In einem konzeptionellen Sinne ist jede Anordnung von Komponenten, die die gleiche Funktionalität erreichen, effektiv „verbunden“, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird. Daher können zwei beliebige Komponenten, die hier kombiniert werden, um eine bestimmte Funktionalität zu erreichen, als „miteinander verbunden“ angesehen werden, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird, unabhängig von Architekturen oder intermedialen Komponenten. Ebenso können zwei beliebige Komponenten, die auf diese Weise miteinander verbunden sind, als „funktionsfähig verbunden“ oder „funktionsfähig gekoppelt“ betrachtet werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen, und zwei beliebige Komponenten, die auf diese Weise miteinander verbunden werden können, können auch als „funktionsfähig koppelbar“ betrachtet werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Spezifische Beispiele für „operabel koppelbar“ umfassen, sind aber nicht beschränkt auf physisch koppelbare und/oder physisch interagierende Komponenten und/oder drahtlos interagierende und/oder drahtlos interagierende Komponenten und/oder logisch interagierende und/oder logisch interagierbare Komponenten.
In Bezug auf die Verwendung von im Wesentlichen allen Begriffen im Plural und/oder Singular hierin können Personen, die über Fachkenntnisse in der Technik verfügen, vom Plural in den Singular und/oder vom Singular in den Plural übersetzen, wie es für den Kontext und/oder die Anwendung angemessen ist. Die verschiedenen Singular/Plural-Permutationen können hier der Klarheit halber ausdrücklich aufgeführt werden.
Es wird von denjenigen, die in der Technik sind, verstanden, dass im Allgemeinen Begriffe, die hier verwendet werden, und insbesondere in den beigefügten Ansprüchen (beispielsweise Körper der beigefügten Ansprüche) sind im Allgemeinen als „offene“ Begriffe (beispielsweise der Begriff „einschließlich“ sollte als „einschließlich, aber nicht beschränkt auf“, der Begriff „mit“ sollte als „mit wenigstens“, der Begriff „umfasst“ sollte als „umfasst, aber ist nicht beschränkt auf‟, usw.).
Es wird des Weiteren von denjenigen in der Technik verstanden werden, dass, wenn eine bestimmte Anzahl eines eingeführten Anspruchsrekurses beabsichtigt ist, eine solche Absicht explizit im Anspruch rezitiert wird, und in Abwesenheit einer solchen Aussage keine solche Absicht vorliegt. Zum Beispiel können die folgenden beigefügten Ansprüche als Verständnishilfe die Verwendung der einleitenden Phrasen „wenigstens eine“ und „eine oder mehrere“ enthalten, um Anspruchserwähnungen einzuführen. Die Verwendung solcher Ausdrücke sollte jedoch nicht dahingehend ausgelegt werden, dass die Einführung eines Anspruchs durch die unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ einen bestimmten Anspruch, der einen solchen eingeführten Anspruchsanspruch enthält, auf Erfindungen beschränkt, die nur einen solchen Anspruch enthalten, selbst wenn derselbe Anspruch die einleitenden Ausdrücke „einer oder mehrere“ oder „wenigstens einer“ und unbestimmte Artikel wie „ein“ oder „eine“ umfasst (beispielsweise, „eine“ und/oder „ein“ sollten typischerweise so interpretiert werden, dass sie „wenigstens eines“ oder „eines oder mehrere“ bedeuten); dasselbe gilt für die Verwendung bestimmter Artikel, die zur Einleitung von Anspruchsformulierungen verwendet werden. Auch wenn eine bestimmte Anzahl von eingeleiteten Ansprüchen explizit genannt wird, erkennt der Fachmann in der Technik, dass eine solche Nennung typischerweise so interpretiert werden sollte, dass wenigstens die genannte Anzahl gemeint ist (beispielsweise bedeutet die bloße Nennung von „zwei Nennungen“ ohne andere Modifikatoren typischerweise wenigstens zwei Nennungen oder zwei oder mehr Nennungen).
Darüber hinaus ist in den Fällen, in denen eine Konvention analog zu „wenigstens eines von A, B und C usw.“ verwendet wird, im Allgemeinen eine solche Konstruktion in dem Sinne beabsichtigt, wie ein Fachmann in der Technik die Konvention verstehen würde (beispielsweise würde „ein System, das wenigstens eines von A, B und C aufweist“ Systeme umfassen, 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. aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt). In den Fällen, in denen eine Konvention analog zu „wenigstens eines von A, B oder C usw.“ verwendet wird, ist eine solche Konstruktion im Allgemeinen in dem Sinne gemeint, wie ein Fachmann die Konvention verstehen würde (beispielsweise würde „ein System mit wenigstens einem von A, B oder C“ Systeme umfassen, 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. aufweisen). Des Weiteren versteht der Fachmann, dass praktisch jedes disjunktive Wort und/oder jeder disjunktive Satz, der zwei oder mehr alternative Begriffe enthält, sei es in der Beschreibung, in den Ansprüchen oder in den Zeichnungen, so zu verstehen ist, dass er die Möglichkeit umfasst, einen der Begriffe, einen der Begriffe oder beide Begriffe einzubeziehen. Zum Beispiel soll die Formulierung „A oder B“ die Möglichkeiten „A“ oder „B“ oder „A und B“ umfassen. Des Weiteren bedeutet, sofern nicht anders vermerkt, die Verwendung der Begriffe „ungefähr“, „etwa“, „circa“, „im Wesentlichen“ usw., plus oder minus zehn Prozent.
Die vorstehende Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen wurde zum Zwecke der Veranschaulichung und der Beschreibung dargestellt. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend oder einschränkend in Bezug auf die genaue Ausführungsform offenbart werden, und Modifikationen und Variationen sind möglich im Lichte der obigen Lehren oder können aus der Praxis der offenbaren Ausführungsformen erworben werden. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/742153 [0001]

Claims

Akustikwandler zum Erzeugen elektrischer Signale in Reaktion auf akustische Signale, umfassend: eine erste Membran, die eine erste darin ausgebildete Wellung aufweist; eine zweite Membran mit einer darin ausgebildeten zweiten Wellung, wobei die zweite Membran von der ersten Membran so beabstandet ist, dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, die einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist; eine Rückwand, die in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist; und eine oder mehrere Stützen, die sich von wenigstens einer der ersten Membran oder der zweiten Membran in Richtung der anderen der ersten Membran oder der zweiten Membran durch eine entsprechende Blende erstrecken, die in der Rückplatte definiert ist, wobei die eine oder die mehreren Stützen so konfiguriert sind, dass sie verhindern, dass sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran die Rückplatte aufgrund einer Bewegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der Rückplatte berühren, wobei sowohl die erste Wellung als auch die zweite Wellung von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran in einer Richtung weg von der Rückplatte nach außen ragen.
Akustikwandler nach Anspruch 1, wobei jede der ersten Membran und der zweiten Membran eine Vielzahl von nach außen vorstehenden Wellungen umfasst.
Akustikwandler nach Anspruch 1, wobei sich der eine oder die mehreren Stützen von der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran erstrecken, so dass eine Spitze des einen oder der mehreren Stützen auf der ersten Membran angeordnet und mit dieser gekoppelt ist.
Akustikwandler nach Anspruch 1, wobei sich der eine oder die mehreren Stützen von der zweiten Membran zu der ersten Membran erstrecken, so dass eine Spitze des einen oder der mehreren Stützen von der ersten Membran beabstandet ist, wobei die Spitze so konfiguriert ist, dass sie die erste Membran als Reaktion auf eine Bewegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der anderen berührt.
Akustikwandler nach Anspruch 1, der des Weiteren eine verankerte Stütze umfasst, die sich von der zweiten Membran in Richtung der ersten Membran durch eine entsprechende Blende in der Rückplatte erstreckt, wobei ein Scheitelpunkt der verankerten Stütze die erste Membran berührt und mit dieser gekoppelt ist, wobei ein Durchgangsloch durch den Scheitelpunkt und eine Durchdringung durch die erste Membran definiert sind, wobei sich die Durchdringung wenigstens teilweise mit dem Durchgangsloch überlappt.
Akustikwandler nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: ein Substrat, das eine erste Öffnung darin definiert; und eine Stützstruktur, die auf dem Substrat angeordnet ist und eine zweite Öffnung definiert, die der ersten Öffnung des Substrats entspricht, wobei wenigstens ein Abschnitt der ersten Membran auf der Stützstruktur angeordnet ist.
Akustikwandler nach Anspruch 6, wobei die Stützstruktur eine Glasschicht umfasst, die keinen Phosphor oder einen Phosphorgehalt in einem Bereich von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% aufweist.
Akustikwandler nach Anspruch 1, der des Weiteren eine periphere Stützstruktur umfasst, die an wenigstens einem Abschnitt eines Umfangs der ersten Membran und/oder der zweiten Membran angebracht ist und diesen stützt, wobei die periphere Stützstruktur in der Nähe einer Kante der ersten und zweiten Membran angeordnet ist.
Akustikwandler nach Anspruch 8, wobei die periphere Stützstruktur wenigstens eine erste Schicht und eine zweite Schicht umfasst, wobei sowohl die erste Schicht als auch die zweite Schicht Glas umfasst, das keinen Phosphor oder einen Phosphorgehalt in einem Bereich von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% aufweist.
Akustikwandler nach Anspruch 9, wobei die erste Schicht einen ersten Phosphorgehalt aufweist und die zweite Schicht einen zweiten Phosphorgehalt aufweist, der sich von dem ersten Phosphorgehalt unterscheidet.
Akustikwandler nach Anspruch 10, wobei eine radial innere Seitenwand der peripheren Stützstruktur ein sich verjüngendes Profil aufweist.
Akustikwandler nach Anspruch 1, wobei wenigstens die erste Membran und/oder die zweite Membran eine erste Membranschicht und eine zweite Membranschicht umfasst, die auf der ersten Membranschicht angeordnet ist.
Akustikwandler nach Anspruch 1, wobei wenigstens die erste Membran und/oder die zweite Membran des Weiteren eine Spannungsentlastungsstruktur angrenzend an einen Umfang der jeweiligen ersten oder zweiten Membran umfasst, wobei die Spannungsentlastungsstruktur eine Dicke aufweist, die größer ist als eine Dicke eines Abschnitts der jeweiligen ersten oder zweiten Membran in der Nähe einer Mitte der jeweiligen ersten oder zweiten Membran.
Akustikwandler nach Anspruch 13, wobei die Spannungsentlastungsstruktur Glas umfasst, das zwischen zwei Schichten aus Siliziumnitrid eingebettet ist, wobei das Glas keinen Phosphor oder einen Phosphorgehalt in einem Bereich von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% aufweist.
Akustikwandler nach Anspruch 13, wobei die Spannungsentlastungsstruktur Siliziumnitrid umfasst.
Akustikwandler nach Anspruch 1, wobei ein Druck in der Kavität in einem Bereich von 1 mTorr bis 1 Torr liegt.
Akustikwandler nach Anspruch 1, der des Weiteren Überdruckanschläge umfasst, die in wenigstens einer der ersten Membran, der zweiten Membran oder der Rückplatte ausgebildet sind.
Mikrofonanordnung, umfassend: eine Basis; einen Deckel, der auf der Basis positioniert ist, einen Port, der entweder in der Basis oder im Deckel definiert ist; einen Akustikwandler, der auf der Basis oder dem Deckel angeordnet ist und ein Vordervolumen von einem Rückvolumen der Mikrofonanordnung trennt, wobei das Vordervolumen in Fluidverbindung mit dem Port steht, wobei der Akustikwandler umfasst: eine erste Membran, die eine erste darin ausgebildete Wellung aufweist, eine zweite Membran mit einer darin ausgebildeten zweiten Wellung, wobei die zweite Membran von der ersten Membran beabstandet ist, so dass dazwischen eine Kavität gebildet wird, die einen Druck aufweist, der niedriger ist als der atmosphärische Druck, eine Rückplatte, die in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist, und eine oder mehrere Stützen, die sich von wenigstens der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der anderen der ersten Membran oder der zweiten Membran durch eine entsprechende Blende erstrecken, die in der Rückplatte definiert ist, wobei die eine oder die mehreren Stützen so konfiguriert sind, dass sie verhindern, dass sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran die Rückplatte aufgrund einer Bewegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der Rückplatte berühren, wobei sowohl die erste Wellung als auch die zweite Wellung von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran in einer Richtung weg von der Rückplatte nach außen ragen; und einen integrierten Schaltkreis, der elektrisch mit dem Akustikwandler gekoppelt ist, wobei der integrierte Schaltkreis so konfiguriert ist, dass er eine Kapazitätsänderung zwischen der ersten Membran und der Rückplatte und der zweiten Membran und der Rückplatte in Reaktion auf den Empfang eines akustischen Signals durch den Port misst, wobei die Kapazitätsänderung dem akustischen Signal entspricht.
Akustikwandler zum Erzeugen elektrischer Signale in Reaktion auf akustische Signale, umfassend eine erste Membran, die eine erste darin ausgebildete Wellung aufweist; eine zweite Membran mit einer darin ausgebildeten zweiten Wellung, wobei die zweite Membran von der ersten Membran so beabstandet ist, dass dazwischen eine Kavität ausgebildet ist, die einen Druck aufweist, der niedriger als der atmosphärische Druck ist; eine Rückplatte, die in der Kavität zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist; eine oder mehrere Stützen, die sich von wenigstens der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der anderen der ersten Membran oder der zweiten Membran durch eine entsprechende Blende erstrecken, die in der Rückplatte definiert ist, wobei die eine oder die mehreren Stützen so konfiguriert sind, dass sie verhindern, dass sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran die Rückplatte aufgrund einer Bewegung der ersten Membran und/oder der zweiten Membran in Richtung der Rückplatte berühren; eine periphere Stützstruktur, die an der ersten Membran und der zweiten Membran angebracht ist und wenigstens einen Abschnitt eines Umfangs derselben stützt, wobei die periphere Stützstruktur in der Nähe einer Kante der ersten und zweiten Membran angeordnet ist; ein Substrat, das eine erste Öffnung darin definiert; und eine Stützstruktur, die auf dem Substrat angeordnet ist und eine zweite Öffnung definiert, die der ersten Öffnung des Substrats entspricht, wobei wenigstens ein Abschnitt der ersten Membran auf der Stützstruktur angeordnet ist, wobei sowohl die erste Wellung als auch die zweite Wellung von der ersten Membran bzw. der zweiten Membran in einer Richtung weg von der Rückplatte nach außen ragen.
Akustikwandler nach Anspruch 19, wobei sowohl die erste Membran als auch die zweite Membran eine Vielzahl von nach außen vorstehenden Wellungen umfassen.
Akustikwandler nach Anspruch 19, wobei die periphere Stützstruktur eine Vielzahl von Schichten umfasst, wobei jede der Vielzahl von Schichten Glas umfasst, das keinen Phosphor oder einen Phosphorgehalt in einem Bereich von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.% aufweist.