DE19900969C2

DE19900969C2 - Schlitzmikrofon

Info

Publication number: DE19900969C2
Application number: DE19900969A
Authority: DE
Inventors: Axel Stoffel; Zdenek Skvor
Original assignee: Fachhochschule Furtwangen
Current assignee: Fachhochschule Furtwangen
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1999-01-13
Publication date: 2003-08-28
Anticipated expiration: 2019-01-14
Also published as: US6249586B1; DE19900969A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Miniaturmikrofon, das vorzugsweise auf Siliziumtechnik basiert und das vorzugsweise mit mikrome chanischen Methoden hergestellt wird.

Mikrofone wandeln Schallwellen in elektrische Signale. Ver schiedene Anwendungen benötigen Mikrofone von sehr kleiner Größe wie z. B. Hörgeräte oder Ansteckmikrofone.

Ein Festkörperminiatur-Kondensatormikrofon mit gu ter Empfindlichkeit wird in der US 5,490,220 offenbart. Die ses umfaßt eine feststehende perforierte Rückplatte, die eine fest Elektrode in einem parallelen Plattenkondensator bildet, eine auf einfallende Schalldruckwellen empfindliche Membran, die eine bewegbare Platte in der Parallelplattenkondensator- Anordnung bildet, Halter, um die Membran bezüglich der Rück seite ohne merkliche Spannung auf die Membran aufzubringen zu halten und eine FET-Schaltungsanordnung, welche einen Ausgang vorsieht, der proportional zur Änderung der Kapazität des Kondensators ist, wenn sich die Membran relativ zu der Rück seite bewegt.

Die Verkleinerung führt in Mikrofonen jedoch oft zu geringe ren Ausgangssignalen, denn die Verkleinerung des Mikrofons bedingt in der Regel auch eine Reduzierung der Größe der Mem bran.

Die Miniaturisierung von auf Siliziumtechnik beruhen den Mikrofonen wurde durch mikromechanische Methoden ermöglicht. Dadurch ist es möglich geworden, die Größe der Mikrofonmembranen auf weniger als 1 mm² zu reduzieren. Die Empfindlichkeit dieser Mikrofone ist typisch kleiner als 1 mV/Pa. Derzeitige Techniken erlauben es, Mikrofone und elektrische Schaltkreise gleichzeitig auf einem Chip herzustellen. Dadurch ist es möglich, das sehr kleine Ausgangssignal unmittelbar an der Stelle der Signalerzeu gung zu verstärken und so das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbes sern. Bei allen bekannten Mikrofonen, die diese Technik verwenden, wird - um die Empfindlichkeit des Mikrofons zu vergrößern - eine Konfiguration benutzt, bei der die Membran senkrecht zur Einfalls richtung des Schalls aufgespannt ist.

Diese Technologie hat jedoch trotz Verwendung der Silizium-Chip- Technik den Nachteil, daß die Chipfläche nicht so klein ausgeführt werden kann, wie dies an sich möglich wäre, da sonst das Ausgangs signal zu klein (und das Signal-Rausch-Verhältnis sehr schlecht) würde, weil die Membranfläche kleiner als 1 mm² wäre. Zusätzlich ist die Membran von einem Rahmen umgeben, der die Membran stützt; die Schaltkreise für die elektrische Verstärkung erfordern zusätz lichen Platzbedarf, um innerhalb des Rahmens untergebracht werden zu können, so daß die aktive Oberfläche des Mikrofons nicht klei ner als einige Quadratmillimeter sein kann.

Im Gegensatz zum bekannten Stand der Technik benutzt das neuartige auf Siliziumtechnik basierende Schlitzmikrofon eine völlig neue Anordnung für Membran und Elektronik, so daß die mit den großen Oberflächen verbundenen Probleme gelöst werden können. Mit diesem Schlitzmikrofon wird trotz geringerer Frontflächen ein sehr gutes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht.

Der Kern der vorliegenden Erfindung ist primär darin zu sehen, daß das Mikrofonsystem folgende Merkmale und Elemente aufweist:

- eine erste Substratplatte mit einer ersten Breite,
- eine der ersten Substratplatte mit einem ersten Abstand gegen überliegende zweite Substratplatte,
- eine in der ersten Substratplatte integrierte akustische Mem bran, und
- erste Abstandshalter, die zwischen der ersten und der zweiten Substratplatte, und zwar zur Gewährleistung des ersten Abstands einerseits und zur Definition eines Luftspalts zwischen der er sten und der zweiten Substratplatte andererseits angeordnet sind, wobei der erste Abstand kleiner ist als die erste Breite.

Dadurch wird zwischen den beiden Substratplatten ein Schallwellen leiter gebildet, der eine einfallende Schallwelle beziehungsweise ein einfallendes akustisches Signal so auf die Membran einkoppelt, daß diese die Schallwelle zu detektieren vermag. Die Anordnung des neuartigen Mikrofons ermöglicht es, sehr kleine rechteckige oder runde bewegliche Membranen (Diaphragmen oder Plattenelektroden) einzusetzen, deren Flächen typischerweise zwischen 0,2 × 0,2 mm und 0,5 × 0,5 mm² liegen. Die Membran ist der akustisch aktive Teil des Übertragers und ist zusammen mit anderen Teilen des Sy stems auf einem Substrat aufgebracht, so daß die Membran direkt vom Schallfeld beaufschlagt wird. Die Membran ist an der Frontsei te eines Übertragers angeordnet und die Substratplatte selbst legt die Größe der gesamten Mikrofonanordnung fest. Die Druckempfind lichkeit des Übertragers hängt dabei von der effektiven Größe der Membran ab. Dadurch daß die Membran parallel zur Längsrichtung des Luftspaltes liegt, ist es möglich, eine Vielzahl von Membranen auf dem Substrat anzubringen und dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, wobei gleichzeitig die insgesamt kleine Frontfläche der Mikrofonanordnung erhalten bleibt.

In einer bevorzugten Anordnung des Mikrofons schließt ein erster Abstandshalter das eine Ende des Luftspaltes ab. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß ein konstanter Abstand zwischen den beiden Substratplatten eingehalten werden kann, wobei Platz für die elek tronischen Signalverarbeitungsschaltungen, sowie für die Anschlüs se der elektrischen Ein- und Ausgangssignale verbleibt.

In einer weiteren Verbesserung dieser Anordnung sind die ersten Abstandshalter so angebracht, daß eine dem ersten Ende benachbarte erste Seite des Luftspalts und eine dem ersten Ende benachbarte und gegenüber der ersten Seite geschlossene zweite Seite des Luftspalts geschlossen werden. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, daß der akustische Eingang zum Luftspalt sich an einer Frontseite der Anordnung befindet, so daß sich ein definiertes ge schlossenes Wellenleitersystem für den Durchgang der akustischen Schallwelle durch den Luftspalt bildet.

Eine bevorzugte Anordnung der Erfindung enthält eine Vielzahl von Membranen, die auf der ersten Substratplatte integriert sind. Die se Anordnung hat den Vorteil, daß dadurch die schallempfindliche Fläche vergrößert wird, ohne daß hierzu die Frontfläche des Mikro fons vergrößert werden muß.

Zusätzlich kann auch auf der anderen Substratplatte eine Vielzahl von Membranen integriert werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß beide Substratplatten akustisch aktiv sind und so ein größerer Teil der gesamten inneren Fläche des Luftspalts zur Wandlung einer akustischen Druckwelle in elektrische Signalen genutzt werden kann. Dadurch wird die Empfindlichkeit der Anordnung weiter ge steigert.

Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Anordnung umfaßt eine Stapelanordnung von Mikrofonstrukturen. Dabei ist eine Viel zahl von Substratplatten vorgesehen, die jeweils paarweise einen Luftspalt definieren und durch Abstandshalter separiert sind. Sämtliche jeweils einen Luftspalt definierenden Substratplatten können mit akustisch aktiven Membranen ausgestattet sein, so daß eine maximale Nutzung der Innenflächen der Luftspalte zur Detekti on einfallender akustischer Schallwellen erreicht wird. Diese An ordnung kann man sich so vorstellen, als ob eine dritte Platte mit einer dritten Breite vorhanden sei, die auf die ersten und zweiten Platten aufgestapelt sind und die eine dritte Mehrzahl von akusti schen Membranen umfassen; gleichermaßen ist dies für eine Konfigu ration mit einer vierten Platte vorstellbar. In diesem Falle sind zweite Abstandsmittel zwischen den dritten und den vierten Platten vorgesehen, um die vierte Platte in einem zweiten Abstand zur dritten Platte zu fixieren. Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Weite des Luftspalts wesentlich kleiner ist als es der Breite einer typischen bzw. charakteristischen Dimension der Platten ent spricht.

Vorzugsweise werden alle Substratplatten auf der Grundlage der Siliziumtechnologie hergestellt. Diese Methodik erlaubt es, daß Weiterentwicklungen der Siliziumtechnologie im Hinblick auf die Miniaturisierung, insbesondere mikromechanische Technologien ge nutzt werden können, um mechanische und elektronische Bauteile auf einem Siliziumsubstrat herzustellen.

Eine weitere Anordnung des Mikrofons ermöglicht den Abstand zwi schen den beiden Substratplatten über die Länge der Substratplat ten zu ändern. Dadurch können die akustischen Eigenschaften des Wellenleiters für bestimmte Anwendungen maßgeschneidert werden, um zum Beispiel Dämpfungseffekte längs des Wellenleiters zu kompen sieren.

Eine bevorzugte Anwendung verwendet eine runde akustische Membran, die einen Durchmesser zwischen 0,2 und 0,5 m² aufweist oder eine rechteckig akustische Membran, die eine Größe zwischen 0,2 × 0,2 und 0,5 × 0,5 mm² aufweist. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Membran mit den zur Verfügung stehenden mikromechanischen Technologien hergestellt und bearbeitet werden kann.

Weiterhin ist es möglich, ein akustisch durchlässiges Material zwischen die beiden Substratplatten einzubringen, um den Luftspalt zu schützen, zu isolieren oder zu definieren. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß Staub und andere Fremdkörper davon abgehalten werden, zu den empfindlichen Bauteilen zu gelangen; dadurch soll insbesondere die im Luftspalt angeordnete Membran geschützt wer den.

Gemäß einem verbesserten Ausführungsbeispiel kann das akustisch durchlässige Material einen bestimmten akustischen Widerstand auf weisen. Dies hat den Vorteil, daß das akustisch durchlässige Mate rial eine zweifache Wirkung hat: Einerseits hat sie eine Schutz funktion und andererseits hat sie bestimmte akustische Eigenschaf ten.

In einer bevorzugten Anordnung des Mikrofons liegt der erste Ab stand des Luftspaltes zwischen 70 µm und 300 µm, während die Brei te zwischen 1 mm und 2 mm liegt. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß trotz sehr kleiner Frontfläche eine hohe akustische Empfind lichkeit erreicht wird, sofern die Membranen wie in der Anordnung beschrieben angeordnet sind.

Weitere Vorteile können der Beschreibung sowie den beiliegenden Zeichnungen entnommen werden

Fig. 1 zeigt die perspektivische Darstellung der Erfindung mit einem Luftspalt, der an der Frontseite, sowie an den beiden Seiten offen und an einem Ende geschlossen ist;

Fig. 2 zeigt eine Anordnung ähnlich der aus Fig. 1 mit einer Viel zahl akustisch empfindlicher Membranen;

Fig. 3 zeigt eine Anordnung ähnlich der in Fig. 2 mit zwei paral lelen Reihen von akustisch empfindlichen Membranen, die in nerhalb des Spaltes angeordnet sind;

Fig. 4 zeigt einen Längsschritt einer weiteren Anordnung mit einer Vielzahl von gestapelten Luftspalten sowie von akustisch empfindlichen Membranen auf beiden Seiten der Luftspalte;

Fig. 5 zeigt die perspektivische Darstellung einer weiteren Anord nung des Mikrofons, wobei die Seiten des akustischen Wel lenleiters geschlossen sind.

In den verschiedenen Darstellungen sind jeweils gleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen belegt.

Der Aufbau eines erfindungsgemäßen Mikrofons ist in Fig. 1 darge stellt: Eine Substratplatte 1 weist eine rechteckige, quadrati sche, runde oder anderweitig geformte Membran 2 auf, die empfind lich auf Schallwellen reagiert. Die Substratplatte 1 und die Mem bran 2 sind benachbart zu einer Schutzplatte 3 angeordnet. Gegen über der Oberseite der Membran 2 befindet sich benachbart eine weitere Substratplatte 4. Die Substratplatte 1 und die benachbarte gegenüberliegende Substratplatte 4 bilden einen Spalt 5 mit defi niertem Abstand, in dessen Zwischenraum sich Luft befindet und der auf diese Weise den akustischen Wellenleiter bildet. Der Luftspalt 5 kann an der Frontseite und/oder an den Seiten 8 und 9 offen sein, um so Schallwellen den Eintritt in den Luftspalt 5 zu ermög lichen; dieser Eintritt kann von der Frontseite 7 her und/oder von mindestens einer der beiden Seiten 8, 9 her erfolgen.

Wenn eine akustische Druckwelle aus der Richtung des Pfeils 6 in den Luftspalt 5 einfällt, wird sie durch diesen Luftspalt 5 wei tergeleitet und verursacht Druckschwankungen auf der Membran 2, die in elektrische Signale umgewandelt werden. Der solchermaßen definierte Luftspalt 5 ist am einen Ende durch einen Block 10 ge schlossen, und zwar an dem Ende, das der Einfallsrichtung (Pfeil 6) der akustischen Wellen gegenüberliegt. Dieser Block 10 kann elektrische Schaltkreise zur Signalverarbeitung enthalten. Der elektrische Eingangs- und Ausgangs-Anschluß zum System entspre chend Fig. 1 erfolgt über die Ein-/Ausgangsleitungen 11.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung ähnlich der von Fig. 1 mit einer Viel zahl von Membranen 12, 13 und 14 auf der Substratplatte 1. zusätz lich kann eine akustisch durchlässige Schutzschicht 50 längs der offenen Seiten des Luftspaltes angebracht werden, um die Innensei te des Luftspaltes von Staub und anderen Objekten freizuhalten, während die Schutzschicht durchlässig für akustische Druckwellen bleibt. Die Anordnung nach Fig. 2 ermöglicht es, eine Vielzahl akustisch empfindlicher Membranen in Längsrichtung anzuordnen, oh ne daß dadurch die Breite der Anordnung zunimmt.

Die Anordnung nach Fig. 3 ermöglicht es, weitere Mikrofone 15, 16, 17, 18 sowie 19, 20, 21 und 22 parallel zueinander in mehreren Reihen anzuordnen. Dadurch wird fast die gesamte innere Oberfläche des Luftspaltes der Substratplatte 1 als akustisch empfindliche Fläche für die Detektion akustischer Signale verwendet.

Fig. 4 zeigt eine Ergänzung dieses Konzepts in Gestalt einer Sta pelanordnung mehrerer aktiver Substrate 1, 23, 24 und 25. Die Sub stratplatte 1 umfaßt die akustischen Membranen 28, 29, 30 und 31; die Substratplatte 23 enthält die Membranen 32, 33, 34 und 35; die Substratplatte 24 die Membranen 36, 37, 38 und 39 und die Sub stratplatte 25 die Membranen 40, 41, 42 und 43. Die Schutzplatte 3 sitzt auf der unteren Substratplatte 1 und eine weitere Schutz platte 26 sitzt auf der oberen Substratplatte 25, wodurch sich ei ne Sandwichstruktur ergibt, die zwei Luftspalte 27 und 7 zwischen den Substraten 25, 24 und 23, 1 enthält. Dadurch bleibt die Höhe der Anordnung klein, aber durch die besondere Stapelstruktur wird die akustische Empfindlichkeit weiter gesteigert.

Fig. 5 zeigt die perspektivische Ansicht einer weiteren Anordnung, wobei das Mikrofon geschlossene Seitenwände aufweist. In dieser Anordnung besitzt die obere Substratplatte 4 geschlossene Seiten wände und bildet dadurch einen definierten Luftspalt 5 aus, in den die einfallende Schallwelle entsprechend der Richtung des Pfeils 6 eindringt. Eine Vielzahl akustischer Membranen 12, 13 und 14 sind auf der Substratplatte 1 integriert. Integrierte Schaltkreis 10 befinden sich auf der Substratplatte 1 außerhalb der Fläche der Deckplatte 4, die den Schallwellenleiter und die Membranen ab deckt; diese Schaltkreise verarbeiten die elektrischen Signale der Membranen 12, 13 und 14. Die elektrischen Aus-/Eingangssignale werden bei dieser Anordnung über die Ein-/Ausgangsleitungen (Si gnalleitungen) 11 übertragen, die in der Nähe der integrierten Schaltkreise 10 angeordnet sind.

Claims

1. Mikrofon, bei dem vorgesehen ist, daß eine erste Substratplatte mit einer ersten bestimmten Breite und mit einer in dieser ersten Substratplatte integrierten akustischen Membran vorhanden ist,
daß der ersten Substratplatte in einem ersten Abstand eine zweite Substratplatte gegenüber liegt, und
daß zwischen der ersten Substratplatte und der zweiten Substratplatte ein erster Abstandshalter angeordnet ist, der die erste Substratplatte in einem ersten Ab stand zur zweiten Substratplatte hält,
so daß ein definierter Luftspalt zwischen diesen beiden Substratplatten entsteht,
wobei der erste Abstand kleiner ist als die erste Brei te,
so daß eine Schallwelle, die in diesen Luftspalt eintritt zwischen den beiden Substratplatten weitergeleitet und von der akustischen Membran detek tiert wird.

2. Mikrofon nach Anspruch 1, wobei der erste Abstandshalter ein erstes Ende des Luftspalts abschließt.

3. Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Abstandshalter elektronische Bauelemente für die Si gnalverarbeitung des akustischen Signals aufweist.

4. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der erste Abstandshalter eine erste dem ersten Ende be nachbarten Seite des Luftspalts und eine zweite, dem ersten Ende benachbarte und der ersten Seite gegenüberliegende Seite abschließt.

5. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem auf der ersten Substratplatte eine Vielzahl von Mem branen integriert ist.

6. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem auf der zweiten Substratplatte eine oder eine Vielzahl von Membranen integriert ist.

7. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem eine dritte Substratplatte mit einer dritten Breite vorgesehen ist, die über der ersten und der zweiten Substrat platte gestapelt ist und eine dritte Mehrzahl von akustischen Membranen aufweist,
bei dem eine vierte Substratplatte oberhalb und in einem zwei ten Abstand zur dritten Substratplatte vorgesehen ist und die vierte Substratplatte eine vierte Mehrzahl von akustischen Membranen aufweist, und
bei denen ein zweiter Abstandshalter vorgesehen ist, der zwi schen der dritten und der vierten Substratplatte eingefügt ist, um die vierte Substratplatte in einem zweiten Abstand über der dritten Substratplatte zu halten, wobei der zweite Abstand kleiner ist als die dritte Breite.

8. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Substratplatten auf Silizumbasis hergestellt sind.

9. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der erste Abstand längs der ersten Substratplatte vari iert.

10. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die akustische Membran rund ist und einen Durchmesser zwischen 0,2 und 0,5 mm aufweist.

11. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die akustische Membran rechteckig ist und Seitenlängen zwischen 0,2 und 0,5 mm aufweist.

12. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zusätzlich ein akustisch durchlässiges Material vorgese hen ist, das in einem oder mehreren Luftspalten zwischen den Substratplatten eingebracht ist, um den Luftspalt zu schützen, sowie zu isolieren und im bestimmten Abstand zu fixieren.

13. Mikrofon nach Anspruch 12, wobei dieses akustisch durchlässige Material eine definierte akustische Impedanz aufweist, um gewünschte akustische Eigen schaften zu gewährleisten.

14. Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der erste Abstand zwischen 50 µm und 300 µm liegt und wobei die Breite des Luftspaltes zwischen 1 mm und 2 mm liegt.