DE60003441T2

DE60003441T2 - Druckwandler

Info

Publication number: DE60003441T2
Application number: DE60003441T
Authority: DE
Inventors: Matthias Müllenborn; U. Peter SCHEEL; Hermann Pirmin ROMBACH
Original assignee: SonionMems AS; Sonion Mems AS
Current assignee: Epcos Pte Ltd
Priority date: 1999-09-06
Filing date: 2000-09-06
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2020-09-07
Also published as: CN1205841C; DK1219136T3; WO2001019133A1; AU6984000A; DE60003441D1; ATE243406T1; JP2003508997A; EP1219136B1; PL354000A1; EP1219136A1; CN1387740A; CA2383901A1

Description

Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wandler, wie etwa einen kapazitiven Wandler, einen Druckwandler, einen Schallwandler, etc. und insbesondere einen Druckwandler, der mit Halbleiterherstellungsverfahren und Technologien vereinbar ist.
Hintergrund der Erfindung
In der Hörgeräte- und Mobilkommunikationssystembranche ist es eines der Hauptziele, Komponenten mit kleiner Größe herzustellen, während trotzdem gute elektroakustische Leistung und Bedienbarkeit beibehalten werden, um hohe Benutzerfreundlichkeit und Zufriedenheit zu liefern. Technische Leistungsdaten umfassen Empfindlichkeit, Rauschen, Stabilität, Kompaktheit, Widerstandsfähigkeit und Unempfindlichkeit gegen elektromagnetische Interferenz (EMI) und andere Außen- und Umweltbedingungen. In der Vergangenheit wurden mehrere Versuche unternommen, Mikrophonsysteme kleiner zu machen, während ihre technischen Leistungsdaten beibehalten oder verbessert wurden.
EP-A-561 566 offenbart ein Festkörper-Kondensatormikrophon mit einer Feldeffekttransistor- (FET) Schaltung und einem Hohlraum- oder Schalleinlaß auf dem gleichen Chip. Die Techniken und Verfahren zur Herstellung einer FET-Schaltung sind ziemlich unterschiedlich zu den Techniken und Verfahren, die bei der Herstellung von Wandlerelementen verwendet werden. Folglich erfordern das Wandlerelement und das in EP-A-561 566 offenbarte FET-System zwei (oder möglicherweise mehr) getrennte Herstellungsstufen, was die Herstellung von Natur aus komplizierter und daher auch teurer macht.
Die Entwicklung hybrider mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) ist in den letzten Jahren erheblich vorangeschritten. Dies hat in erster Linie mit der Entwicklung geeigneter Techniken für die Herstellung derartiger Systeme zu tun. Einer der Vorteile derartiger hybrider Systeme betrifft die Größe, mit der relativ komplizierte Systeme, welche mechanische Mikrowandler umfassen, und speziell entwickelte Elektroniken hergestellt werden können.
Es ist bekannt, mikromaschinell bearbeitete Wandler in SMD-Baueinheiten (oberflächenmontierte Bauteile) zu packen, bei denen ein Chip als ganzes Plättchen auf einen organischen oder anorganischen Träger geklebt wird (Chip aufgestellt) und mit Drähten drahtkontaktiert wird, die mittels Lötverfahren an die Metallschicht einer Leiterplatte (PCB) anschließen. Derartige Baueinheiten neigen dazu groß und teuer zu sein.
US-A-5 889 872 offenbart ein hybrides System, das aus einem Silizium-Mikrophon und einem Chip mit einer integrierten Schaltung besteht, welcher für die elektrische Verbindung zwischen dem Silizium-Mikrophon und dem Chip mit der integrierten Schaltung mittels Drahtkontaktierung auf das Mikrophon montiert ist. Diese Lösung hat den Nachteil, daß sie zusätzlichen Schutz und Raum für die Kontaktdrähte benötigt.
US-A-5 856 914 offenbart ein Flip-Chip-montierte mikromechanisches Bauteil, wie etwa ein Kondensatormikrophon, bei dem ein Teil des Trägers, auf den das Mikrobauteil montiert ist, einen Teil des Endsystems bildet. Ein Nachteil dieses Systems ist die Tatsache, daß das mikromechanische Bauteil vor der Montage auf den Träger nicht getestet werden kann. Ein anderer Nachteil des offenbarten Systems betrifft die gewählten Materialien. Das mikromechanische Bauteil besteht aus Si, während der Träger aus einer Leiterplatte oder Keramikmaterial gefertigt ist. Unterschiede in der thermischen Ausdehnung können leicht die Integration derartig verschiedener Materialien komplizieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wandler zur Verfügung zu stellen, der

1. leicht herzustellen ist,
2. zu niedrigen Kosten zur Verfügung gestellt werden kann,
3. ein integriertes Schaltungsbauteil enthält,
4. eine kleine Plättchengröße hat, und
5. zu Herstellungsverfahren für elektronische Geräte, wie etwa SMD-Bestückungsverfahren kompatibel ist.

Es ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vollständig die Funktionen erfüllenden und eingekapselten Wandler zur Verfügung zu stellen, der unabhängig von seiner Endposition, z. B. auf einer Leiterplatte, betrieben werden kann.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vollständig die Funktionen erfüllenden und eingekapselten Wandler zur Verfügung zu stellen, der vor der Montage getestet werden kann. Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wandler zur Verfügung zu stellen, bei dem der Abstand zwischen dem Wandlerelement und der elektronischen Schaltung minimiert ist, um parasitäre Störungen zu minimieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung werden die obigen und andere Aufgaben gelöst, indem in einem ersten Aspekt ein Wandler, wie etwa ein kapazitiver Wandler, ein Druckwandler, ein Schallwandler, ein Lautsprecher, etc., zur Verfügung gestellt wird, der aufweist:

– einen ersten Si-basierten Chip mit einer ersten oberen Oberfläche und einer zur ersten oberen Oberfläche entgegengesetzten ersten unteren Oberfläche, der eine erste Kammer umschließt, die sich von einer ersten Öffnung der ersten Kammer an der ersten oberen Oberfläche und durch den ersten Si-basierten Chip zu einer zweiten Öffnung an der ersten unteren Oberfläche erstreckt, wobei der erste Si-basierte Chip ferner eine erste Membran aufweist, die an der ersten unteren Oberfläche positioniert ist und die zweite Öffnung bedeckt;
– einen zweiten Si-basierten Chip mit einer zweiten oberen Oberfläche und einer zweiten unteren Oberfläche, wobei der zweite Si-basierte Chip eine zweite Kammer umschließt, die sich von einer dritten Öffnung an der zweiten oberen Oberfläche in den zweiten Si-basierten Chip erstreckt, wobei der erste Si-basierte Chip auf dem zweiten Si-basierten Chip positioniert ist, wobei die zweite Öffnung mit der dritten Öffnung ausgerichtet ist;

Der Wandler kann ferner eine erste Verstärkungsplatte aufweisen, die benachbart und im wesentlichen parallel zu der ersten Membran angeordnet ist. Die erste Membran und die erste Verstärkungsplatte können leitend sein und zusammen einen Kondensator bilden, wodurch ein Miniatur-Kondensatormikrophon gebildet wird.
Bevorzugt ist der erste Si-basierte Chip auf den zweiten Si-basierten Chip Flip-Chip-montiert. Die erste Membran und die erste Verstärkungsplatte sind mit Kontaktelementen, wie etwa Löthügeln, auf dem ersten Si-basierten Chip verbunden. Der zweite Si-basierte Chip hat Kontaktelemente darauf, welche den Kontaktelementen des ersten Si-basierten Chips entsprechen. Der erste Si-basierte Chip wird mit seiner unteren Oberfläche auf der zweiten oberen Oberfläche des zweiten Si-basierten Chips plaziert, wobei die Kontakte in entsprechenden Positionen sind. Wenn sie in der richtigen Position sind, werden die Kontakte z. B. mittels Aufschmelzlöten befestigt.
Ferner können der erste Si-basierte Chip und der zweite Si-basierte Chip Verschlußoberflächen haben, welche jeweils die zweiten und dritten Öffnungen umschließen. Wenn der erste Si-basierte Chip an dem zweiten Si-basierten Chip befestigt wird, werden die Verschlußoberflächen verbunden, um einen Verschluß oder eine umgebende Sperrschicht zu bilden. Der Verschluß kann ein luftdichter Verschluß, ein hermetischer Verschluß, etc. sein. Der Verschluß kann durch einen Lötring, einen Epoxidring, etc. gebildet werden.
Richtungsempfindlichkeit kann erzielt werden, indem eine vierte Öffnung zwischen der zweiten Kammer und der unteren Oberfläche eingeführt wird.
Bevorzugt weist die integrierte Schaltung einen ASIC auf, der betriebsbereit mit der ersten Membran verbunden ist. Zum Beispiel kann in einem Kondensator-Mikrophon gemäß der vorliegenden Erfindung ein im Handel erhältlicher ASIC-Chip weiter verarbeitet werden, indem die zweite Kammer in den Chip geätzt wird. Daraufhin wird der ASIC über die weiter oben erwähnten Kontaktelemente mit der ersten Membran und der ersten Verstärkungsplatte verbunden. Bevorzugt umgibt der Verschluß auch die integrierte Schaltung.
Es wird bevorzugt, den Wandler in ein Polymer oder in eine Metallschicht einzukapseln, welche auf den Wandler gesprüht, aufgedampft oder elektrochemisch beschichtet wird. Die Einkapselung sollte die erste Öffnung in dem Si-basierten Chip nicht bedecken, was der Umgebung eine Verbindung mit der Membran ermöglicht. Bevorzugt ist die erste Öffnung von einem Filter bedeckt, das für Druck oder Druckänderungen transparent ist. Dieses Einkapselungsverfahren beseitigt die Notwendigkeit eines aus Metall oder Keramik gefertigten Behälters, wodurch Gewicht und Größe des Wandlers verringert werden.
Eine zweite Art, Richtungsempfindlichkeit zu erzielen, ist die Verwendung von zwei oder mehr Abtastelementen, wie etwa einer Sensoranordnung, z. B. mit getrennten Hinterkammern in dem zweiten Si-basierten Chip, um eine Phasendifferenz einer Schallwelle zu detektieren.
Somit betrifft die vorliegende Erfindung in einem zweiten Aspekt Richtungswandler, wie etwa Druckrichtungswandler, wobei mehr als ein Druckwandler angewendet wird.
Um Richtungsempfindlichkeit zu erzielen, kann der Druckrichtungswandler neben dem Wandler gemäß dem ersten Aspekt ferner aufweisen:

– eine dritte Kammer, die in dem ersten Si-basierten Chip eingeschlossen ist und sich von einer fünften Öffnung der dritten Kammer an der ersten oberen Oberfläche und durch den ersten Si-basierten Chip zu einer sechsten Öffnung an der ersten unteren Oberfläche erstreckt,
– eine zweite Membran, die an der ersten unteren Oberfläche positioniert ist und die sechste Öffnung der dritten Kammer bedeckt, und
– eine vierte Kammer, die sich von einer siebten Öffnung an der zweiten oberen Oberfläche in den zweiten Si-basierten Chip erstreckt, wobei die sechste Öffnung der dritten Kammer mit der siebten Öffnung ausgerichtet ist.

Der Wandler kann ferner eine zweite Verstärkungsplatte aufweisen, die benachbart und im wesentlichen parallel zu der zweiten Membran angeordnet ist. Die zweite Membran und die zweite Verstärkungsplatte können leitend sein und zusammen einen Kondensator bilden. Außerdem können die zweite Membran und die zweite Verstärkungsplatte über Löthügel betriebsbereit mit der integrierten Schaltung verbunden sein.
Bevorzugt bedeckt ein Filter die fünfte Öffnung. Der Wandler kann ferner eine Einkapselung aufweisen, welche die ersten und zweiten Si-basierten Chips umschließt und welche eine mit der ersten und fünften Öffnung ausgerichtete Öffnung hat.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Mikrophons ist;
2 ein Querschnitt eines Richtmikrophons mit einem Druckstufen-Abtastelement ist;
3 ein Querschnitt eines Richtmikrophons ist, das aus einer Anordnung von Absolutdruck-Mikrophonen unter Verwendung einer detektierten Phasendifferenz gebildet wird.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In 1, 2 und 3 sind Abmessungen wie die Materialdicke, wechselseitige Abstände und möglicherweise andere Proportionen nicht notwendigerweise im gleichen Maßstab gezeichnet. Die Größe der Mikrophone ist etwa 1–4 mm.
Das in 1 dargestellte Mikrophon hat die folgende Struktur. Ein Silizium-Wandlerchip 1 mit einer darin geätzten ersten Kammer 10, welche sich von einer ersten Öffnung 4 an der oberen Oberfläche und durch den Wandler zu einer zweiten Öffnung 6 erstreckt, trägt eine Membran 12 und eine Verstärkungsplatte 13, welche die zweite Öffnung 6 in dem Wandlerchip bedeckt. Der Wandlerchip 1 mit der Membran 12 und einer Verstärkungsplatte 13 kann unter Verwendung herkömmlicher Verfahren für die mikromaschinelle Bearbeitung/Fertigung hergestellt werden. Die Membran 12 und die Verstärkungsplatte 13 sind beide elektrisch leitend und sind parallel in nächster Nähe zueinander angeordnet, so daß sie einen elektrischen Kondensator bilden.
Die Verstärkungsplatte 13 hat mehrere Perforationen 19, die sie akustisch transparent machen, und die Membran 12 hat ein winziges Lüftungsloch 15 zum Ausgleichen des statischen Drucks auf beiden Seiten der Membran 12.
Der Wandlerchip ist über Löthügel 8 auf einen nachverarbeiteten Siliziumchip 3 Flip-Chip-montiert, welcher eine elektrische Schaltung 17, wie etwa eine integrierte Schaltung, auf seiner Oberfläche aufweist. In den nachverarbeiteten Siliziumchip 3 ist auch eine zweite Kammer 11 mit einer dritten Öffnung 7 geätzt. Der Wandlerchip 1 ist mittels eines elektrisch leitenden Lötverschlußrings 9 oder mittels einer anderen Einrichtung, die einen luftdichten Verschluß ergibt, an dem Siliziumchip 3 befestigt.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß der Wandlerchip 1 und der Siliziumchip 3 beide auf Siliziumsubstraten basieren, wodurch thermisch induzierte Spannungen vermieden werden.
Die Membran 12 und die Verstärkungsplatte 13 sind mit einer Anzahl getrennter Löthügel 8 elektrisch verbunden, welche die Membran 12 und die Verstärkungsplatte 13 mit dem Siliziumchip 3 verbinden.
Die erste Öffnung 4 ist mit einem Filter 5 oder einer flexiblen Schicht oder einer Membran aus akustisch transparentem Material bedeckt. Die ganze Struktur ist in eine Polymer- oder Metallkapsel 16 eingekapselt, welche das Filter 5 und den Anschlußfleck 18 frei läßt.
Die Funktion der weiter oben beschriebenen Struktur ist wie folgt. Die erste Öffnung 4 wirkt als ein Schallein-laß, und umgebender Schalldruck tritt durch das Filter 5, das die erste Öffnung 4 bedeckt, in die erste Kammer 10 ein, welche als eine Vorderkammer für das Mikrophon wirkt. Der Schalldruck lenkt die Membran 12 aus, was bewirkt, daß die Luft zwischen der Membran 12 und der verstärkungsplatte 13 durch die Perforationen 19 entweicht. Die Kammer 11 wirkt als eine Hinterkammer für das Mikrophon. Die Membran 12 ist ansprechend auf den Schalldruck relativ zu der Verstärkungsplatte 13 beweglich. Wenn die Membran 12 ansprechend auf den einfallenden Schall bewegt wird, wird die elektrische Kapazität des durch die Membran 12 und die Verstärkungsplatte 13 gebildeten elektrischen Kondensators ansprechend auf den einfallenden Schall verändert. Die integrierte Schaltung 17 auf dem Siliziumchip 3 ist über die getrennten Löthügel 8 elektrisch mit der Membran 12 und der Verstärkungsplatte 13 verbunden. Die integrierte Schaltung 17 ist so konstruiert, daß sie Schwankungen der elektrischen Kapazität des aus der Membran 12 und der Verstärkungsplatte 13 gebildeten Kondensators erkennt. Die integrierte Schaltung 17 hat elektrische Verbindungen zu dem Anschlußfleck 18, um sie mit einer Leistungsversorgung und anderen elektronischen Schaltungen z. B. in einem Hörgerät elektrisch zu verbinden.
Variationen und Veränderungen an dem hier beschriebenen System, welche innerhalb des Schutzbereiches von Wandlern, wie etwa Druckwandlern und kapazitiven Wandlern, liegen, werden sich Fachleuten ohne Zweifel selbst andeuten. Entsprechend sollte die vorhergehende Beschreibung als veranschaulichend und nicht in einem einschränkenden Sinn aufgefaßt werden.
Das in 2 dargestellte Mikrophon ist ein Richtmikrophon, das einen Druckgradienten abtastet. Das Mikrophon hat die gleiche Grundstruktur wie das Mikrophon in 1, aber um die Richtungsempfindlichkeit zu erzielen, wurde dazwischen eine Öffnung 24 zu der Hinterkammer 11 eingeführt, um einer Schallwelle den Eintritt in die Hinterkammer 11 zu ermöglichen. Die Auslenkung der Membran 12 ist daher ein Maß für den Druckgradienten über der Membran 12, was eine Richtungsempfindlichkeit ergibt.
Das in 3 dargestellte Mikrophon ist ebenfalls ein Richtmikrophon. Dieses Mikrophon tastet eine Phasendifferenz einer auftreffenden Schallwelle ab. Das Mikrophon hat die gleiche Grundstruktur wie das Mikrophon in 1, al-lerdings verwendet das Mikrophon in 3 zwei Abtastelemente in dem ersten Substrat 1, wobei beide eine Membran 12 und eine Verstärkungsplatte 13 enthalten und beide mittels Löthügeln 8 und einem Verschlußring 9 mit dem zweiten Substrat 3 mit einem Hohlraum 11 für jedes Abtastelement verbunden sind und beide von einem Filter 5 bedeckt sind.
Es ist für einen Fachmann offensichtlich, die Anzahl der Abtastelemente von zwei (wie in 3 gezeigt) auf eine beliebige Anzahl von Abtastelementen zu erhöhen, welche z. B. in einer Anordnung aus Reihen und Spalten angeordnet sind.

Claims

Wandler, der aufweist: einen ersten Si-basierten Chip (1) mit einer ersten oberen Oberfläche und einer zur ersten oberen Oberfläche entgegengesetzten ersten unteren Oberfläche, der eine erste Kammer (10) umschließt, die sich von einer ersten Öffnung (4) der ersten Kammer an der ersten oberen Oberfläche und durch den ersten Si-basierten Chip (1) zu einer zweiten Öffnung (6) an der ersten unteren Oberfläche erstreckt, wobei der erste Si-basierte Chip (1) ferner eine erste Membran (12) aufweist, die an der ersten unteren Oberfläche positioniert ist und die zweite Öffnung (6) bedeckt; einen zweiten Si-basierten Chip (3) mit einer zweiten oberen Oberfläche und einer zweiten unteren Oberfläche, wobei der zweite Si-basierte Chip (3) eine zweite Kammer (11) umschließt, die sich von einer dritten Öffnung (7) an der zweiten oberen Oberfläche in den zweiten Si-basierten Chip (3) erstreckt, wobei der erste Si-basierte Chip (1) auf dem zweiten Si-basierten Chip (3) positioniert ist, wobei die zweite Öffnung (6) mit der dritten Öffnung (7) ausgerichtet ist; dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Si-basierte Chip (3) ferner eine Si-basierte integrierte Schaltung (17) aufweist, wobei diese Si-basierte Schaltung (17) über ein oder mehrere Kontaktelemente (8) mit der ersten Membran elektrisch verbunden ist und die Si-basierte integrierte Schaltung (17) mit dem zweiten Si-basierten Chip (3) integriert ist und an der zweiten oberen Oberfläche des zweiten Si-basierten Chip (3) positioniert ist.
Wandler nach Anspruch 1, der ferner eine erste Verstärkungsplatte (13) aufweist, die benachbart und im we sentlichen parallel zu der ersten Membran (12) angeordnet ist.
Wandler nach Anspruch 2, wobei die erste Membran (12) und die erste Verstärkungsplatte (13) leitend sind und zusammen einen Kondensator bilden.
Wandler nach Anspruch 2 oder 3, der ferner zusätzliche Kontaktelemente zur Verbindung der ersten Verstärkungsplatte (13) mit der Si-basierten integrierten Schaltung (17) aufweist.
Wandler nach Anspruch 4, wobei die Kontaktelemente Löthügel bilden, wobei diese Löthügel einen luftdichten Verschluß zwischen dem ersten und zweiten Si-basierten Chip bilden.
Wandler nach Anspruch 5, wobei der luftdichte Verschluß einen Ring bildet, der Epoxid aufweist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine vierte Öffnung zwischen der zweiten Kammer in dem zweiten Si-basierten Chip (3) und der zweiten unteren Oberfläche aufweist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Membran (12) vor der Montage der ersten und zweiten Si-basierten Chips an dem ersten Si-basierten Chip (1) befestigt wird.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Filter (5) aufweist, das die erste Öffnung (4) bedeckt.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner ein Gehäuse (16) aufweist, wobei dieses Gehäuse (16) den ersten und zweiten Si-basierten Chip umgibt und eine Öffnung hat, die mit der ersten Öffnung (4) ausgerichtet ist.
Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner aufweist: – eine dritte Kammer, die in dem ersten Si-basierten Chip (1) eingeschlossen ist und sich von einer fünften Öffnung der dritten Kammer an der ersten oberen Oberfläche und durch den ersten Si-basierten Chip (1) zu einer sechsten Öffnung an der ersten unteren Oberfläche erstreckt, – eine zweite Membran, die an der ersten unteren Oberfläche positioniert ist und die sechste Öffnung der dritten Kammer bedeckt, und – eine vierte Kammer, die sich von einer siebten Öffnung an der zweiten oberen Oberfläche in den zweiten Si-basierten Chip (3) erstreckt, wobei die sechste Öffnung der dritten Kammer mit der siebten Öffnung ausgerichtet ist.
Wandler nach Anspruch 11, der ferner eine zweite Verstärkungsplatte aufweist, die benachbart und im wesentlichen parallel zu der zweiten Membran angeordnet ist.
Wandler nach Anspruch 12, wobei die zweite Membran und die zweite Verstärkungsplatte leitend sind und zusammen einen Kondensator bilden.
Wandler nach einem der Ansprüche 11 bis 13 , der ferner Löthügel für die Verbindung der zweiten Membran und der zweiten Verstärkungsplatte mit der Si-basierten integrierten Schaltung aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 11 bis 14, der ferner ein Filter aufweist, das die fünfte Öffnung bedeckt.
Wandler nach einem der Ansprüche 11 bis 15, der ferner ein Gehäuse aufweist, welches den ersten und zweiten Si-basierten Chip umgibt und Öffnungen hat, die mit der ersten und fünften Öffnung ausgerichtet sind.