FI105880B - Mikromekaanisen mikrofonin kiinnitys - Google Patents

Description

105880

Mikromekaanisen mikrofonin kiinnitys

Nyt esillä oleva keksintö kohdistuu oheisen patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen menetelmään mikromekaanisen mikrofonin 5 kiinnittämiseksi. Lisäksi keksintö kohdistuu menetelmän mukaisesti kiinnitettyyn mikromekaaniseen mikrofoniin.

Keksinnön taustaa 10 Akustisten signaalien vastaanottamisen tehokkuuden määrää ensisijaisesti mikrofonin muuntotehokkuus akustisen ja esimerkiksi sähköisen energian välillä. Mikrofonin säröllä ja taajuusvasteella on puolestaan merkitystä äänen laadun kannalta. Useissa audiosovelluksissa pyritään optimoimaan mm. mikrofonit siten, että äänen laatu, kustannukset, lait-15 teen koko, tuotettavuus ja muut tuotannolliset tekijät tuottavat hyväksyttävän laitekokonaisuuden.

Hyvin usein mm. mikrofonit ovat sovelluksen kannalta rajoittavina tekijöinä. Esimerkiksi eräs este matkapuhelimien dimensioiden pienentämi-20 selle on mikrofonien fyysinen koko. Nykyisin tunnetut mikrofonit ovat rakenteeltaan erillisiä, koteloituja komponentteja, jotka liitetään mikrofonin koteloon järjestettyjen liitinnastojen tai vastaavien avulla joko suoraan piirilevyyn tai erillisten fiitäntäjohtojen tai -jousien avulla sähköi-:X: sesti muuhun kytkentään. Mikrofoneissa signaalien muunnos perustuu ·: 25 muodonmuutokseen, eli yleisemmin siihen, että kahden muunnineli- men, kuten kalvon ja taustalevyn, keskinäinen geometria muuttuu. ’.!!!: Muodonmuutos tuotetaan mikrofoneissa äänellä. Ainakin yksi muun- ..... ninelin on elastisesti muotoaan muuttava, esim. taipuisa tai kokoonpu- ristuva. Näin ollen mikrofonit kootaan monesta diskreetistä komponen-‘ 30 tista komponentin sisäisen integraatioasteen jäädessä melko pieneksi.

• ·

Toimintaperiaatteet • · · • · » . . ------------ • · · .·. Mikrofonit voidaan jakaa toimintaperiaatteen mukaan eri tyyppeihin.

,··, 35 Akustiikassa yleisimmin käytössä olevat mikrofonityypit perustuvat säh- köstaattiseen tai sähkömagneettiseen (liikkuva kela tai magneetti) peri- i V aatteeseen tai sitten pietsosähköiseen ilmiöön.

« I · I I · « « 2 105880 Sähköstaattisissa mikrofoneissa muunnineliminä voidaan käyttää esimerkiksi kahta toistensa lähelle sijoitettua, edullisesti tasomaista kalvoa tai levyä, jotka muodostavat kondensaattorin. Ensimmäinen kalvo on 5 tavallisesti joustava tai taipuisa ja toinen kalvo on tehty liikkumattomaksi. Muunnos perustuu muunninelimien välisen kapasitanssin muutokseen, joka syntyy kalvojen välisen etäisyyden muuttumisesta. Kalvojen välinen voimavaikutus riippuu mm. kalvoissa olevista sähkövarauksista ja muista mekaanisista rakenteista.

10

Mikrofoneissa ääni saa aikaan akustisessa elimessä muodonmuutoksia, jotka kytkeytyvät edellä esitettyjen fysikaalisten periaatteiden mukaan sähköiseksi signaaliksi. Esimerkiksi kondensaattorimikrofonissa on sähköä johtava kalvo, joka värähtelee äänen mukana. Sähköä joh-15 tava taustalevy on sijoitettu tyypillisesti yhdensuuntaisesti kalvon kanssa, jolloin kalvo ja taustalevy muodostavat kondensaattorin, jolla on geometriansa määrittämä kapasitanssiako. Koska äänen aikaansaama muodonmuutos, eli taipuma kalvossa muuttaa kalvon ja taustalevyn välistä etäisyyttä, muuttuu kondensaattorin kapasitanssi vastaavasti.

20

Kapasitanssin muutoksen havaitsemiseksi järjestetään sähköinen potentiaaliero kalvon ja taustalevyn välille, ja kytketään kalvo ja taustalevy vahvistinpiiriin, esimerkiksi JFET-transistorin hilalle, kuten on sinänsä tunnettua. Potentiaaliero voidaan muodostaa esim. biasointijännitteellä, * « ....: 25 jolloin kalvon ja taustalevyn välille johdetaan tasajännite. Biasointijännit- teen sijasta voidaan käyttää myös esipolaroitua elektreettimateriaalia « yhdistettynä joko taustalevyyn ja/tai kalvoon, jolloin mikrofonia kutsu-! . taan elektreettimikrofoniksi. Kapasitanssin muutos siis saa aikaan vaihtelevan jännitesignaalin, joka voidaan vahvistaa normaalissa vah-* 30 vistimessa. Tässä mikrofonityypissä ensimmäinen muunninelin on siis kalvo ja toinen muunninelin käsittää taustalevyn.

« · • · · • · ·

Pietsosähköisessä ilmiössä kappaleen jännitystila vapauttaa materiasta . !·. varauksia ja käänteisesti kappaleeseen johdetut varaukset aikaansaa- • · « y.'.m 35 vat jännitystiloja. Tällaisessa mikrofonissa ensimmäinen muunninelin on kappale, jossa tapahtuu pietsoilmiö. Toisena muunninelimenä voidaan • · · • pitää ensimmäisen elimen kiinnitysalustaa, jonka suhteen ensimmäinen « « • · · I fl · • « 3 105880 elin muuttaa muotoaan. Muunninelinten välinen voimavaikutus riippuu mm. käytetystä materiaalista, dimensioista, generoidusta jännitteestä sekä muista mekaanisista rakenteista.

5 Mikromekaniikan avulla on mahdollista valmistaa pienikokoisia komponentteja, kuten mikrofoneja ja paineantureita. Mikromekaanisissa komponenteissa alustana on tyypillisesti käytetty piitä. Valmistus tapahtuu joko subraktiivisesti tai additiivisesti. Subraktiivisessa valmistuksessa piikiekosta syövytetään piitä kemiallisesti ennalta määrätyistä pai-10 koista, jolloin muodostuu haluttu mikromekaaninen komponentti. Addi-tiivisessa valmistuksessa käytetään ns. kasvatusmenetelmää, jolloin sopivan alustan päälle kasvatetaan halutut kerrokset. Mikromekaanisten komponenttien valmistuksessa voidaan käyttää näitä molempia menetelmiä. Mikromekaanisissa komponenteissa kerrosten paksuus on 15 tyypillisesti mikrometriluokkaa. Piin eri yhdisteiden lisäksi mikromekaanisissa komponenteissa voidaan käyttää hyväksi mm. metallointia esimerkiksi johtimien muodostamiseksi.

Mikromekaaninen mikrofoni käsittää tyypillisesti kalvon ja taustaelekt-20 rodin, joiden välissä on ilmarako, jonka paksuus tyypillisesti on kertaluokassa 1 pm. Mikromekaaninen mikrofoni käsittää vielä tyypillisesti taustakammion, jolla voidaan vaikuttaa mm. mikromekaanisen mikrofonin taajuusvasteeseen. Tämän taustakammion korkeus ja tilavuus on tyypillisesti moninkertainen verrattuna kalvon ja taustaelektrodin väli-25 seen ilmarakoon ja niiden välissä olevaan tilavuuteen. Kuvassa 1 on esitetty erään tällaisen tunnetun tekniikan mukaisen mikromekaanisen \"m\: mikrofonin rakenne pelkistettynä poikkileikkauksena.

• · • · * 1 1

Mikromekaanisissa mikrofoneissa taustaelektrodi on tyypillisesti • 1 '·’ 1 30 rei'itetty, jolloin stabiilissa tilanteessa paine taustaelektrodin molemmilla puolilla on olennaisesti sama. Taustakammiosta tai suoraan painekal-von läpi on tyypillisesti järjestetty vielä paineentasausaukotus, jolloin 0 '· taustakammion paine asettuu olennaisesti samaksi kuin mikromekaani- . sen mikrofonin ympäristössä vallitseva stabiili ilman paine.

• · · • · .... __________________...

1 I I » • · · « « • · V · · • « 4 105880

Taustakammion tilavuus, eli ns. taustatilavuus on mikrofonisuunnitte-lussa olennainen tekijä mikrofonin akustisia ominaisuuksia asetettaessa. Mikrofonilta haluttavat akustiset ominaisuudet riippuvat mm. mikro-5 fonin käyttötarkoituksesta. Esimerkiksi puhelinkäytössä riittää pienempi kaistanleveys kuin HiFi-sovelluksiin tarkoitetuissa mikrofoneissa. Toinen mikrofonisuunnittelun kriteeri on mikrofonin herkkyys, eli se, kuinka pieniin painevaihteluihin mikrofoni reagoi. Vielä eräänä kriteerinä on mikrofonin oma kohina, joka aiheutuu mikromekaanisissa mikrofoneissa 10 mm. kalvon lämpövärähtelyistä ja sekä johtimien että puolijohteiden lämpökohinasta.

US-patentissa 4,922,471 on esitetty eräs toinen mikromekaaninen mikrofoni. Tämä mikrofoni on muodostettu kahdesta piipalasta, joiden väliin 15 on muodostettu kalvo. Taustaelektrodi on muodostettu jäykäksi rakenteeksi ja se samalla muodostaa taustakammion. Taustaelektrodiin on vielä aikaansaatu FET-transistori, jolla vahvistetaan mikrofonisignaalia.

Tunnetun tekniikan mukaisesti mikromekaaniset mikrofonit vielä kote-20 loidaan mikrofonien käsittelyn helpottamiseksi varastoinnin, kuljetuksen ja lopputuotteeseen kiinnittämisen yhteydessä. Mikrofonin liitäntäjohti-met on johdettu koteloon muodostettuihin liitäntänastoihin tai ne on muodostettu erillisinä johtimina kotelon läpi. Eräänä mikromekaanisen mikrofonin koteioinnin perusteena on käytetty myös sitä, että tällä ta- • · 25 voin voidaan paremmin taata mikromekaanisen mikrofonin eri toimin-nallisten osien keskeisen geometrian säilyminen mahdollisimman hyvä-nä lopputuotteeseen asti.

• · • · • · ·

Tunnetun tekniikan epäkohdat : 30

Nykyisin tunnetun tekniikan mukaiset mikromekaaniset mikrofoniraken- • · teet koteloineen ja muine rakenteineen ovat kuitenkin suhteellisen kookkaita verrattuna mikromekaaniseen mikrofoniin sinänsä. Tähän vaikuttaa mm. se, että lopputuotteessa mikromekaaninen mikrofoni on « · · ’ 35 ensinnäkin oman kotelonsa sisällä ja tämä koteloitu mikrofoni on vielä 1 i · · • · • · • · · • «· 5 105880 lopputuotteen kotelon sisällä. Myös se, että mikromekaanisen mikrofonin liittäminen sähköisesti laitteen muuhun elektroniikkaan suoritetaan tyypillisesti johtojen avulla, lisää mikromekaanisen mikrofonin kokoa.

5 Tunnetun tekniikan mukaisten akustisten muuntimien eräänä käyttöä hankaloittavana epäkohtana on mm. niiden vaatima tila johtuen mm. siitä, että ensimmäinen muunninelin ja toinen muunninelin on koteloitava ja muunnin on erikseen rakennettava mekaanisesti vankaksi. Tällöin kotelon vaatima tila kasvattaa akustisen muuntimen tilantarvetta.

10 Nämä seikat rajoittavat erityisesti kannettavien laitteiden koon pienentämistä. Lisäksi kotelointi nostaa akustisten muuntimien hintaa.

Keksinnön tarkoitus 15 Nyt esillä olevan keksinnön eräänä tarkoituksena on aikaansaada mikromekaanisen mikrofonin kiinnitys elektroniikkalaitteeseen, erityisesti langattomaan viestimeen ilman, että mikromekaanisen mikrofonin ympärillä tarvitaan erillistä koteloa. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisen patentti-20 vaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Nyt esillä olevan keksinnön mukaiselle mikromekaaniselle mikrofonille on vielä tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 5 tunnusmerkkiosassa. Keksintö perustuu siihen ajatukseen, että mikromekaaninen mikrofoni kiinnite-tään alustaansa ns. kääntöliitostekniikkaa käyttäen, jolloin takatilavuutta ·;" i 25 ja siten mikromekaanisen mikrofonin akustisia ominaisuuksia voidaan säätää kiinnityksessä käytettävien kiinnityselimien kokoa säätämällä.

• · . . Keksinnön edut • · · « · · * · · ...

• · » 30 Nyt esillä olevalla keksinnöllä saavutetaan merkittäviä etuja tunnetun tekniikan mukaisiin menetelmiin ja mikromekaanisiin mikrofoneihin ver-• « ________.....

\v rattuna. Keksinnön mukaista menetelmää sovellettaessa ei mikrome- * · · · ____... ! kaanisen mikrofonin yhteydessä tarvita erillistä koteloa, vaan kotelona . hyödynnetään elektroniikkalaitteen omaa kotelorakennetta. Menetel- 35 män mukaisesti kiinnitettäessä voidaan mikromekaanisen mikrofonin ominaisuuksia säätää mm. sen vuoksi, että takatilavuutta voidaan sää- : tää mikromekaanisen mikrofonin kiinnityksen yhteydessä. Keksinnön • · • » · • · · • · 6 105880 mukaisella menetelmällä voidaan myös elektroniikkalaitteen kokoa pienentää, koska keksinnön mukainen mikromekaaninen mikrofoni ei vaadi erillistä koteloa ja toisaalta ei tarvita erillisiä liitäntäjohtimia tai -jousia. Keksinnön mukaisen kiinnitysmenetelmän etuna on vielä se, 5 että lämmön aiheuttamat mahdolliset vääntymät ja muut muodonmuutokset kiinnitysalustassa tai laitteen kotelossa eivät olennaisesti välity mikrofonirakenteeseen, joten ne eivät myöskään pääse vaikuttamaan mikrofonin akustisiin tai sähköisiin ominaisuuksiin, varmistaen kuitenkin tukevan kiinnityksen. Laitteen kotelo toimii myös 10 pölysuojana. Lisäksi keksinnön mukaisessa rakenteessa painehäviöt ovat pienemmät kuin tunnetun tekniikan mukaisissa, koteloiduissa mikrofoneissa, koska ääni saapuu laitteen kotelossa ensiksi mikrofonin painekalvolle.

15 Keksinnön kuvaus

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten samalla oheisiin piirustuksiin, joissa 20 kuva 1 esittää erästä tunnetun tekniikan mukaista mikromekaanista mikrofonia pelkistettynä poikkileikkauksena, kuva 2 esittää keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaista mikromekaanisen mikrofonin kiinnitystä alustaan pelkistetty-25 nä poikkileikkauksena, t kuvat 3a—3c esittävät yksityiskohtaisemmin keksinnön mukaisen mik- v romekaanisen mikrofonin eräitä edullisia kiinnitysratkaisuja pelkistettynä poikkileikkauksena, ja : 30 kuva 4 esittää keksinnön erään toisen edullisen suoritusmuodon • · mukaista mikromekaanisen mikrofonin rakennetta pelkistet-V1: tynä poikkileikkauksena.

• · « I « I Ϊ • · · •

II I

• · · • « « · ·

I I I

7 105880

Oheisissa kuvissa esitetyt keksinnön edullisten suoritusmuotojen mukaisten mikromekaanisten mikrofonien rakenteet on tarkoitettu kuvaamaan vain keksinnön toteutusperiaatteita, joten kuvien mittasuhteet eivät välttämättä vastaa käytännön sovelluksia.

5

Kuvassa 2 on esitetty keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukainen langattoman viestimen, esim. matkaviestimen tai johdottoman puhelimen, kotelon 15 yhteyteen järjestetty mikromekaaninen mikrofoni 1 kiinnitettynä alustaan 2, kuten sovelluskohtaisesti ohjelmoitavaan Ιοί 0 giikkapiiriin (ASIC, Application Specific Integrated Circuit). Tämä alusta 2 voi olla myös jokin muu tarkoitukseen soveltuva kiinnitysalusta. Tämä alusta 2 on puolestaan kiinnitetty piirilevyyn 3 sinänsä tunnetusti. Mikrofoni 1 käsittää kalvon 4, joka on muodostettu ainakin osittain sähköä johtavaksi. Kalvo 4 on välikerroksella 5 erotettu taustaelektrodista 6, 15 jolloin kalvon 4 ja taustaelektrodin 6 väliin jää ilmarako 7, mikä mahdollistaa kalvon 4 liikkeen pameehvaihteluiden seurauksena. Taustaelek-trodi 6 on sopivimmin rei'itetty kullekin sovellukselle sopivaksi. Kuvassa 2 on esitetty kaksi tällaista pälneentasausreikää 8a, 8b, mutta käytännön sovelluksissa näitä reikiä voi olla huomattavasti enemmänkin tai 20 vain yksi. Myös kalvossa 4 voi olla yksi tai useampi paineentasausreikä 9, tai paineen tasaus on järjestetty muutoin, mutta tälläkään ei ole sinänsä merkitystä keksinnön soveltamisen kannalta. Kalvon 4, tausta-elektrodin 6 ja välikerroksen 5 rajoittamaa tilavuutta nimitetään jatkossa : i ·'; tässä selityksessä ilmaraon tilavuudeksi ja merkitään viitenumerolla Vf.

•; 1(; 25

Myös taustaelektrodi 6 on muodostettu ainakin osittain sähköä johta- vaksi. Tällainen mikrofonirakenne on tyypillisesti ns. kondensaattorimik- ..... rofoni, tai mikäli taustaelektrodi tai kalvo on sähköisesti varattu, käyte- tään tästä mikrofonityypistä myös nimitystä elektreettimikrofoni. Äänen 30 aikaansaamat painevaihtelut välittyvät kalvoon 4, jolloin kalvon 4 ja taustaelektrodin 6 välinen etäisyys vaihtelee äänen aiheuttamien pai- \v neenvaihteluiden seurauksena. Tämä etäisyyden muuttuminen on ha- '··1 v : väittävissä sähköisesti sinänsä tunnetusti.

• » · · · · . __.......

.·**. 35 Mikrofoni 1 on kiinnitetty alustaan 2 ns. kääntöliitostekniikkaa (flip chip) käyttäen. Kalvosta 4 on muodostettu sähköä johtava kytkentä kalvon : kytkentänastaan 10a ja vastaavasti taustaelektrodista 6 on muodostettu f · • · 1 • · · 9 9 8 105880 sähköä johtava kytkentä taustaelektrodin kytkentänastaan 10b. Näihin kytkentänastoihin 10a, 10b on muodostettu kiinnityselimet 11a, 11b, kuten metalli- tai muovikohoumat, pallot tai vastaavat, ns. liitosnystyt. Näiden kiinnityselimien 11a, 11b avulla muodostetaan sähköinen kyt-5 kentä mikrofonin 1 liitäntäalustaan 2 muodostettuihin vastinelimiin 14a, 14b, joista mikrofonisignaalit voidaan johtaa edelleen vahvistettavaksi ja jatkokäsiteltäväksi. Kiinnityselimien 11a, 11b pintaan on asennusvaiheessa edullisesti muodostettu sähköä johtava liimakerros, jolla kiinnittyminen alustaan 2 suoritetaan. Kiinnityksessä voidaan käyttää 10 myös muita tunnettuja kiinnitysmenetelmiä, joilla sähköä johtava yhteys kiinnityselimien 11a, 11b ja liitäntäalustaan 2 muodostettujen vastineli-mien 14a, 14b välille voidaan aikaansaada.

Mikrofonin 1 ja alustan 2 välissä on vielä sopivimmin sähköä johtama-15 ton eristerengas 12. Tämän eristerenkaan 12 korkeus on mitoitettu sopivimmin jonkin verran suuremmaksi kuin mikrofonin 1 ja alustan 2 välinen etäisyys h. Tällöin kiinnitettäessä mikrofoni 1 paikoilleen alustaan 2, muodostuu mikrofonin 1, alustan 2 ja eristerenkaan 12 rajaamaan tilavuuteen takakammio 13. Tämän takakammion 13 tilavuus, eli ns. ta-20 katilavuus Vb on mahdollista säätää halutuksi. Tämä aikaansaadaan muodostamalla kiinnityselimien 11a, 11b korkeus alustaan 2 nähden kohtisuorassa suunnassa sellaiseksi, että paikoilleen kiinnitettynä mikrofonin 1 ja alustan 2 välinen etäisyys h on haluttu. Käytännön sovel-luksissa se tarkoittaa tyypillisesti sitä, että kiinnityselimien 11 a, 11 b kor-25 keus mainitussa suunnassa on oleellisesti sama kuin takakammioon 13 haluttu korkeus h. Takatilavuus Vb on tyypillisesti vähintään kertaluok-kaa suurempi verrattuna kalvon 4 ja taustaelektrodin 6 väliin jäävään • · . . ilmaraon tilavuuteen Vf. Tällöin kalvon 4 liikkuessa kalvon 4 ja tausta- elektrodin 6 välissä oleva ilma pääsee siirtymään takakammioon 13 ai- • · · 30 heuttamatta paineen merkittävää kasvua takakammiossa 13. Eristerengas 12 toimii paine-eristimenä takakammion 13 ja ympäröivän ilman v.: välissä.

• · · • · · • « · • . Eristerengas 12 on valmistettu edullisesti sähköä johtamattomasta po- .···. 35 lymeeristä. Tähän tarkoitukseen soveltuu hyvin mm. silikoni. Silikoni on • · • ♦ · 1 · » • · · • · • 9 9 9 • · · • « · • · 9 105880 riittävän elastinen estääkseen alustan 2 termisten jännitystilojen siirtymisen itse mikrofoniin 1. Eristerenkaalla 12 estetään vielä täyteaineiden, juotteiden yms. aineiden pääsy takakammioon 13 laitteen kokoonpano- ja juotosvaiheissa sekä tukevoitetaan mikrofonin 1 ja alustan 2 5 välistä kiinnitystä ja antaa lisää toimintavarmuutta laitteelle, jossa keksinnön mukaista mikrofonia 1 sovelletaan.

Eristerenkaan 12 valmistusmateriaalina voidaan käyttää sähköisten häiriöiden minimoimiseksi myös sähköä johtavaa materiaalia, mutta 10 tällöin on huolehdittava siitä, ettei eristerengas 12 pääse oikosulke-maan kiinnityselimiä 11a, 11b, kytkentänastoja 10a, 10b tai vastinelimiä 14a, 14b. On myös selvää, ettei eristerenkaan tarvitse alustan päätason suunnassa olla muodoltaan rengasmainen, vaan myös muitakin muotoja voidaan käyttää, esim. suorakaidetta.

15

Keksinnön mukaiseen mikrofoniin 1 voidaan myös integroida esim. FET-transistori, jolla mikrofonin muodostamaa sähköistä signaalia vahvistetaan ja samalla mikrofonin lähtöimpedanssi saadaan sovitettua.

20 Edellä on mainittu sovelluskohtaisesti ohjelmoitavan logiikkapiirin ASIC käyttö alustana 2. Tällöin ainakin osa mikrofonisignaalin käsittelytoiminnoista voidaan toteuttaa edullisesti tämän ASIC-piirin yhteydessä. Kuvassa 4 on esimerkinomaisesti esitetty tällaisen keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisen mikromekaanisen mikrofonin 1 rakennetta 25 pelkistettynä poikkileikkauksena. Tässä suoritusmuodossa on käytetty samaa puolijohdepalaa, kuten piikiekkoa, mikrofonin 1 ja mikrofonisig-naalien käsittelypiirien toteutuksessa. Tällöin voidaan lopputuotteen, '•S' kuten matkaviestimen, integrointiastetta nostaa ja kokoa pienentää.

Näitä käsittelypiirejä esittää kuvassa 4 yksinkertaistetusti alue 16, mutta • · · 30 alan asiaantuntijalle on selvää näiden käsittelypiirien tarkempi toteutus. Mikrofonisignaalin vahvistus ja analogia/digitaalimuunnoksen suoritta- • \v minen tarvittaessa on mahdollista toteuttaa lähellä keksinnön mukaista s*s*5 mikromekaanista mikrofonia T, jolloin liitäntäjohtimet saadaan lyhyiksi ja . !·. voidaan pienentää ulkoisten häiriöiden pääsyä mikrofonisignaaliin.

35 Käsittelypiireissä voidaan huomioida myös mahdolliset lämpötilan muutoksista aiheutuvat signaalin vääristymät ja toisaalta voidaan suorit-• · · _____ : taa signaaliin korjauksia mm. mikrofonin ominaiskäyrän perusteella.

• · • « · « »* « # 5 10 105880

Alustana voidaan käyttää myös muuta integroitua piiriä, kuin mainittua ASIC-piiriä, esimerkiksi analogista vahvistinpiiriä. Myös muut materiaalit tulevat kyseeseen, kuten lasi, keraami tai laitteen piirilevy 3.

Edellä esitetyssä esimerkissä on käytetty kääntöliitostekniikkaa, jolloin käsittelypiirien ja mikrofonin kytkentänastat 10a, 10b sijaitsevat alustan 2 puoleisella pinnalla. Keksintöä voidaan soveltaa myös siten, että käsittelypiirien ja mahdollisesti myös mikromekaanisen mikrofonin 1 kyt-10 kentänastat 10a, 10b on muodostettu alustaan 2 nähden vastakkaiselle puolijohdepalan pinnalle, jolloin sähköiset kytkennät muodostetaan erillisillä liitäntäjohtimilla (lankaliitostekniikka).

Keksinnön mukaisesti alustaan 2 kiinnitettyä mikromekaanista mikrofo-15 nia 1 voidaan käsitellä kuljetuksen, varastoinnin ja asentamisen yhteydessä tavanomaisen komponentin tavoin. Käyttämällä keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaista, esim. ASIC-piiriin kiinnitettyä mikrofonia 1 elektroniikkalaitteessa, jää erillisen mikrofonin varastointi ja käsittely pois, mikä pienentää elektroniikkalaitteen valmistuskustannuksia.

20

Kuvassa 2 on nähtävissä vielä elektroniikkalaitteen kotelon 15 se osa, joka muodostaa keksinnön edullisen suoritusmuodon mukaisen mikromekaanisen mikrofonin 1 suojakotelon. Elektroniikkalaitteen piirilevy 3 on sijoitettu elektroniikkalaitteen koteloon 15, jolloin kotelon seinämät t t 25 15a, 15b, 15c ympäröivät mikromekaanista mikrofonia 1 ja suojaavat sitä mekaanisesti. Sivuseinämien 15a, 15b päiden ja piirilevyn raja-alue ””,z edullisesti tiivistetään ilma- ja pölytiiviiksi.

• · • • · * *·.*.; Kuvissa 3a—3c on esitetty yksityiskohtaisemmin eräitä esimerkkejä * 30 kiinnityselimistä 11a, 11b. Kiinnityselimet 11a, 11b voidaan muodostaa joko mikrofoniosaan (kuva 3a), alustaan 2 (kuva 3b) tai molempiin • (kuva 3c). On myös selvää, että kiinnityselimiä 11a, 11b voi olla myös '·?'· useampia kuin kaksi. Kiinnityselimien 11a, 11b lukumäärään vaikuttaa . ’ mm. se, miten suuri on mikrofonin integrointiaste ja se, onko esim.

35 mainittu FET-transistori, A/D-muunnin jne toteutettu osana mikrofonia 1 vai ei. Lisäksi ainakin osa tai jopa kaikki kiinnityselimet 11a, 11b voivat • · · : V joissakin sovelluksissa olla eristerenkaan 12 ulkopuolella. Tällöinkin « · • t f • «· • * i 11 105880 kiinnityselimien 11a, 11b korkeudella voidaan säätää takatilavuutta Vb, kuten aikaisemmin tässä selityksessä on esitetty.

Keksinnön mukaisen mikromekaanisen mikrofonin 1 tyypillisistä di-5 mensioista käytännön sovelluksissa mainittakoon, että läpimitaltaan mikrofoni 1 on luokkaa 1,5—3 mm. On selvää, että sovelluksissa, joissa mikrofonin 1 kanssa samalle puolijohdepalalle on integroitu muitakin sähköisiä piirejä, voi tämän" puolijohdepalan koko olla huomattavasti suurempikin. Kalvon 4 paksuus on n. 1 pm ja 4 läpimitta n. 0,5—1 mm. 10 Taustaelektrodin 6 paksuus on luokkaa 1—5 pm. Myös ilmaraon 7 paksuus on mikrometriluokkaa, jolloin takakammion 13 korkeus on edullisesti välillä 5—500 pm. Keksinnön mukaisen mikromekaanisen mikrofonin 1 kapasitanssi on yleensä n. 7—8 pF.

15 Keksinnön mukaisen mikromekaanisen mikrofonin 1 sähköiseksi suojaamiseksi mm. suurtaajuisia signaaleja vastaan voidaan kalvo 4 kytkeä maapotentiaaliin ja käyttää taustaelektrodia 6 mikrofonisignaalin lähtölii-täntänä. Myös piirilevyyn 3 voidaan muodostaa metalloituja alueita tai muita vastaavia suojauksia. Myös elektroniikkalaitteen koteloa 15 voi-20 daan käyttää RF-suojana pinnoittamalla kotelon mikrofonia ympäröivien seinämien 15a, 15b, 15c edullisesti sisäpinta sähköä johtavalla aineella tai valmistamalla kotelo 15 esim. muovista, joka on käsitelty sähköä johtavaksi. Suojausten suunnittelussa on kuitenkin huomioitava kapasi-tanssi, jonka suojaustoimenpiteet mahdollisesti aiheuttavat ja voivat 25 vaikuttaa mikrofonin 1 sähköiseen toimintaan.

Nyt esillä olevaa keksintöä ei ole rajoitettu ainoastaan edellä esitettyihin suoritusmuotoihin, vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaati- • « · musien puitteissa.

• · · " • . .

• · “1· *49 _ • · · 9 9 .....---- , i · a • a a • aa a a • a a ... a · a ’aa· «aa • · · « a a a a «aa • a a a a • a a a « · a ·

Claims (10)

12 105880

1. Menetelmä matkaviestimen yhteydessä käytettävän mikromekaanisen mikrofonin (1) kiinnittämiseksi alustaan (2), jossa mikrofonin (1) 5 kalvo (4) ja taustaelektrodi (6) asetetaan etäisyyden päähän toisistaan, jolloin kalvon (4) ja taustaelektrodin (6) väliin muodostuu ilmarako (7), tunnettu siitä, että mikrofonin (1) ja alustan väliin asetetaan eristeren-gas (12), jolloin taustaelektrodi (6), alusta (2) ja eristerengas (12) rajoittavat takakammion (13), ja että mikrofoni (1) kiinnitetään alustaan (2) 10 kiinnityselimillä (11a, 11b), jolloin takakammion (13) tilavuus (Vb) säädetään kiinnityselimien (11a, 11b) korkeutta säätämällä.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikromekaaninen mikrofoni (1) valmistetaan puolijohdekiekolle, kuten 15 piikiekolle.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että alustana käytetään integroitua piiriä, kuten ASIC-piiriä.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mikromekaanisen mikrofonin (1) valmistuksessa käytettävälle puolijohdekiekolle integroidaan ainakin osa mikrofonissa (1) muodostettavan mikrofonisignaalin käsittelyyn tarkoitetuista kytkennöistä. ( ' l

5. Langattoman viestimen mikromekaaninen mikrofoni (1), joka on jär jestetty kiinnitettäväksi alustalle (2), ja käsittää etäisyyden päähän toi-sistaan asetetun kalvon (4) ja taustaelektrodin (6), jolloin niiden väliin • · on muodostettu ilmarako (7), tunnettu siitä, että mikrofonin (1) ja alustan väliin on järjestetty asennettavaksi eristerengas (12), jolloin 30 taustaelektrodi (6), alusta (2) ja eristerengas (12) rajoittavat takakammion (13), ja että mikrofoni on järjestetty kiinnitettäväksi kiinnityselimillä, jolloin takakammion (13) tilavuus (Vb) on järjestetty säädettäväksi • · · v : kiinnityselimien (11a, 11b) korkeutta säätämällä. 9 9 « · · • « · , ,··. 35 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen mikromekaaninen mikrofoni (1), • » "1 tunnettu siitä, että eristerengas (12) on polymeeriä, kuten silikonia. • · · • · • · i · • · t • ·» • · 13 105880

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen mikromekaaninen mikrofoni (1), tunnettu siitä, että takakammion (13) korkeus on välillä 20—500 μ m.

8. Patenttivaatimuksen 5, 6 tai 7 mukainen mikromekaaninen mikrofoni (1), tunnettu siitä, että se on valmistettu pääosin piin yhdisteistä.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 5—8 mukainen mikromekaaninen mikrofoni (1), tunnettu siitä, että alusta (2) on integroitu piiri, kuten ASIC- 10 piiri.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 5—8 mukainen mikromekaaninen mikrofoni (1), tunnettu siitä, että kiinnityselimet (11a, 11b) on muodostettu metallinystyistä. ( f l r x i ( · - · · • · • · i · * • · · • · • · · I · · • · · • · « · 4 I · · • · • · · • * * • t « « · · i ♦ » V · · III « V • » • · · ... * · « I I I • · • · I « • · · • · * * I 14 D , 105880