WO2001093631A2 - Wandler mit halbleitender membran - Google Patents

Wandler mit halbleitender membran Download PDF

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WO2001093631A2
WO2001093631A2 PCT/EP2001/005331 EP0105331W WO0193631A2 WO 2001093631 A2 WO2001093631 A2 WO 2001093631A2 EP 0105331 W EP0105331 W EP 0105331W WO 0193631 A2 WO0193631 A2 WO 0193631A2
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Inventor
Wolfgang Niehoff
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Sennheiser Electronic Gmbh & Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00

Definitions

  • the invention relates to a transducer with a membrane, in particular an electroacoustic transducer such as a microphone or a loudspeaker.
  • the invention also relates to transducers used as sensors, such as an acceleration sensor or a strain gauge sensor.
  • Capacitive electroacoustic transducers in particular microphones, loudspeakers and headphones, usually consist of one or two fixed counter electrodes and a movable, vibratable membrane.
  • a microphone is known for example from DE 1 97 42 249 A1.
  • the membrane usually consists of metal or a plastic film vapor-coated with an electrically conductive layer.
  • Capacitive microphones have an amplifier which is assigned directly to the electroacoustic transducer. To achieve the lowest possible noise, interference-free transmission and a low lower transmission frequency the amplifier has a very high input resistance.
  • a first amplifier is usually operated in an impedance converter circuit with a gain of less than or equal to 1.
  • a second amplifier is connected downstream, which takes over the actual amplification and processes the signal.
  • capacitive playback converters such as a loudspeaker or headphones
  • a high signal voltage is necessary for operation.
  • it therefore makes sense to bring the amplifier as close as possible to the capacitive electro-acoustic transducer.
  • Such a capacitive playback converter is known for example from DE 43 29 991 A1.
  • capacitive converters require a static bias. This must either be obtained from the supply voltage of the converter or, in the case of an electrical converter (e.g. an electret microphone), be stamped into an electretizable layer.
  • an electrical converter e.g. an electret microphone
  • condenser microphones after low-frequency operation is the TLM 1 03 from Georg Neumann, in which the impedance converter and amplifier are arranged in the immediate vicinity of the electro-acoustic converter.
  • electret microphones e.g. B. the K6 system from Sennheiser.
  • the electroacoustic converter and the impedance converter are arranged in a common capsule housing, while the subsequent amplifier is housed in a second housing.
  • this separation is not mandatory; there are a large number of other electret microphones in which both the impedance converter and the preamplifier are located in a common microphone housing.
  • the invention is therefore based on the object of creating a long-term stable, moisture-insensitive transducer which can be produced with less design effort.
  • the membrane is at least partially made of semiconducting material. Only individual areas of the membrane, e.g. B. one or both surfaces or certain edge areas consist of semiconducting material, or the membrane can also be made entirely of semiconducting material. In the case of a membrane consisting only partially of semiconducting material, the membrane itself can remain largely unchanged compared to the known membranes and can be produced from the usual materials, in which case a semiconductor layer can be vapor-deposited, for example.
  • the parts of the membrane consisting of semiconducting material can be produced in a relatively simple manner using known methods of micromechanics.
  • the knowledge gained in the field of the production of semiconductor components and the possibilities of being able to produce ever finer structures can advantageously be used in the production of the semiconducting parts of the membrane.
  • the semiconducting parts of the membrane are preferably produced from silicon or a silicon compound.
  • the membrane can also perform other functions according to the invention.
  • at least one electronic semiconductor component is therefore integrated directly on or in the membrane, for example in the edge region or in the fastening region of the membrane.
  • the membrane is provided with semiconducting material at the desired locations during manufacture. This integration takes place in the manufacture of the membrane by the known methods of manufacturing semiconductor components. For example, amplifiers, impedance converters, elements for signal processing, memory elements, transmitting and / or receiving elements such as. B. antennas, analog-digital converter elements or other components can be integrated into the membrane. This is increasingly possible due to the progressive miniaturization of such components and the mastery of the corresponding manufacturing processes.
  • all of the components required for processing and transmitting the electrical signal generated by the converter or to be processed by the converter are integrated on or in the membrane, so that only a few or no connecting lines from the membrane to other components of the converter are required. If, for example, a complete high-frequency transmitter is arranged on the membrane, it is possible to establish a wireless connection to a receiver which is arranged outside the transducer. If connection lines can be dispensed with entirely, disruptive dead capacitances, such as those which are particularly disruptive due to the wire connections in a miniature microphone and which severely impair its transmission properties, can be largely or completely avoided.
  • the membrane can be inclination sensor, such as that used to trigger the airbag in a car, or the strain gauge in a strain gauge made of semiconducting material, into which further electronic components are integrated during manufacture.
  • inclination sensor such as that used to trigger the airbag in a car
  • strain gauge in a strain gauge made of semiconducting material
  • the influence of this integration of electronic components in the membrane on the actual function of the membrane depends on how many elements are integrated in the membrane and on the structure size of the semiconductor structures the elements are integrated. It is to be expected that, given the structure size, which is already small and increasingly decreasing, the influence will be only slight or no longer ascertainable.
  • the mechanical and the semiconducting properties of the membrane should be largely decoupled by suitable design and arrangement of the semiconducting elements and the membrane itself, the mechanical properties of the membrane preferably being in the foreground.
  • suitable, in particular mechanical, differential structures can make it possible to design and arrange semiconducting elements in such a way that their negative influences on the mechanical properties of the membrane are compensated for as far as possible or completely.
  • FIG. 1 is an exploded view of a microphone capsule according to the invention
  • Fig. 2 is an illustration of a membrane according to the invention.
  • Fig. 3 is a sectional view of a further embodiment of a condenser microphone capsule according to the invention.
  • the microphone capsule shown consists of a capsule housing 1, a protection 2, a membrane 4, which lies on a perforated carrier 3, a counter electrode 5 and a delay element 7, which is separated from the counter electrode 5 by a spacing film 6.
  • a lower housing part 8 is connected to the delay element 7.
  • the aforementioned microphone capsule components can be fixed in the capsule housing 1 after insertion into the capsule housing 1 by means of a screw ring 9 with an external thread.
  • the basic mode of operation and the construction of a microphone with a microphone capsule are described in the aforementioned DE 1 97 42 249 A1, to which reference is hereby expressly made.
  • the inventive design of the membrane 4, which can be used in such a microphone, is shown by way of example in FIG. 2.
  • the membrane 4 itself is made of semiconducting material, for. B. made of silicon, designed in the form of a thin vibratable disc.
  • the disk is so thin that the actual function of the membrane as a vibratable electrode in the capacitive electroacoustic transducer is influenced only slightly or not at all.
  • Various symbolic semiconductor components are integrated in or on the membrane 4 both in the central fastening area 40 and in the edge area 41 of the membrane.
  • a plurality of memory elements 43 in the form of semiconductor memories (for example core memories) are arranged in the central fastening region 40 for storing a program for processing data or for storing data.
  • a plurality of amplifier elements 42 are arranged in the edge region 41 for amplification and / or impedance conversion. Furthermore, a converter element 44 for analog-digital conversion, a signal processing unit 45, a high-frequency transmission element 46 and an antenna 47 are arranged in the edge region 41 as a high-frequency transmitter.
  • These electronic components 42 to 47 can already be integrated into the membrane 4 during the manufacture of the membrane with the aid of methods such as are known from the area of manufacturing conventional semiconductor components such as semiconductor memories or microprocessors.
  • the wiring of the individual elements with one another is already integrated in the manufacture of the membrane 4. Due to the inventive integration of numerous electronic components in the membrane 4, the corresponding components outside the membrane, which are otherwise arranged, for example, on a small circuit board in the microphone, can be omitted.
  • the design according to the invention is thus more economical in terms of the design effort, and transducers that are more stable over the long term and less sensitive to moisture can be created.
  • the high-impedance electronic components of an impedance converter or amplifier are preferably arranged on the side of the membrane facing the counterelectrode, since this arrangement ensures greater protection against moisture.
  • the fastening area 40 in the embodiment shown in FIG. 2 can also be arranged at a different location or at a plurality of parts of the membrane, which essentially depends on the required acoustic properties of the membrane. Depending on the desired transmission frequency, the entire membrane or parts of the membrane can also serve as an antenna.
  • the membrane is not made entirely of semiconducting material, but essentially made of a common material such as metal or plastic, and that only partially areas made of semiconducting tend material are provided.
  • a semiconducting layer could be evaporated onto the surface of such a membrane, into which the semiconducting components are then integrated.
  • a microphone capsule 10 known per se with two membranes is known in cross-section, in which the invention can also preferably be used.
  • the microphone capsule 10 has a housing 11, which is connected to a contact plate 21.
  • the housing 1 1 In the front area of the microphone capsule 1 0, the housing 1 1 has a sound inlet opening 1 7 - also called a speech hole - through which sound can get into the inner vestibule of the microphone capsule 1 0. This is embedded as a circular hole in the center of the outer, front housing area.
  • the antechamber 1 6 is delimited by a second membrane 1 8.
  • This membrane 1 8 bears against the front of a membrane ring 1 3, on the rear side of which the first membrane 1 9 is arranged. Both the second and the first membrane 1 8, 1 9 are preferably glued to the membrane ring 1 3.
  • the first membrane 1 9 is followed by a spacer ring 1 2, which serves as a spacer to the counter electrode 20, which also bears against the spacer ring 1 2.
  • the small opening 15 serves as pressure equalization so that the first membrane 19 does not clap against the counterelectrode 20 in the event of air pressure fluctuations, which can lead to impaired reproduction, damage or even destruction of the microphone capsule.
  • An electret foil is applied as an electret layer on the counter electrode, not shown.
  • one or more electronic components can be arranged on one or on both membranes 1 8, 1 9.
  • the corresponding membrane is again made of semiconducting material.
  • the invention is preferably used in electroacoustic transmitters such as the microphones shown.
  • the invention can also be used in electroacoustic transmitters (actuators) such as loudspeakers and headphones.
  • the invention can also bring the advantages described for other converters such as electrodynamic, electromagnetic or orthodynamic converters or other actuators.
  • Sensors with corresponding membranes such as, for example, strain gauges with strain gauges as membranes, accelerometers, rotation rate sensors or rotation measuring elements can also be advantageously configured using the invention.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wandler mit einer Membran, insbesondere einen elektroakustischen Wandler mit einer Membran (4), wie insbesondere ein Mikrofon, einen Lautsprecher oder einen Kopfhörer. Um solche Wandler konstruktiv einfacher gestalten zu können und eine bessere Langzeitstabilität und eine grössere Feuchteunempfindlichkeit zu erreichen, ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die Membran (4) wenigstens teilweise aus halbleitendem Material hergestellt ist. Dadurch wird erreicht, dass die Membran neben der eigentlichen mechanischen Funktion auch weitere Funktionen übernehmen kann, indem beispielsweise Verstärkerelemente (42) oder andere elektronische Bauelemente (43-47) auf und/oder in der Membran integriert sind. Die Erfindung kann vorteilhaft auch bei anderen Wandlern, wie beispielsweise elektrodynamischen, elektromagnetischen oder orthodynamischen Wandlern und bei Sensoren, die entsprechende Membranen aufweisen, eingesetzt werden.

Description

Wandler mit halbleitender Membran
Die Erfindung betrifft einen Wandler mit einer Membran, insbesondere einen elektroakustischen Wandler wie beispielsweise ein Mikrofon oder einen Lautsprecher. Daneben betrifft die Erfindung auch als Sensoren eingesetzte Wandler, wie beispielsweise einen Beschleunigungssensor oder einen Dehnungsmesssensor.
Kapazitive elektroakustische Wandler, insbesondere Mikrofone, Lautsprecher und Kopfhörer, bestehen meist aus einer oder zwei feststehenden Gegenelektroden und einer beweglichen, schwingfähigen Membran. Ein solches Mikrofon ist beispielsweise aus der DE 1 97 42 249 A1 bekannt. Die Membran besteht dabei zumeist aus Metall oder einer mit einer elektrisch leitfähigen Schicht bedampften Kunststofffolie.
Kapazitive Mikrofone weisen einen direkt dem elektroakustischen Wandler zugeordneten Verstärker auf. Zur Erzielung eines möglichst niedrigen Rauschens, einer störsicheren Übertragung und einer niedrigen unteren Übertragungsfrequenz muss der Verstärker einen sehr hohen Eingangswiderstand haben. Meist wird ein erster Verstärker in Impedanzwandlerschaltung mit einer Verstärkung kleiner oder gleich 1 betrieben. Zur sicheren elektrischen Übertragung wird noch ein zweiter Verstärker πachgeschaltet, der die eigentliche Verstärkung übernimmt und das Signal aufbereitet.
Bei kapazitiven Wiedergabewandlern wie einem Lautsprecher oder einem Kopfhörer ist zum Betrieb eine hohe Signalspannung notwendig. Für einen effektiven Betrieb ist es deshalb sinnvoll, den Verstärker so nahe wie möglich an den kapazitiven elektoakustischen Wandler zu bringen. Ein solcher kapazitiver Wiedergabewandler ist beispielsweise aus der DE 43 29 991 A1 bekannt.
Zum verzerrungsarmen Betrieb benötigen kapazitive Wandler eine statische Vorspannung. Diese muss entweder aus der Versorgungsspannung des Wandlers gewonnen werden oder im Falle eines Elektretwandlers (z. B. eines Elektretmikro- fons) in eine elektretisierbare Schicht eingeprägt werden.
Ein Beispiel für Kondensatormikrofone nach dem Niederfrequenzbetrieb ist das TLM 1 03 der Firma Georg Neumann, bei dem der Impedanzwandler und Verstärker in unmittelbarer Nähe des elektroakustischen Wandlers angeordnet ist. Eine andere Ausführungsform sind Elektretmikrofone, z. B. das K6-System der Firma Sennheiser. Dabei sind der elektroakustische Wandler und der Impedanzwandler in einem gemeinsamen Kapselgehäuse angeordnet, während der nachfolgende Verstärker in einem zweiten Gehäuse untergebracht ist. Diese Trennung ist jedoch nicht zwingend; es gibt eine Vielzahl anderer Elektretmikrofone, bei denen sich sowohl der Impedanzwandler als auch der Vorverstärker in einem gemeinsamen Mikrofongehäuse befinden.
Allen bekannten Ausführungsformen gemeinsam ist der hohe konstruktive Aufwand, der sowohl die richtige Dimensionierung des Impedanzwandlers als auch den mechanischen Aufbau betrifft. Insbesondere ist auf extrem hochohmige Isolierung zu achten, aber ebenso auf Feuchteunempfindlichkeit, Auswahl des Kontaktmater- als, so dass möglichst wenig Rauschen entsteht, und der Auswahl der Leiterplatten.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen langzeitstabilen, feuchteunempfindlichen Wandler zu schaffen, der mit geringerem konstruktionstechnischem Aufwand hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Membran wenigstens teilweise aus halbleitendem Material hergestellt ist. Dabei können nur einzelne Bereiche der Membran, z. B. eine oder beide Oberflächen oder bestimmte Randbereiche aus halbleitendem Material bestehen, oder es kann auch die Membran komplett aus halbleitendem Material hergestellt sein. Bei einer nur teilweise aus halbleitendem Material bestehenden Membran kann die Membran selbst gegenüber den bekannten Membranen weitgehend unverändert bleiben und aus den üblichen Materialien hergestellt sein, wobei dann eine Halbleiterschicht beispielsweise aufgedampft sein kann.
Die aus halbleitendem Material bestehenden Teile der Membran können auf verhältnismäßig einfache Weise mit bekannten Methoden der Mikromechanik hergestellt werden. Insbesondere die im Bereich der Herstellung von Halbleiterbauelementen gewonnenen Erkenntnisse und die Möglichkeiten, immer feinere Strukturen herstellen zu können, können vorteilhaft bei der Herstellung der halbleitenden Teile der Membran verwendet werden. Bevorzugt werden die halbleitenden Teile der Membran erfindungsgemäß aus Silizium oder einer Siliziumverbindung hergestellt. In Betracht kommen jedoch auch spezielle Kunststoffe mit Halbleitereigenschaften, die zunehmend für die Herstellung einfacher Halbleiterbauelemente eingesetzt werden, oder bionische Materialien mit Halbleitereigenschaften, wobei die Auswahl des Materials unter Berücksichtigung der eigentlichen Funktion der Membran, z. B. Schwingungsfähigkeit oder Dehnfähigkeit, erfolgen kann. Neben der mechanischen Funktion, die die Membran bei den bekannten Wandlern ausschließlich hat, nämlich eine äußere Einflussgröße wie einen mechanischen Druck, eine Bewegung oder eine Dehnung in eine elektrische Messgröße umzuwandeln, kann die Membran erfindungsgemäß auch weitere Funktionen übernehmen. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist deshalb mindestens ein elektronisches Halbleiterbauelement unmittelbar auf oder in der Membran, beispielsweise im Randbereich oder im Befestigungsbereich der Membran, integriert. An den gewünschten Stellen wird die Membran bei der Herstellung mit halbleitendem Material versehen. Diese Integration erfolgt bei der Herstellung der Membran nach den bekannten Verfahren der Herstellung von Halbleiterbauelementen. So können beispielsweise Verstärker, Impedanzwandler, Elemente zur Signalverarbeitung, Speicherelemente, Sende- und/oder Empfangselemente wie z. B. Antennen, Analog-Digital-Wandlerelemente oder sonstige Bauelemente in die Membran integriert sein. Dies ist zunehmend möglich aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung derartiger Bauelemente und der Beherrschung der entsprechenden Herstellungsverfahren.
Bevorzugt sind alle für die Verarbeitung und Übertragung des von dem Wandler erzeugten oder vom Wandler zu verarbeitenden elektrischen Signals notwendigen Bauelemente auf oder in der Membran integriert, so dass nur noch wenige oder gar keine Verbindungsleitungen von der Membran zu anderen Bauteilen des Wandlers erforderlich sind. Wenn beispielsweise auf der Membran ein kompletter Hochfrequenzsender angeordnet ist, ist der Aufbau einer drahtlosen Verbindung zu einem Empfänger möglich, der außerhalb des Wandlers angeordnet ist. Wenn auf Verbindungsleitungen gänzlich verzichtet werden kann, können auch störende Totkapazitäten, wie sie beispielsweise aufgrund der Drahtverbindungen in einem Miniaturmikrofon besonders störend auftreten und dessen Übertragungseigenschaften stark beeinträchtigen, weitgehend oder gänzlich vermieden werden.
Neben elektroakustischen Wandlern kommen auch andere Wandler wie elektrodynamische, elektromagnetische oder orthodynamische Wandler für den Einsatz der Erfindung in Betracht. So können beispielsweise die Membran bei einem Beschleu- nigungssensor, wie er zur Auslösung des Airbags in einem Pkw eingesetzt wird, oder der Dehnungsmessstreifen in einem Dehnungsmesssensor aus halbleitendem Material hergestellt sein, in das bereits bei der Herstellung weitere elektronische Bauelemente integriert werden. Der Einfluss dieser Integration elektronischer Bauelemente in die Membran auf die eigentliche Funktion der Membran hängt dabei davon ab, wieviele Elemente in die Membran integriert werden und in welcher Strukturgröße der Halbleiter-Strukturen die Elemente integriert sind. Dabei ist zu erwarten, dass bei der derzeit bereits geringen und zunehmend noch weiter sinkenden Strukturgröße der Einfluss nur gering oder gar nicht mehr feststellbar sein wird.
Die mechanischen und die halbleitenden Eigenschaften der Membran sollten durch geeignete Ausgestaltung und Anordnung der halbleitenden Elemente und der Membran selbst weitestgehend entkoppelt werden, wobei bevorzugt die mechanischen Eigenschaften der Membran im Vordergrund stehen sollten. Durch geeignete, insbesondere mechanische, Differenzstrukturen kann es möglich sein, halbleitende Elemente so auszugestalten und anzuordnen, dass sich deren negative Einflüsse auf die mechanischen Eigenschaften der Membran weitestmöglich oder gänzlich kompensieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Mikrofonkapsel,
Fig. 2 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Membran und
Fig. 3 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kondensatormikrofonkapsel.
In Figur 1 ist in Explosioπsdarstellung eine Mikrofonkapsel eines an sich bekannten Mikrofons gezeigt, bei dem die Erfindung bevorzugt eingesetzt werden kann. Die dargestellte Mikrofonkapsel besteht aus einem Kapselgehäuse 1 , einem Schutz 2, einer Membran 4, welche auf einem gelochten Träger 3 liegt, einer Gegenelektrode 5 sowie einem durch eine Abstandsfolie 6 von der Gegenelektrode 5 getrenntem Laufzeitglied 7. An das Laufzeitglied 7 schließt sich ein unteres Gehäuseteil 8 an. Durch einen Schraubring 9 mit Außengewinde lassen sich die vorgenannten Mikrofonkapselbestandteile nach Einbringung in das Kapselgehäuse 1 in diesem fixieren. Die grundsätzliche Funktionsweise und die Konstruktion eines Mikrofons mit einer Mikrofonkapsel sind in der bereits genannten DE 1 97 42 249 A1 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich verwiesen wird.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Membran 4, die in einem solchen Mikrofon eingesetzt werden kann, ist beispielhaft in Figur 2 gezeigt. Die Membran 4 selbst ist dabei aus halbleitendem Material, z. B. aus Silizium, in Form einer dünnen schwingfähigen Scheibe ausgestaltet. Die Scheibe ist dabei so dünn, dass die eigentliche Funktion der Membran als schwingfähige Elektrode in dem kapazitiven elektroakustischen Wandler nur geringfügig oder überhaupt nicht beeinflusst wird. Sowohl im zentralen Befestigungsbereich 40 als auch im Randbereich 41 der Membran sind dabei verschiedene symbolhaft dargestellte Halbleiterbauelemente in bzw. auf der Membran 4 integriert. So sind im zentralen Befestigungsbereich 40 mehrere Speicherelemente 43 in Form von Halbleiterspeichern (z. B. Kernspeichern) angeordnet zur Speicherung eines Programms zur Verarbeitung von Daten oder zur Speicherung von Daten. Im Randbereich 41 sind mehrere Verstärkerelemente 42 angeordnet zur Verstärkung und/oder Impedanzwandlung. Weiter sind im Randbereich 41 ein Wandlerelement 44 zur Analog-Digital-Wandlung, eine Signalverarbeitungseinheit 45, ein Hochfrequenzsendeelement 46 und eine Antenne 47 als Hochfrequenzsender angeordnet. Diese elektronischen Bauelemente 42 bis 47 können bei der Herstellung der Membran mit Hilfe von Verfahren, wie sie aus dem Bereich der Herstellung herkömmlicher Halbleiterbauelemente wie Halbleiterspeicher oder Mikroprozessoren bekannt sind, bereits in die Membran 4 integriert werden. Auch die Verdrahtung der einzelnen Elemente miteinander wird bei der Herstellung der Membran 4 bereits integriert. Durch die erfindungsgemäße Integration zahlreicher elektronischer Bauelemente in die Membran 4 können die entsprechenden Bauelemente außerhalb der Membran, die sonst beispielsweise auf einer kleinen Platine in dem Mikrofon angeordnet sind, entfallen. Damit entfallen auch störende Verbindungsleitungen von der Membran 4 zu diesen externen Elementen, die beispielsweise bei sehr kleinen Mikrofonen zu störenden Totkapazitäten führen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist somit hinsichtlich des Konstruktionsaufwandes günstiger, und es lassen sich langzeit- stabilere und feuchteunempfindlichere Wandler schaffen.
Neben den bereits genannten elektronischen Bauelementen können weitere Bauelemente wie Filterelemente, Elemente zum EMV-Schutz, Digital-Analog-Wandler oder sonstige elektronische Bauelemente, die in einem entsprechenden Wandler benötigt werden und die sich auf oder in einer Halbleiterschicht herstellen lassen, auf oder in der Membran vorgesehen sein.
Es ist nicht zwingend, dass alle elektronischen Bauelemente auf der Oberfläche oder in einer Schicht der Membran angeordnet sind, sondern die Elemente können auch in unterschiedlichen Schichten oder auf Vorder- und Rückseite der Membran angeordnet sein. Bei einem Mikrofon sind jedoch die hochohmigen elektronischen Bauelemente eines Impedanzwandlers oder Verstärkers bevorzugt auf der der Gegenelektrode zugewandten Seite der Membran angeordnet, da bei dieser Anordnung ein größerer Feuchtigkeitsschutz gewährleistet ist.
Der Befestigungsbereich 40 bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform kann auch an andere Stelle oder an mehreren Steilen der Membran angeordnet sein, was im Wesentlichen von den geforderten akustischen Eigenschaften der Membran abhängt. Je nach gewünschter Sendefrequenz können auch die ganze Membran oder Teile der Membran als Antenne dienen.
Weiter kann vorgesehen sein, dass die Membran nicht komplett aus halbleitendem Material hergestellt ist, sondern im Wesentlichen aus einem üblichen Material wie beispielsweise Metall oder Kunststoff, und dass nur teilweise Bereiche aus halblei- tendem Material vorgesehen sind. So könnte beispielsweise eine halbleitende Schicht auf die Oberfläche einer solchen Membran aufgedampft sein, in die dann die halbleitenden Bauelemente integriert werden. Diese Ausführungsmöglichkeiten ergeben sich auch für alle anderen Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In Figur 3 ist im Querschnitt eine an sich bekannte Mikrofonkapsel 1 0 mit zwei Membranen bekannt, bei der ebenfalls die Erfindung bevorzugt eingesetzt werden kann. Die Mikrofonkapsel 10 weist ein Gehäuse 1 1 auf, welches mit einer Kontaktplatte 21 verbunden ist. Im vorderen Bereich der Mikrofonkapsel 1 0 weist das Gehäuse 1 1 eine Schalleinlassöffnung 1 7 - auch Sprachloch genannt - auf, durch welche Schall in den inneren Vorraum der Mikrofonkapsel 1 0 gelangen kann. Diese ist als kreisrundes Loch im Zentrum des äußeren, vorderen Gehäusebereichs eingelassen. Innenseitig liegt im Randbereich des Gehäuses eine Silikondichtung 1 4, beispielsweise als Ring. Der Vorraum 1 6 wird durch eine zweite Membran 1 8 begrenzt. Diese Membran 1 8 liegt an der Vorderseite eines Membranrings 1 3 an, an dessen Hinterseite die erste Membran 1 9 angeordnet ist. Vorzugsweise sind sowohl die zweite als auch die erste Membran 1 8, 1 9 am Membranring 1 3 angeklebt. An die erste Membran 1 9 schließt sich ein Abstandsring 1 2 an, welcher als Abstandshalter zur Gegenelektrode 20 dient, welche ebenfalls am Abstandsring 1 2 anliegt. Die kleine Öffnung 1 5 dient als Druckausgleich, damit die erste Membran 1 9 bei Luftdruckschwankungen nicht an die Gegenelektrode 20 anklatscht, was zu Wiedergabebeeinträchtigungen, Beschädigungen oder gar zur Zerstörung der Mikrofonkapsel führen kann. Auf der Gegenelektrode ist - nicht dargestellt - eine Elektretfolie als Elektretschicht angebracht.
Auch bei einer solchen Mikrofonkapsel mit einem Doppelmembransystem können auf einer oder auf beiden Membranen 1 8, 1 9 ein oder mehrere elektronische Bauelemente angeordnet sein. Dazu ist die entsprechende Membran wiederum aus halbleitendem Material ausgestaltet. Hinsichtlich der Art der elektronischen Bauelemente, deren Anordnung und deren Herstellung gilt das in Verbindung mit Figur 1 und Figur 2 Gesagte, weshalb hier auf weitere Erläuterungen diesbezüglich verzichtet wird. Bevorzugt wird die Erfindung verwendet bei elektroakustischen Gebern wie den gezeigten Mikrofonen. Einsatz kann die Erfindung aber auch bei elektroakustischen Sendern (Aktoren) wie Lautsprechern und Kopfhörern finden. Darüber hinaus kann die Erfindung auch bei anderen Wandlern wie elektrodynamischen, elektromagnetischen oder orthodynamischen Wandlern oder sonstigen Aktoren die beschriebenen Vorteile bringen. Auch Sensoren mit entsprechenden Membranen, wie beispielsweise Dehnungsmesselemente mit Dehnungsmessstreifen als Membranen, Beschleunigungsaufnehmer, Drehratengeber oder Drehmesselemente können durch den Einsatz der Erfindung vorteilhaft ausgestaltet werden.

Claims

ANSPRUCHE
1 . Wandler mit einer Membran, wobei die Membran wenigstens teilweise aus halbleitendem Material hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/ oder in der Membran wenigstens ein Verstärker zum Betrieb des Wandlers angeordnet ist.
2. Wandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als halbleitendes Material Silizium, eine Siliziumverbindung, halbleitender Kunststoff oder bionisches Material verwendet wird.
3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/ oder in der Membran mehrere Verstärker angeordnet sind und dass die Verstärker in unterschiedlichen Frequenzbereichen arbeiten.
4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/ oder in der Membran Bauelemente zur Analog-Digital- oder Digital-Analog-Wandlung angeordnet sind.
5. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/ oder in der Membran Bauelemente zur Signalverarbeitung und/oder Speicherung von Programmen zur Signalverarbeitung, insbesondere ein digitaler Signalprozessor, angeordnet sind.
6. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/ oder in der Membran Speicherelemente angeordnet sind.
7. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/ oder in der Membran Sende- und/oder Empfangselemente, insbesondere eines Hochfrequenzsenders und/ oder Hochfrequenzempfängers, angeordnet sind.
8. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf und/ oder in der Membran Bauelemente zum Schutz des Wandlers vor elektromagnetischer Strahlung angeordnet sind.
9. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsleitungen zu den auf und/ oder in der Membran integrierten Bauelementen, insbesondere zur Spannungszuführung, Signalableitung und/oder Signalzuführung, über Befestigungen der Membran und/ oder spezielle Kontaktierungen auf der Membran, insbesondere Bondungen, erfolgen.
10. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein elektroakustischer Wandler, insbesondere ein kapazitiver elektroakustischer Wandler, wie insbesondere ein Mikrofon, oder ein Wiedergabewandler, wie insbesondere ein Lautsprecher oder Kopfhörer, ist.
1 1 . Wandler nach Anspruch 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein kapazitiver Wandler ist und dass elektronische Bauelemente zur Erzeugung einer statischen Vorspannung auf und/ oder in der Membran oder auf einer Gegenelektrode des Wandlers angeordnet sind.
1 2. Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein kapazitiver Wandler ist und dass hochohmige elektronische Bauelemente eines Impedanzwandlers oder Verstärkers auf der einer Gegenelektrode des Wandlers zugewandten Seite der Membran angeordnet sind.
13. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein elektrodynamischer, elektromagnetischer oder orthodynamischer Wandler ist.
14. Wandler nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler ein Sensor ist, insbesondere ein Beschleunigungssensor, Drehratengeber, Drehmessgeber oder Dehnungsmesssensor, oder in einem Sensor verwendet wird.
1 5. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran vollständig aus halbleitendem Material besteht.
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DE10026474.3 2000-05-27
DE2000126474 DE10026474B4 (de) 2000-05-27 2000-05-27 Wandler mit halbleitender Membran

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