WO2015169600A1 - Mikrofon und verfahren zur herstellung eines mikrofons - Google Patents

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WO2015169600A1
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transducer element
microphone
substrate
transducer
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Wolfgang Pahl
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Epcos Ag
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    • H04R2499/11—Transducers incorporated or for use in hand-held devices, e.g. mobile phones, PDA's, camera's

Definitions

  • the present invention relates to a microphone and a microphone
  • Method of making a microphone This may in particular be a condenser microphone.
  • Such a microphone has a transducer element which must be encapsulated in a package.
  • the largest possible back volume is required because the sensitivity of the microphone for recording pressure fluctuations is improved by a large back volume.
  • the effort for the internal should be in the microphone
  • a microphone is known in which a microphone chip by means of a lid and a
  • Sound seal is encapsulated.
  • the microphone chip is further attached via a rigid fastening device on a substrate.
  • strong mechanical couplings occur both between the cover and the microphone chip and between the microphone chip and the substrate. The couplings may affect the operation of the microphone chip and also lead to a temperature-dependent behavior of the system.
  • Another microphone is known from US 8,218,794 B2.
  • the microphone chip is attached via a spring on the substrate, wherein the spring is produced photolithographically by the removal of a sacrificial layer. The Depositing and the subsequent stripping of the sacrificial layer are very time and material consuming, so that the sacrificial layer can be made in an economically meaningful way only with a small height.
  • the object of the present invention is a
  • the object is achieved by a microphone according to the present claim 1.
  • the further task is by a
  • a microphone includes a substrate, a spring element that is plastically stretched in a direction perpendicular to the substrate, a transducer element that extends across the substrate
  • Spring element is electrically contacted with the substrate, and a cover, on which the transducer element is fixed and which is arranged such that the transducer element between the cover and the substrate is arranged.
  • the clear height indicates the maximum distance between an underside of the spring element facing the substrate and an upper side of the substrate facing the transducer element. At this distance, there is a free space between the underside of the spring element and the top of the substrate.
  • a spring element with a large clear height is suitable for compensating large manufacturing tolerances. In which present microphone occur manufacturing tolerances in
  • the height of the transducer element different parameters. These include, for example, the height of the transducer element, the height of the cover and the height of the spring element. Furthermore, a deflection and a distortion of the cover can lead to further tolerances. The manufacturing tolerances mentioned here add up and lead overall to a considerable uncertainty with regard to the position of the transducer element. However, the spring element is capable of doing this
  • the converter element is in this case arranged in particular between the cover and the substrate such that the cover, the transducer element and the substrate enclose a space which forms a rear volume of the transducer element.
  • the transducer element has a large size
  • Transducer element can be ensured.
  • Substrate is electrically contacted, represents a mechanical attachment of the transducer element to the substrate.
  • this attachment is designed resiliently and
  • Transducer element on the cover since they are the Transducer element allows to follow a movement of the cover, without being exposed to great mechanical stress.
  • the present microphone accordingly makes it possible to protect the transducer element from mechanical stress.
  • Cover moves relative to the substrate. This can occur, for example, as a result of a temperature change, if the substrate and cover have a different strength
  • Microphones in an external housing forces can be exerted on the cover, resulting in deformation of the
  • Cover for example, when the cover is pressed against a sealing ring.
  • the spring element allows the transducer element to be protected from mechanical stress because it provides some mechanical decoupling between the transducer element and the substrate by allowing movement of the transducer element relative to the substrate to some extent. Furthermore, the spring element ensures that the electrical connection between the transducer element and the substrate can be realized with little effort.
  • the transducer element may be mechanically connected to the spring element, wherein the attachment of the transducer element to the cover may be more rigid than the mechanical
  • the force required to move the transducer element relative to the substrate may accordingly less than the force that is required to move the transducer element by the same distance
  • the force can be a compressive, tensile or shear force.
  • the attachment of the transducer element to the cover may be ten times more rigid than the mechanical connection between the transducer element and the substrate formed by the spring element.
  • the force required to move the transducer element relative to the cover is at least ten times the force required to move the transducer element by the same distance relative to the substrate.
  • the attachment of the transducer element to the cover may also be a hundred times more rigid than the mechanical connection between the transducer element and the substrate formed by the spring element.
  • the spring element accordingly serves primarily only the electrical contacting of the transducer element with the substrate and does not provide a stable mechanical
  • the mechanical connection is resilient and can thus provide a mechanical decoupling of transducer element and substrate. As described above, this can both
  • Manufacturing tolerances are compensated as well as forces that are transmitted through the cover on the transducer element can be absorbed.
  • the spring element may have a clear height of at least 50 ym. In a spring element with such a clearance height are usually occurring Manufacturing tolerances sufficiently well balanced, so that in the production of the microphone only a very small proportion of microphones outside of predetermined
  • the overall height of the microphone should not be too large, in order not to unnecessarily increase the overall height of the microphone.
  • the microphone could be for installation in mobile
  • the clear height of the spring element may have a range of 30 to 250 microns, preferably 50 to 200ym, in the relaxed state.
  • Reduce bias of the spring element e.g. at 200 ym or at 150 ym.
  • the finished microphone i. in the finished microphone
  • the spring element has a range of 30 to 200 ⁇ m, preferably 50 to 200 ⁇ m, or a range of 30 to 150 ⁇ m, preferably 50 to 150 ⁇ m. Spring elements with a clear height in these areas are a good compromise between the above requirements.
  • the spring element may have an upper side, which is the
  • a spacer may be arranged between the spring element and the transducer element such that between the transducer element and the top of the spring element, a gap is formed whose height corresponds at least to the height of the spacer.
  • the microphone can be significantly simplified. For example, if the transducer element and the spring element contacted by a solder joint, it may be required during a subsequent soldering of the microphone on a printed circuit board, the microphone on a
  • the spacer ensures that the solder joint is not crushed between the spring element and the transducer element.
  • the spacer can accordingly ensure that a temporary
  • the transducer element can be contacted with the upper side of the spring element by a solder connection and a material of the spacer has a higher melting point than the solder connection.
  • the spring element may have a first region in which it is plastically stretched and have a second region that is substantially free of plastic strain.
  • the term "largely free” here means that the second area is stretched less by at least a factor of 10 compared to the first area, preferably less strongly by a factor of at least 100.
  • the spring element may be configured in such a way that one on the Spring force acting perpendicular to the substrate and the substrate pointing away, leads to a deformation of the first region and the second region remains undeformed under the action of the force.
  • the spring element is designed in such a way that it plastically deforms selectively at certain points under the action of the force.
  • the spring element can be a local constriction of a
  • the spring element can have a region with the local constriction, this region having a smaller cross section than the adjacent regions of the spring element. Accordingly, this area will deform plastically under the action of an external force.
  • the spring element can furthermore have a meandering area, a folded area or an arcuate area. Other non-linear areas are possible. All these areas have in common that they deform easily under the influence of an external force plastically. Furthermore, the spring element can have second regions, which are designed in a straight line.
  • Cover be designed so that they are a
  • Front volume of the transducer element against a back volume of the transducer element acoustically seals. Accordingly, no further sealing elements between the front and the rear volume are required in this case.
  • the present invention relates to a
  • the microphone manufactured according to this method may be the microphone described above. Accordingly, the process can be any functional and structural
  • the microphone may have any structural and functional feature disclosed herein in the context of the method.
  • the method comprises the steps:
  • Transducer element is attached to the cover.
  • Spring element can be significantly increased, so that this method makes it possible to produce spring elements with a large clearance height, without increasing the material requirements for the manufacturing process.
  • the step of stretching can be done very quickly, so that the duration of the process increases only insignificantly when producing a spring element with high clear height.
  • the spring element can be plastically stretched by pulling on the transducer element. Accordingly, an elongation of the spring element is maintained even if a
  • Pulling device is separated from the transducer element.
  • the spring element can be produced in particular by the following steps:
  • Layer is formed to the spring element.
  • the structured layer may for example consist of metal.
  • the spring element will accordingly need to be any shape.
  • the spring element can be stretched so that after stretching a clear height of the spring element at least the 1.5 times the clear height of the spring element before stretching.
  • the clear height of the spring element may preferably amount to at least twice the clear height of the spring element before stretching. The stretching of the spring element accordingly allows the clear height of the
  • Length of process takes and increasing the clear height by stretching the material requirement is not increased.
  • the pulling of the transducer element can have the following substeps:
  • the releasable adhesive may be dissolved by heating and / or by irradiation with UV radiation. This type of pulling on the transducer element offers the advantage that the
  • Pulling device can be separated without residue from the transducer element.
  • a plurality of transducer elements can be treated simultaneously, which simplifies the manufacturing process and reduces the duration of the process, especially when manufacturing a plurality of microphones from a wafer.
  • the transducer element may be pulled a distance in the direction away from the substrate, which is determined based on a displacement or force measurement. In contrast to a fixed train length, a fixed length based on a distance or force measurement makes it easier to use
  • Figure 1 shows a first embodiment of a microphone.
  • Figures 2 to 6 show various steps of a method for producing the microphone according to the first embodiment.
  • Figure 7 shows a second embodiment of the microphone.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a microphone 1.
  • the microphone 1 has a transducer element 2.
  • Transducer element 2 has a diaphragm 3 and a fixed one
  • the transducer element 2 forms a front volume 5 and a
  • the front volume 5 is suitable for communicating with an environment of the microphone 1 in terms of pressure.
  • the microphone 1 accordingly has a
  • the back volume 6 of the transducer element 2 is an encapsulated space in which there is a constant constant pressure.
  • the transducer element 2 is adapted to a difference between the pressure in the front volume 5 and the pressure in
  • the microphone 1 has a substrate 8.
  • the substrate 8 points to a direction away from the transducer element 2
  • connection 10 for electrical contact on.
  • the substrate 8 On a side facing the transducer element 2 top 11, the substrate 8 also has connections 12 for electrical contacting. Furthermore, the substrate 8
  • Transducer element 2 internally only with another chip device (not shown), for example, an ASIC, is connected, and this is connected to the terminals 12.
  • the microphone 1 has a spring element 14.
  • Spring element 14 has at least two springs. The
  • Spring element 14 is electrically connected to the substrate 8
  • a first end 15 of the spring element 14 is arranged on the terminals 12 on the upper side 11 of the substrate 8.
  • the spring element 14 is further electrically contacted with the transducer element 2.
  • a second end 16 of the spring element 14 is electrically contacted for this purpose with the transducer element 2.
  • the spring element 14 is electrically contacted with the transducer element 2 via a solder joint 17, which is applied to the second end 16 of the spring element 14.
  • Transducer element 2 are contacted electrically, for example via Stud bumps or by means of a conductive adhesive.
  • a spacer 18 is disposed between the second end 16 of the spring element 14 and the transducer element 2.
  • the spacer 18 and the solder joint 17 are applied to an upper side 19 of the spring element 14, which is the
  • Transducer element 2 faces. Between the upper side 19 of the spring element 14 and the transducer element 2, a gap 20 is formed.
  • the gap 20 has a height which corresponds at least to the height of the spacer 18. Accordingly, the spacer 18 ensures that the top 19 of the spring element 14 and the transducer element 2 are always at least spaced by the height of the spacer 18 from each other.
  • the microphone 1 later soldered to a circuit board (not shown) to be installed, for example, in a mobile phone, it will be high temperatures
  • the spacer 18 now ensures that even in this case, the transducer element 2 and the spring element 14 remain at a fixed distance from each other and thus not affect the now liquid solder.
  • the Spacer 18 is disposed near the solder joint 17.
  • the spacer 18 prevents the spring element 14 when melting the solder joint 17 compresses this impermissibly strong, if the spring element 14 elastic
  • the spacer 18 may be a correspondingly structured element made of metal or plastic,
  • dispenste or jetted polymer structures act.
  • the spacer 18 may also be directly at
  • the transducer element 2 is electrically contacted to the substrate 8 via the spring element 14. Accordingly, the spring element 14 on a conductive material.
  • Spring element 14 may be formed for example by a structured metal layer.
  • the spring element 14 has first regions 21a, 21b in which it is plastically deformed.
  • the spring element 14 has a first first region 21a and a second first region 21b.
  • the first first region 21a has a local cross-sectional constriction.
  • the spring element 14 accordingly has a cross section which is reduced in relation to the cross section in the adjacent regions.
  • the spring element 14 has the second first region 21 b, which is defined by a step of the
  • Spring element 14 is formed.
  • the step is arranged near the first end 15 of the spring element 14 and ensures that the spring element 14 is perpendicular to the substrate 8 in this area.
  • the spring element 14 has a second region 22 in which it is not plastically deformed.
  • the spring element 14 has in particular a plurality of second regions 22.
  • Spacer 18 and the solder joint 17 are arranged in one of the second regions 22.
  • the second region 22, in which the spacer 18 and the solder joint 17 are arranged, is arranged parallel to the substrate 8 and parallel to the connection surface 24 of the transducer element 2. Even when melting the solder joint 17, the solder will therefore not flow away from this second region 22.
  • the microphone 1 has a cover 25.
  • Transducer element 2 is attached to the cover 25.
  • the transducer element 2 is between the cover 25 and the
  • Substrate 8 is arranged.
  • the microphone 1 also has a
  • Transducer element 2 is replaced by the cover 25, the
  • cover 25 has an opening through which the front volume 5 of the transducer element 2 can communicate pressure with the environment and the
  • Sound inlet opening 7 of the microphone 1 forms.
  • the cover 25 is continuous or at least in
  • the cover 25 is configured to be contacted to a shield of the substrate 8. Thus, the cover 25 is suitable
  • the adhesive can be conductive.
  • the transducer element 2 is fastened to an inner side 28 of the cover 25 which points towards the substrate 8.
  • the transducer element 2 is by the sound seal 26 directly to the
  • the soundproofing 26 has a flexible adhesive which fixes the transducer element 2 directly to the cover 25.
  • the transducer element 2 directly to the cover 25.
  • Sound seal 26 comprise a plastic material, the transducer element 2 directly to the cover 25th
  • the soundproofing 26 surrounds the
  • the transducer element 2 is also on the spring element 14
  • FIGS. 2 to 6 show a manufacturing method for producing a microphone 1 according to the first embodiment Embodiment shown. In FIGS. 2 to 6, only a single microphone 1 is different in each case
  • FIG. 2 shows the microphone 1 after a first
  • Substrate 8 were produced in a photolithographic process.
  • the spring element 14 is thereby produced by first applying a patterned sacrificial layer (not shown) to the substrate 8.
  • the thickness of the structured sacrificial layer corresponds to the clear height of the later produced
  • the sacrificial layer may have a thickness in the range of 1 to 30 ym.
  • a structured layer for example a structured metal layer, is applied over the sacrificial layer. Now the sacrificial layer is removed again, whereby the structured layer remains. Now, through the structured layer, the spring element 14th
  • FIG. 3 shows the microphone 1 during another
  • the transducer element 2 was further provided with Lötbumps, the later the solder joint form.
  • the solder bumps, which later form the solder joint 17, could be placed on top 19 of FIG.
  • Spacer 18 is applied to the top 19 of the spring element 14, which in the finished microphone 1 near the
  • Solder 17 are arranged to ensure a minimum height of the gap 20 between the transducer element 2 and the top 19 of the spring element 14.
  • the spacer 18 could be applied to the underside of the transducer element 2.
  • Figure 4 shows the microphone 1 in a state in which the transducer element 2 is placed on the spring element 14 and is soldered thereto. Accordingly, an electrical connection between transducer element 2 and spring element 14 is produced. The solder bumps now form the solder joint 17.
  • FIG. 5 shows the microphone 1 after another
  • a pulling device 29 is connected to the transducer element 2.
  • the pulling device 29 has a flat plate 30.
  • the converter element 2 facing the underside of the flat plate 30 is provided with a detachable
  • the pulling device 29 is first pressed onto the microphone 1 so that the releasable adhesive 31 on one of the
  • the pulling device 29 pulls the
  • the spring element 14 is such
  • the clear height of the spring element 14 is increased to at least 30 ym.
  • the clear height of the spring element 14 can be increased so that it is now in a range of 30 to 250 .mu.m, preferably from 50 to 200 ym.
  • the clear height compared to the clear height before stretching by at least 1.5 times, preferably at least twice, is increased.
  • Region 21 a which has the local cross-sectional taper, are greatly deformed when the spring element 14 is pulled.
  • the spring element 14 is bent in each case at the step and in the region of the cross-sectional constriction.
  • the second end 16 of the spring element 14, in the vicinity of which the solder connection 17 is arranged remains substantially parallel to the transducer element 2.
  • the pulling device 29 has a control unit (not shown), which determines the deflection on the basis of a displacement or force measurement, around which the spring element 14 is stretched. The pulling device 29 pulls the second end 16 of the
  • Spring element 14 in the direction of the surface normal away from the substrate 8 and provides for a plastic expansion of the spring element 14 to a required level.
  • FIG. 6 shows the microphone 1 after another
  • the fastening means 27 is arranged, by means of which the cover 25 later with the
  • FIG. 6 further shows that a sealant on the
  • Transducer element 2 is applied, which forms the sound seal 26 in the finished microphone 1.
  • the sealant may alternatively also on the inside 28 of the cover 25th be arranged. The latter is possibly simpler, since the transducer element 2 to that shown in Figure 6
  • Process time is not attached, but only by the spring elements 14 is worn.
  • the cover 25 is now applied and connected in its edge regions with the substrate 8. In this case, further, the soundproofing 26 between the transducer element 2 and the cover 25 to the
  • cover 25 may further the
  • Spring element 14 are elastically compressed.
  • the spring element 14 may have an elastic stress in a direction away from the substrate 8 direction.
  • FIG. 7 shows a microphone 1 according to a second one
  • the spring element 14 has a meandering first region 21 in which it is plastically stretched.
  • the length of the spring element 14 may be configured such that it is at least twice the shortest connection between the first and the second end 15, 16 of the spring element 14.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofon (1), welches ein Substrat (8), ein Federelement (14), ein Wandlerelement (2) und eine Abdeckung (25) aufweist. Das Federelement (14) ist plastisch in eine Richtung senkrecht zu dem Substrat (8) gedehnt. Das Wandlerelement (2) ist über das Federelement (14) elektrisch mit dem Substrat (8) kontaktiert. Die Abdeckung (25) ist an dem Wandlerelement (2) befestigt und derart angeordnet, dass das Wandlerelement (2) zwischen der Abdeckung (25) und dem Substrat (8) angeordnet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrofons.

Description

Beschreibung
Mikrofon und Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofon sowie ein
Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons. Dabei kann es sich insbesondere um ein Kondensatormikrofon handeln.
Ein solches Mikrofon weist ein Wandlerelement auf, das in einem Package verkapselt werden muss. Um bei einem solchen Mikrofon eine gute Aufnahmequalität zu ermöglichen, ist ein möglichst großes Rückvolumen erforderlich, da durch ein großes Rückvolumen die Sensibilität des Mikrofons für die Aufzeichnung von Druckschwankungen verbessert wird. Ferner sollte bei dem Mikrofon der Aufwand für die interne
elektrische Verschaltung gering gehalten werden und das Wandlerelement vor mechanischen Stress geschützt werden.
Aus DE 10 2004 011148 B3 ist ein Mikrofon bekannt, bei dem ein Mikrofonchip mittels eines Deckels und einer
Schalldichtung verkapselt wird. Der Mikrofonchip ist ferner über eine starre Befestigungseinrichtung auf einem Substrat befestigt. Bei diesem Mikrofon treten starke mechanische Kopplungen sowohl zwischen dem Deckel und dem Mikrofonchip als auch zwischen dem Mikrofonchip und dem Substrat auf. Die Kopplungen können die Funktionsweise des Mikrofonchips beeinträchtigen und ferner zu einem temperaturabhängigen Verhalten des Systems führen. Ein weiteres Mikrofon ist aus US 8,218,794 B2 bekannt. Bei diesem Mikrofon ist der Mikrofonchip über eine Feder auf dem Substrat befestigt, wobei die Feder fotolithografisch durch das Entfernen einer Opferschicht gefertigt wird. Das Abscheiden und das spätere Entschichten der Opferschicht sind sehr zeit- und materialaufwendig, so dass die Opferschicht in wirtschaftlich sinnvoller Weise nur mit einer geringen Höhe gefertigt werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein
verbessertes Mikrofon bereitzustellen, das zumindest einen der oben genannten Nachteile überwindet. Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Mikrofons anzugeben.
Die Aufgabe wird durch ein Mikrofon gemäß dem vorliegenden Anspruch 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird durch ein
Verfahren gemäß dem zweiten unabhängigen Anspruch gelöst.
Es wird ein Mikrofon vorgeschlagen, das ein Substrat, ein Federelement, das plastisch in eine Richtung senkrecht zu dem Substrat gedehnt ist, ein Wandlerelement, das über das
Federelement elektrisch mit dem Substrat kontaktiert ist, und eine Abdeckung, an der das Wandlerelement befestigt ist und die derart angeordnet ist, dass das Wandlerelement zwischen der Abdeckung und dem Substrat angeordnet ist, aufweist.
Durch die plastische Dehnung des Federelements kann dieses eine große lichte Höhe aufweisen. Die lichte Höhe gibt den maximalen Abstand zwischen einer dem Substrat zugewandten Unterseite des Federelements und einer dem Wandlerelement zugewandten Oberseite des Substrats an. In diesem Abstand befindet sich zwischen der Unterseite des Federelements und der Oberseite des Substrats ein freier Raum.
Ein Federelement mit einer großen lichten Höhe ist dazu geeignet, große Fertigungstoleranzen auszugleichen. Bei dem vorliegenden Mikrofon treten Fertigungstoleranzen in
verschiedenen Parametern auf. Hierzu zählen beispielsweise die Höhe des Wandlerelements, die Höhe der Abdeckung sowie die Höhe des Federelements. Ferner können ein Durchbiegen und ein Verzug der Abdeckung zu weiteren Toleranzen führen. Die hier genannten Fertigungstoleranzen addieren sich auf und führen insgesamt zu einer nicht unerheblichen Unsicherheit bezüglich der Lage des Wandlerelements. Das Federelement ist jedoch in der Lage dazu, diese
Fertigungstoleranzen auszugleichen, da es Bewegungen des Wandlerelements relativ zu dem Substrat zulässt, wodurch die Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können. Für eine Bewegung des Wandlerelements relativ zu dem Substrat muss lediglich eine Federkraft des Federelements überwunden werden. Diese Federkraft ist bei kleinen Wegstrecken der Relativbewegung gering.
Das Wandlerelement ist hier insbesondere derart zwischen Abdeckung und dem Substrat angeordnet, dass die Abdeckung, das Wandlerelement und das Substrat einen Raum einschließen, der ein Rückvolumen des Wandlerelementes ausbildet.
Dementsprechend weist das Wandlerelement ein großes
Rückvolumen auf, wodurch eine hohe Sensibilität des
Wandlerelements gewährleistet werden kann.
Das Federelement, über das das Wandlerelement mit dem
Substrat elektrisch kontaktiert ist, stellt eine mechanische Befestigung des Wandlerelementes an dem Substrat dar. Diese Befestigung ist jedoch federnd ausgestaltet und
dementsprechend nahezu kräftefrei. Sie unterscheidet sich damit entscheidend von der starren Befestigung des
Wandlerelements an der Abdeckung, da sie es dem Wandlerelement erlaubt, einer Bewegung der Abdeckung zu folgen, ohne dabei großen mechanischen Stress ausgesetzt zu sein .
Das vorliegende Mikrofon ermöglicht es dementsprechend, das Wandlerelement vor mechanischem Stress zu schützen.
Mechanischer Stress tritt beispielsweise auf, wenn die
Abdeckung sich relativ zu dem Substrat bewegt. Dazu kann es beispielsweise infolge einer Temperaturänderung kommen, wenn Substrat und Abdeckung einen unterschiedlich starken
thermischen Verzug erfahren. Auch bei dem Einbau des
Mikrofons in ein externes Gehäuse können Kräfte auf die Abdeckung ausgeübt werden, die zu einer Verformung der
Abdeckung führen, beispielsweise wenn die Abdeckung gegen einen Dichtungsring gepresst wird.
Das Federelement ermöglicht es das Wandlerelement vor mechanischem Stress zu schützen, da es für eine gewisse mechanische Entkopplung zwischen Wandlerelement und Substrat sorgt, indem es Bewegungen des Wandlerelements relativ zu dem Substrat in einem gewissen Rahmen zulässt. Ferner sorgt das Federelement dafür, dass die elektrische Verbindung zwischen dem Wandlerelement und dem Substrat mit geringem Aufwand realisiert werden kann.
Das Wandlerelement kann mit dem Federelement mechanisch verbunden sein, wobei die Befestigung des Wandlerelements an der Abdeckung starrer sein kann als die mechanische
Verbindung zwischen dem Wandlerelement und dem Substrat, die durch das Federelement gebildet wird.
Die Kraft, die erforderlich ist, um das Wandlerelement relativ zu dem Substrat zu bewegen, kann dementsprechend geringer sein als die Kraft, die erfordern ist, um da Wandlerelement um die gleiche Strecke relat zu der
Abdeckung zu bewegen. Bei der Kraft kann es ich um eine Druck-, Zug- oder Scherkraft handeln.
Insbesondere kann die Befestigung des Wandlerelementes an der Abdeckung um das Zehnfache starrer sein als die mechanische Verbindung zwischen dem Wandlerelement und dem Substrat, die durch das Federelement gebildet wird. In diesem Fall beträgt die Kraft, die erforderlich ist, um das Wandlerelement relativ zu der Abdeckung zu bewegen, mindestens das Zehnfache der Kraft, die erforderlich ist, um das Wandlerelement um die gleiche Strecke relativ zu dem Substrat zu bewegen. Die Befestigung des Wandlerelementes an der Abdeckung kann auch um das Hundertfache starrer sein als die mechanische Verbindung zwischen dem Wandlerelement und dem Substrat, die durch das Federelement gebildet wird. Das Federelement dient dementsprechend in erster Linie lediglich der elektrischen Kontaktierung des Wandlerelements mit dem Substrat und stellt keine stabile mechanische
Befestigung im eigentlichen Sinne dar. Vielmehr ist die mechanische Verbindung federnd ausgestaltet und kann so für eine mechanische Entkopplung von Wandlerelement und Substrat sorgen. Wie oben beschrieben, können dadurch sowohl
Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden als auch Kräfte, die durch die Abdeckung auf das Wandlerelement übertragen werden, absorbiert werden.
Das Federelement kann eine lichte Höhe von zumindest 50 ym aufweisen. Bei einem Federelement mit einer solchen lichten Höhe werden die üblicherweise auftretenden Fertigungstoleranzen hinreichend gut ausgeglichen, so dass bei der Herstellung des Mikrofons nur ein sehr geringer Anteil von Mikrofonen außerhalb von vorgegebenen
Spezifikationsgrenzen gefertigt wird.
Je größer die lichte Höhe des Federelementes gewählt wird, desto besser können die Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden und desto besser kann das Wandlerelement mechanisch von dem Substrat entkoppelt werden. Auf der anderen Seite sollte die Gesamthöhe des Mikrofons nicht zu groß gewählt werden, um die Gesamthöhe des Mikrofons nicht unnötig zu erhöhen. Das Mikrofon könnte für den Einbau in mobilen
Kommunikationsgeräten eingesetzt werden, wobei eine
vorgegebene Gesamthöhe des Mikrofons nicht überschritten werden sollte. Ferner ist zu beachten, dass mit zunehmender lichten Höhe des Federelements auch die Toleranzen des
Federelements selbst zunehmen.
Die lichte Höhe des Federelements kann einen Bereich von 30 bis 250ym, vorzugsweise 50 bis 200ym, im entspannten Zustand aufweisen .
Bei dem Zusammenbau des Mikrofons kann sich die maximale lichte Höhe des Federelements durch eine elastische
Vorspannung des Federelements reduzieren, z.B. auf 200 ym oder auf 150 ym. Im fertigen Mikrofon, d.h. im
zusammengebauten Zustand kann die lichte Höhe des
Federelements dementsprechend einen Bereich von 30 bis 200 ym, vorzugsweise 50 bis 200ym, oder einen Bereich von 30 bis 150 ym, vorzugsweise 50 bis 150ym, aufweisen. Federelemente mit einer lichten Höhe in diesen Bereichen stellen einen guten Kompromiss zwischen den oben genannten Anforderungen dar . Das Federelement kann eine Oberseite aufweisen, die dem
Wandlerelement zugewandt ist, wobei ein Abstandhalter derart zwischen dem Federelement und dem Wandlerelement angeordnet sein kann, dass zwischen dem Wandlerelement und der Oberseite des Federelements ein Spalt ausgebildet wird, dessen Höhe zumindest der Höhe des Abstandhalters entspricht.
Durch den Abstandhalter kann insbesondere das spätere
Weiterverarbeiten des Mikrofons deutlich vereinfacht werden. Sind beispielsweise das Wandlerelement und das Federelement durch eine Lötverbindung miteinander kontaktiert, so kann es während eines nachfolgenden Auflötens des Mikrofons auf eine Leiterplatine erforderlich sein, das Mikrofon auf eine
Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der Lötverbindung zu erhitzen. In diesem Fall sorgt der Abstandhalter dafür, dass die Lötverbindung nicht zwischen dem Federelement und dem Wandlerelement zerdrückt wird. Der Abstandhalter kann dementsprechend sicherstellen, dass eine temporär
aufgeschmolzene Lötverbindung später wieder zu einer
verlässlichen Verbindung erstarren kann.
Insbesondere kann das Wandlerelement mit der Oberseite des Federelements durch eine Lötverbindung kontaktiert sein und ein Material des Abstandhalters einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die Lötverbindung. Auf diese Weise wird
sichergestellt, dass der Abstandhalter bei Temperaturen, die zu einem Schmelzen der Lötverbindung führen, unbeeinträchtigt bleibt und dementsprechend auch bei diesen Temperaturen sicherstellen kann, das Wandlerelement und das Federelement richtig zueinander ausgerichtet bleiben und in dem
vorgesehenen Abstand zueinander angeordnet verbleiben. Das Federelement kann einen ersten Bereich aufweisen, in dem es plastisch gedehnt ist und einen zweiten Bereich aufweisen, der weitgehend frei von einer plastischen Dehnung ist. Der Begriff „weitgehend frei" bedeutet hier, dass der zweite Bereich im Vergleich zu dem ersten Bereich zumindest um einen Faktor 10 weniger stark gedehnt ist, vorzugsweise zumindest um einen Faktor 100 weniger stark. Beispielsweise kann das Federelement derart ausgestaltet sein, dass eine auf das Federelement ausgeübte Kraft, die senkrecht zu dem Substrat und vom Substrat wegweisend wirkt, zu einer Verformung des ersten Bereichs führt und der zweite Bereich unter Einwirkung der Kraft unverformt bleibt.
Vorzugsweise sind die Lötverbindung und/oder der
Abstandhalter in dem zweiten Bereich angeordnet. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Ausrichtung zwischen Federelement und Wandlerelement durch die plastische Dehnung des Federelements nicht beeinflusst wird. Das
Federelement ist dementsprechend derart ausgestaltet, dass es sich an bestimmten Stellen gezielt unter Einwirkung der Kraft plastisch verformt.
Das Federelement kann eine lokale Verengung eines
Querschnitts aufweisen. Dementsprechend kann das Federelement einen Bereich mit der lokalen Verengung aufweisen, wobei dieser Bereich einen kleineren Querschnitt hat als die angrenzenden Bereiche des Federelementes. Dementsprechend wird sich dieser Bereich unter Einwirkung einer äußeren Kraft eher plastisch verformen. Der Bereich der lokalen
Querschnittsverengung ermöglicht es daher gezielt zu steuern, wie und in welchen Bereichen das Federelement plastisch verformt wird. Das Federelement kann ferner einen mäanderförmigen Bereich, einen gefalteten Bereich oder einen bogenförmigen Bereich aufweisen. Auch andere nicht-geradlinige Bereiche sind möglich. All diesen Bereichen ist gemein, dass sie sich unter Einwirkung einer äußeren Kraft leichter plastisch verformen. Ferner kann das Federelement zweite Bereiche aufweisen, die geradlinig ausgestaltet sind.
Ferner kann die Befestigung des Wandlerelements an der
Abdeckung derart ausgestaltet sein, dass sie ein
Vordervolumen des Wandlerelements gegen ein Rückvolumen des Wandlerelements akustisch abdichtet. Dementsprechend werden in diesem Fall keine weiteren Abdichtelemente zwischen dem Vorder- und dem Rückvolumen benötigt.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung gemäß einem
weiteren Aspekt ein Verfahren zur Herstellung eines
Mikrofons. Das gemäß diesem Verfahren hergestellte Mikrofon kann das oben beschriebene Mikrofon sein. Dementsprechend kann das Verfahren jedes funktionelle und strukturelle
Merkmal, das zusammen mit dem Mikrofon offenbart ist, aufweisen. Umgekehrt kann das Mikrofon jedes strukturelle und funktionale Merkmal aufweisen, das hier im Zusammenhang mit dem Verfahren offenbart ist.
Das Verfahren weist die Schritte auf:
- Erzeugen eines Federelements auf einem Substrat,
- Elektrisches Kontaktieren eines Wandlerelements mit dem Federelement,
- Ziehen des Wandlerelements in eine Richtung weg von dem Substrat, wobei das Federelement in diese Richtung gedehnt wird, und - Anbringen einer Abdeckung auf dem Substrat, wobei das
Wandlerelement an der Abdeckung befestigt wird.
Dadurch, dass das Federelement und die Abdeckung gemeinsam vom Substrat weggezogen werden, kann die lichte Höhe des
Federelementes entscheidend vergrößert werden, so dass dieses Verfahren es ermöglicht, Federelemente mit einer großen lichten Höhe herzustellen, ohne dabei den Materialbedarf für das Herstellungsverfahren zu erhöhen. Darüber hinaus kann der Verfahrensschritt des Dehnens sehr schnell erfolgen, so dass die Dauer des Verfahrens bei Herstellung eines Federelements mit großer lichter Höhe nur unwesentlich zunimmt.
Das Federelement kann durch das Ziehen an dem Wandlerelement plastisch gedehnt werden. Dementsprechend bleibt eine Dehnung des Federelementes auch dann erhalten, wenn eine
Zugvorrichtung von dem Wandlerelement getrennt wird.
Das Federelement kann insbesondere durch folgende Schritte erzeugt werden:
- Aufbringen einer strukturierten Opferschicht auf dem
Substrat,
- Aufbringen einer strukturierten Schicht auf der
Opferschicht, und
- Entfernen der Opferschicht, wodurch die strukturierte
Schicht zu dem Federelement ausgebildet wird.
Die strukturierte Schicht kann beispielsweise aus Metall bestehen. Das Federelement wird dementsprechend
fotolithografisch hergestellt.
Das Federelement kann derart gedehnt werden, dass nach dem Dehnen eine lichte Höhe des Federelementes mindestens das 1,5-fache der lichten Höhe des Federelements vor dem Dehnen beträgt. Die lichte Höhe des Federelementes kann vorzugsweise mindestens das Doppelte der lichten Höhe des Federelementes vor dem Dehnen betragen. Das Dehnen des Federelementes ermöglicht es dementsprechend die lichte Höhe des
Federelementes erheblich zu vergrößern. Das Dehnen des
Federelementes ist deutlich gegenüber dem fotolithografischen Herstellen des Federelements mit einer großen lichten Höhe deutlich vorteilhaft, da das Dehnen nur eine kurze
Verfahrensdauer in Anspruch nimmt und die Vergrößerung der lichten Höhe durch Dehnen den Materialbedarf nicht erhöht.
Das Ziehen des Wandlerelementes kann folgende Teilschritte aufweisen :
- Befestigen einer Zugvorrichtung an einer vom Substrat wegweisenden Rückseite des Wandlerelements mittels eines lösbaren Klebemittels,
- Ziehen an der Zugvorrichtung in einer Richtung weg von dem Substrat, und
- Trennen der Zugvorrichtung von dem Wandlerelement durch Lösen des lösbaren Klebemittels.
Das lösbare Klebemittel kann durch Erwärmen und/oder durch Bestrahlung mit UV-Strahlung gelöst werden. Diese Art des Ziehens an dem Wandlerelement bietet den Vorteil, dass die
Zugvorrichtung rückstandsfrei von dem Wandlerelement getrennt werden kann. Außerdem kann mit einer einzigen Zugvorrichtung eine Vielzahl von Wandlerelementen gleichzeitig behandelt werden, was insbesondere bei der Herstellung einer Vielzahl von Mikrofonen aus einem Wafer das Herstellungsverfahren vereinfacht und die Verfahrensdauer reduziert. Das Wandlerelement kann über eine Länge in Richtung weg von dem Substrat gezogen werden, die auf Basis einer Weg- oder Kraftmessung festgelegt wird. Im Gegensatz zu einer fest vorgegebenen Zuglänge ermöglicht es ein auf Basis einer Weg- oder Kraftmessung festgelegt Länge besser auf
unterschiedliche Fertigungstoleranzen einzugehen und diese aus zugleichen .
Im Folgenden wird das Mikrofon und bevorzugte
Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikrofons.
Figuren 2 bis 6 verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Herstellung des Mikrofons gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel . Figur 7 ein zweites Ausführungsbeispiel des Mikrofons.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikrofons 1. Das Mikrofon 1 weist ein Wandlerelement 2 auf. Das
Wandlerelement 2 weist eine Membran 3 und eine feste
Rückplatte 4 auf. Zwischen der Membran 3 und der Rückplatte 4 ist eine Spannung angelegt, sodass die Membran 3 und die Rückplatte 4 einen Kondensator bilden. Die Kapazität dieses Kondensators ist abhängig von einem erfassten Schall
veränderbar .
Das Wandlerelement 2 bildet ein Vordervolumen 5 und ein
Rückvolumen 6 aus. Das Vordervolumen 5 ist dazu geeignet, mit einer Umgebung des Mikrofons 1 druckmäßig zu kommunizieren. Das Mikrofons 1 weist dementsprechend eine
Schalleintrittsöffnung 7 auf, über die das Vordervolumen 5 mit der Umgebung druckmäßig kommunizieren kann und über die Schall zur Membran 3 gelangen kann.
Das Rückvolumen 6 des Wandlerelements 2 ist ein abgekapselter Raum, in dem ein konstanter unveränderlicher Druck vorliegt. Das Wandlerelement 2 ist dazu geeignet, eine Differenz zwischen dem Druck im Vordervolumen 5 und dem Druck im
Rückvolumen 6 zu messen.
Ferner weist das Mikrofon 1 ein Substrat 8 auf. Das Substrat 8 weist auf einer vom Wandlerelement 2 wegweisenden
Unterseite 9 Anschlüsse 10 zur elektrischen Kontaktierung auf. Auf einer zum Wandlerelement 2 hinweisenden Oberseite 11 weist das Substrat 8 ebenfalls Anschlüsse 12 zur elektrischen Kontaktierung auf. Ferner weist das Substrat 8
Durchkontaktierungen 13 auf, über die die Anschlüsse 12 auf der Oberseite 11 mit den Anschlüssen 10 auf der Unterseite 9 elektrisch verbunden sind. Es ist auch möglich, dass das
Wandlerelement 2 intern nur mit einem weiteren Chipbauelement (nicht gezeigt) , beispielsweise einem ASIC, verschaltet ist, und dieser mit den Anschlüssen 12 verbunden ist. Das Mikrofon 1 weist ein Federelement 14 auf. Das
Federelement 14 weist mindestens zwei Federn auf. Das
Federelement 14 ist elektrisch mit dem Substrat 8
kontaktiert. Ein erstes Ende 15 des Federelements 14 ist auf den Anschlüssen 12 auf der Oberseite 11 des Substrats 8 angeordnet.
Das Federelement 14 ist ferner mit dem Wandlerelement 2 elektrisch kontaktiert. Ein zweites Ende 16 des Federelements 14 ist hierzu mit dem Wandlerelement 2 elektrisch kontaktiert. In dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Federelement 14 mit dem Wandlerelement 2 über eine Lötverbindung 17 elektrisch kontaktiert, die an dem zweiten Ende 16 des Federelements 14 aufgebracht ist. In alternativen Ausführungsformen kann das Federelement 14 mit dem
Wandlerelement 2 beispielsweise über Stud-Bumps oder mittels eines Leitklebers elektrisch kontaktiert werden. Insbesondere weist das Wandlerelement 2 auf einer dem
Substrat 8 zugewandten Unterseite 23 Anschlussflächen 24 auf, die elektrisch mit dem Federelement 14 kontaktiert sind.
Ferner ist zwischen dem zweiten Ende 16 des Federelements 14 und dem Wandlerelement 2 ein Abstandhalter 18 angeordnet. Der Abstandhalter 18 und die Lötverbindung 17 sind auf einer Oberseite 19 des Federelements 14 aufgebracht, die dem
Wandlerelement 2 zugewandt ist. Zwischen der Oberseite 19 des Federelements 14 und dem Wandlerelement 2 ist ein Spalt 20 ausgebildet. Der Spalt 20 weist eine Höhe auf, die zumindest der Höhe des Abstandhalters 18 entspricht. Dementsprechend sorgt der Abstandhalter 18 dafür, dass die Oberseite 19 des Federelements 14 und das Wandlerelement 2 stets zumindest um die Höhe des Abstandhalters 18 voneinander beabstandet sind.
Wird das Mikrofon 1 später auf eine Leiterplatte (nicht gezeigt) gelötet, um beispielsweise in einem Mobiltelefon verbaut zu werden, wird es dabei hohen Temperaturen
ausgesetzt, die zum Aufschmelzen der Lötverbindung 17 führen. Der Abstandhalter 18 sorgt nunmehr dafür, dass auch in diesem Fall das Wandlerelement 2 und das Federelement 14 in einem festen Abstand zueinander verbleiben und somit das nunmehr flüssige Lot nicht beeinträchtigen. Insbesondere ist der Abstandhalter 18 nahe der Lötverbindung 17 angeordnet. Somit verhindert der Abstandhalter 18, dass das Federelement 14 beim Aufschmelzen der Lötverbindung 17 diese unzulässig stark zusammendrückt, falls das Federelement 14 elastisch
vorgespannt ist.
Bei dem Abstandhalter 18 kann es sich um ein entsprechend strukturiertes Element aus Metall oder Kunststoff,
beispielsweise dispenste oder gejettete Polymerstrukturen, handeln. Der Abstandhalter 18 kann auch unmittelbar beim
Strukturierprozess des Federelements 14 erzeugt werden und dementsprechend einteilig mit dem Federelement 14
ausgestaltet sein. Das Wandlerelement 2 ist über das Federelement 14 elektrisch mit dem Substrat 8 kontaktiert. Dementsprechend weist das Federelement 14 ein leitfähiges Material auf. Das
Federelement 14 kann beispielsweise durch eine strukturierte Metallschicht ausgebildet sein. Das Federelement 14 weist erste Bereiche 21a, 21b auf, in denen es plastisch verformt ist. Bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Federelement 14 einen ersten ersten Bereich 21a und einen zweiten ersten Bereich 21b auf. Der erste erste Bereich 21a weist eine lokale Querschnittsverengung auf. Hier weist das Federelement 14 dementsprechend einen Querschnitt auf, der gegenüber dem Querschnitt in den benachbarten Bereichen reduziert ist. Ferner weist das Federelement 14 den zweiten ersten Bereich 21b auf, der durch eine Stufe des
Federelements 14 gebildet ist. Die Stufe ist nahe dem ersten Ende 15 des Federelements 14 angeordnet und sorgt dafür, dass das Federelement 14 in diesem Bereich senkrecht vom Substrat 8 weg steht. Das Federelement 14 weist einen zweiten Bereiche 22 auf, in dem es nicht plastisch verformt ist. Das Federelement 14 weist insbesondere mehrere zweite Bereiche 22 auf. Der
Abstandhalter 18 und die Lötverbindung 17 sind in einem der zweiten Bereiche 22 angeordnet. Der zweite Bereich 22, in dem der Abstandhalter 18 und die Lötverbindung 17 angeordnet sind, ist parallel zu dem Substrat 8 und parallel zu der Anschlussfläche 24 des Wandlerelements 2 angeordnet. Selbst beim Aufschmelzen der Lötverbindung 17 wird das Lot also nicht aus diesem zweiten Bereich 22 wegfließen.
Ferner weist das Mikrofon 1 eine Abdeckung 25 auf. Das
Wandlerelement 2 ist an der Abdeckung 25 befestigt. Das Wandlerelement 2 ist zwischen der Abdeckung 25 und dem
Substrat 8 angeordnet. Das Mikrofon 1 weist ferner eine
Schallabdichtung 26 auf, über die das Wandlerelement 2 mit der Abdeckung 25 verbunden ist und die das Vordervolumen 5 des Wandlerelements 2 akustische von dem Rückvolumen 6 des Wandlerelements 2 trennt. Das Rückvolumen 6 des
Wandlerelements 2 wird durch die Abdeckung 25, die
Schallabdichtung 26, das Wandlerelement 2 und das Substrat 8 eingeschlossen .
Ferner weist die Abdeckung 25 eine Öffnung auf, über die das Vordervolumen 5 des Wandlerelements 2 druckmäßig mit der Umgebung kommunizieren kann und die die
Schalleintrittsöffnung 7 des Mikrofons 1 bildet.
Die Abdeckung 25 ist durchgängig oder zumindest in
Teilschichten elektrisch leitfähig. Die Abdeckung 25 ist dazu ausgestaltet, an eine Schirmung des Substrats 8 kontaktiert zu werden. Somit ist die Abdeckung 25 geeignet,
elektromagnetische Einstrahlungen von außen von dem Wandlerelement 2 fernzuhalten. Zu diesem Zweck ist die
Abdeckung 25 mittels eines Befestigungsmittels 27, z.B.
mittels Lot, Klebstoff oder einer Kombination aus beiden, an dem Substrat 8 befestigt. Der Klebstoff kann leitfähig sein.
Das Wandlerelement 2 ist an einer zum Substrat 8 hinweisenden Innenseite 28 der Abdeckung 25 befestigt. Das Wandlerelement 2 ist durch die Schallabdichtung 26 unmittelbar an der
Innenseite 28 der Abdeckung 2 befestigt.
Die Schallabdichtung 26 weist einen flexiblen Klebstoff auf, der das Wandlerelement 2 unmittelbar an der Abdeckung 25 befestigt. Alternativ oder ergänzend kann die
Schallabdichtung 26 ein plastisches Material aufweisen, das das Wandlerelement 2 unmittelbar an der Abdeckung 25
befestigt. Die Schallabdichtung 26 umgibt die
Schalleintrittsöffnung 7 lückenlos und bildet somit die akustische Abdichtung zwischen Vordervolumen 5 und
Rückvolumen 6.
Das Wandlerelement 2 ist an dem Federelement 14 auch
mechanisch befestigt. Die mechanische Befestigung von dem Wandlerelement 2 an dem Federelement 14 ist jedoch praktisch kräftefrei. Insbesondere ist die mechanische Befestigung des Wandlerelements 2 an der Abdeckung 25 starrer als die
mechanische Befestigung des Wandlerelements 2 an dem
Federelement 14. Die Befestigung des Wandlerelements 2 an dem Federelement 14 stellt somit keine Befestigung im
eigentlichen Sinne dar, sondern bildet lediglich eine
elektrische Kontaktierung aus.
In den Figuren 2 bis 6 ist ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Mikrofons 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. In den Figuren 2 bis 6 dabei ist jeweils nur ein einziges Mikrofon 1 zu verschiedenen
Zeitpunkten des Herstellungsverfahrens gezeigt. Das hier beschriebene Verfahren ermöglicht es jedoch, auf einem Wafer eine Vielzahl von Mikrofonen 1 gleichzeitig herzustellen, wobei die jeweiligen Verfahrensschritte für jedes Mikrofon 1 gleichzeitig durchgeführt werden.
Figur 2 zeigt das Mikrofon 1 nach einem ersten
Verfahrensschritt, bei dem das Federelement 14 auf dem
Substrat 8 in einem fotolithografischen Verfahren erzeugt wurden .
Das Federelement 14 wird dabei erzeugt, indem zunächst eine strukturierte Opferschicht (nicht gezeigt) auf dem Substrat 8 aufgebracht wird. Die Dicke der strukturierten Opferschicht entspricht der lichten Höhe des später erzeugten
Federelements 14. Die Opferschicht kann eine Dicke im Bereich von 1 bis 30 ym aufweisen.
Anschließend wird eine strukturierte Schicht, beispielsweise eine strukturierte Metallschicht, über der Opferschicht aufgebracht. Nunmehr wird die Opferschicht wieder entfernt, wobei die strukturierte Schicht bestehen bleibt. Nunmehr wird durch die strukturierte Schicht das Federelement 14
ausgebildet .
Figur 3 zeigt das Mikrofon 1 während eines weiteren
Verfahrensschritts, bei dem das Wandlerelement 2 auf dem Federelement 14 aufgesetzt wird.
Vor diesem Verfahrensschritt wurde das Wandlerelement 2 ferner mit Lötbumps versehen, die später die Lötverbindung ausbilden. Alternativ könnten die Lötbumps, die später die Lötverbindung 17 ausbilden, auf der Oberseite 19 des
Federelements 14 aufgebracht werden. Ferner wurden
Abstandhalter 18 auf der Oberseite 19 des Federelements 14 aufgebracht, die im fertiggestellten Mikrofon 1 nahe der
Lötverbindung 17 angeordnet sind, um eine minimale Höhe des Spaltes 20 zwischen Wandlerelement 2 und der Oberseite 19 des Federelementes 14 sicherzustellen. Alternativ könnte der Abstandhalter 18 auf der Unterseite des Wandlerelements 2 aufgebracht werden.
Figur 4 zeigt das Mikrofon 1 in einem Zustand, bei dem das Wandlerelement 2 auf dem Federelement 14 aufgesetzt ist und mit diesem verlötet ist. Dementsprechend ist eine elektrische Verbindung zwischen Wandlerelement 2 und Federelement 14 hergestellt. Die Lötbumps bilden nun die Lötverbindung 17.
Figur 5 zeigt das Mikrofon 1 nach einem weiteren
Verfahrensschritt. Hierbei wird eine Zugvorrichtung 29 mit dem Wandlerelement 2 verbunden. Die Zugvorrichtung 29 weist eine ebene Platte 30 auf. Die dem Wandlerelement 2 zugewandte Unterseite der ebenen Platte 30 ist mit einem lösbaren
Klebemittel 31 beschichtet, beispielsweise mit einem Thermal Release Tape, zum Beispiel REVALPHA von Nitto Denko.
Die Zugvorrichtung 29 wird zunächst so auf das Mikrofon 1 gedrückt, dass das lösbare Klebemittel 31 auf einer vom
Substrat 8 weg weisenden Oberseite des Wandlerelements 2 anhaftet. Anschließend wird die Zugvorrichtung 31 mit einer bestimmten Zugkraft in eine vom Substrat 8 wegweisend
Richtung gezogen. Dabei zieht die Zugvorrichtung 29 das
Wandlerelement 2 von dem Substrat 8 weg. Auch das
Federelement 14, das mit dem Wandlerelement 2 über die Lötverbindung 17 mechanisch verbunden ist, folgt dieser
Zugkraft und wird dabei in die vom Substrat 8 wegweisende Richtung gedehnt. Das Federelement 14 ist derart
ausgestaltet, dass es sich dabei plastisch dehnt.
Durch die plastische Dehnung des Federelements 14 wird seine lichte Höhe vergrößert. Insbesondere wird die lichte Höhe des Federelementes 14 auf mindestens 30 ym erhöht. Durch das Ziehen in die Richtung vom Substrat weg kann die lichte Höhe des Federelementes 14 derart erhöht werden, das sie nunmehr in einem Bereich von 30 bis 250 um, vorzugsweise von 50 bis 200 ym, liegt. Insbesondere wird die lichte Höhe gegenüber der lichten Höhe vor dem Dehnen um mindestens das 1,5-Fache, vorzugsweise mindestens das Doppelte, erhöht.
Wird in einem weiteren Verfahrensschritt die Abdeckung 25 über dem Wandlerelement 2 angeordnet, so wird dabei das
Federelement 14 zusammengedrückt und elastisch verformt.
Dadurch reduziert sich die maximale lichte Höhe des
Federelements 14 auf 150ym.
Bei dem Ziehen in die vom Substrat 8 wegweisende Richtung wird das Federelement 14 plastisch verformt. Diese plastische Verformung erfolgt nahezu ausschließlich in den ersten
Bereichen 21a, 21b des Federelements 14. Sowohl der erste Bereich 21b, der die Stufe aufweist, als auch der erste
Bereich 21a, der die lokalen Querschnittsverjüngung aufweist, werden bei dem Ziehen des Federelements 14 stark verformt. Das Federelement 14 wird jeweils an der Stufe und in dem Bereich der Querschnittsverengung abgeknickt. Das zweite Ende 16 des Federelements 14, in dessen Nähe die Lötverbindung 17 angeordnet ist, bleibt dagegen im Wesentlichen parallel zu dem Wandlerelement 2. Die Zugvorrichtung 29 verfügt über eine Steuereinheit (nicht gezeigt) , die auf Basis einer Weg- oder Kraftmessung die Auslenkung festlegt, um die das Federelement 14 gedehnt wird. Die Zugvorrichtung 29 zieht das zweite Ende 16 des
Federelements 14 in Richtung der Flächennormalen von dem Substrat 8 weg und sorgt für eine plastische Dehnung des Federelements 14 auf ein erforderliches Maß. Bei dem
Einstellen der Dehnung durch die Zugvorrichtung 29 ist ferner zu berücksichtigen, dass das Federelement 14 neben der plastischen Dehnung auch eine teilweise elastische Dehnung erfährt, um die es nach dem Lösen der Zugvorrichtung 29 zurückfedert . Figur 6 zeigt das Mikrofon 1 nach einem weiteren
Verfahrensschritt. In diesem weiteren Verfahrensschritt wurde die Zugvorrichtung 29 von dem Wandlerelement 2 getrennt.
Dieses kann durch Erwärmung der Zugvorrichtung 29 auf eine Temperatur über der Release Temperatur erfolgen, wodurch die Haftung des lösbaren Klebemittels 31 aufgehoben wird. Die Release Temperatur kann beispielsweise 150° betragen. In alternativen Ausführungsformen kann das lösbare Klebemittel 31 durch Bestrahlung mit UV-Strahlung gelöst werden. Ferner wurde auf der zu dem Wandlerelement 2 hinweisenden Oberseite 11 des Substrats 8 das Befestigungsmittel 27 angeordnet, mittels dem die Abdeckung 25 später mit dem
Substrat 8 verbunden wird. Figur 6 zeigt ferner, dass ein Dichtmittel auf dem
Wandlerelement 2 aufgebracht ist, das im fertiggestellten Mikrofon 1 die Schallabdichtung 26 bildet. Das Dichtmittel kann alternativ auch an der Innenseite 28 der Abdeckung 25 angeordnet sein. Letzteres ist unter Umständen einfacher, da das Wandlerelement 2 zu dem in Figur 6 gezeigten
Verfahrenszeitpunkt nicht befestigt ist, sondern nur von den Federelementen 14 getragen wird.
In einem letzten Verfahrensschritt wird nunmehr die Abdeckung 25 aufgebracht und in ihren Randbereichen mit dem Substrat 8 verbunden. Dabei wird ferner die Schallabdichtung 26 zwischen dem Wandlerelement 2 und der Abdeckung 25 um die
Schalleintrittsöffnung 7 hergestellt. Es ergibt sich somit nunmehr das in Figur 1 gezeigte Mikrofon 1.
Bei dem Aufsetzen der Abdeckung 25 kann ferner das
Federelement 14 elastisch zusammengedrückt werden.
Dementsprechend kann bei dem fertiggestellten Mikrofon 1 das Federelement 14 eine elastische Spannung in eine vom Substrat 8 Richtung wegweisende Richtung aufweisen.
Figur 7 zeigt ein Mikrofon 1 gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel, bei dem das Federelement 14 einen mäanderförmigen ersten Bereich 21 aufweist, in dem es plastisch gedehnt ist. Die Länge des Federelements 14 kann derart ausgestaltet sein, dass sie mindestens das Doppelte der kürzesten Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 15, 16 des Federelements 14 beträgt.
Bezugs zeichenliste
1 Mikrofon
2 Wandlerelement
3 Membran
4 Rückplatte
5 Vorder olumen
6 Rückvolumen
7 Schalleintrittsöffnung
8 Substrat
9 Unterseite des Substrats
10 Anschluss
11 Oberseite des Substrats
12 Anschluss
13 Durchkontaktierung
14 Federelement
15 erste Ende
16 zweite Ende
17 Löt erbindung
18 Abstandhalter
19 Oberseite des Federelements
20 Spalt
21, 21a, 21b erster Bereich
22 zweiter Bereich
23 Unterseite des Wandlerelements
24 Anschlussfläche
25 Abdeckung
26 Schallabdichtung
27 Befestigungsmittel
28 Innenseite der Abdeckung
29 Zugvorrichtung
30 Platte
31 Klebemittel

Claims

Patentansprüche
1. Mikrofon (1),
aufweisend
ein Substrat ( 8 ) ,
ein Federelement (14), das plastisch in eine Richtung senkrecht zu dem Substrat (8) gedehnt ist,
ein Wandlerelement (2), das über das Federelement (14) elektrisch mit dem Substrat (8) kontaktiert ist, und eine Abdeckung (25), an der das Wandlerelement (2) befestigt ist und die derart angeordnet ist, dass das Wandlerelement (2) zwischen der Abdeckung (25) und dem Substrat (8) angeordnet ist.
2. Mikrofon (1) gemäß Anspruch 1,
wobei das Wandlerelement (2) mit dem Federelement (14) mechanisch verbunden ist, und
wobei die Befestigung des Wandlerelements (2) an der Abdeckung (25) starrer ist als die mechanische
Verbindung zwischen dem Wandlerelement (2) und dem Federelement (14) .
3. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Federelement (14) eine lichte Höhe von zumindest 30 ym aufweist.
4. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Federelement (14) eine lichte Höhe im Bereich von 30 ym bis 250 ym aufweist.
5. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Federelement (14) eine Oberseite (19) aufweist, die dem Wandlerelement (2) zugewandt ist, und wobei ein Abstandhalter (18) derart zwischen (19) dem Federelement (14) und dem Wandlerelement (2) angeordnet ist, dass zwischen dem Wandlerelement (2) und der
Oberseite (19) des Federelements (14) ein Spalt (20) ausgebildet wird, dessen Höhe zumindest der Höhe des
Abstandhalters (18) entspricht.
6. Mikrofon (1) gemäß Anspruch 5,
wobei das Wandlerelement (2) mit der Oberseite (19) des Federelements (14) durch eine Lötverbindung (17) kontaktiert ist, und
wobei ein Material des Abstandhalters (18) einen höheren Schmelzpunkt aufweist als die Lötverbindung (17). 7. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Federelement (14) einen ersten Bereich (21, 21a, 21b) aufweist, in dem es plastisch gedehnt ist, und einen zweiten Bereich (22) aufweist, der weitgehend frei von einer plastischen Dehnung ist.
8. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei das Federelement (14) eine lokale Verengung eines Querschnitts aufweist, und/oder
wobei das Federelement (14) einen mäanderförmigen
Bereich, einen gefalteten Bereich oder einen
bogenförmigen Bereich aufweist.
9. Mikrofon (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche,
wobei die Befestigung des Wandlerelements (2) an der Abdeckung (25) derart ausgestaltet ist, dass sie ein
Vordervolumen (5) des Wandlerelements (2) gegen ein Rückvolumen (6) des Wandlerelements (2) akustisch abdichtet . Verfahren zur Herstellung eines Mikrofons (1),
aufweisend die Schritte:
- Erzeugen eines Federelements (14) auf einem Substrat (8) ,
- Elektrisches Kontaktieren eines Wandlerelements (2) mit dem Federelement (14),
- Ziehen des Wandlerelements (2) in eine Richtung weg von dem Substrat (8), wobei das Federelement (14) in diese Richtung gedehnt wird, und
- Anbringen einer Abdeckung (25) auf dem Substrat (8), wobei das Wandlerelement (2) an der Abdeckung (25) befestigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10,
wobei das Federelement (14) durch das Ziehen an dem Wandlerelement (2) plastisch gedehnt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11,
wobei das Federelement (14) durch die folgenden Schritte erzeugt wird:
- Aufbringen einer strukturierten Opferschicht auf dem Substrat ( 8 ) ,
- Aufbringen einer strukturierten Schicht auf der
Opferschicht, und
- Entfernen der Opferschicht, wodurch die strukturierte Schicht zu dem Federelement (14) ausgebildet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12,
wobei das Federelement (14) derart gedehnt wird, dass nach dem Dehnen eine lichte Höhe des Federelements (14) mindestens das 1,5-fache der lichten Höhe des
Federelements (14) vor dem Dehnen beträgt.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13,
wobei das Ziehen des Wandlerelements (2) folgende
Teilschritte aufweist:
- Befestigen einer Zugvorrichtung (29) an einer vom
Substrat (8) wegweisenden Rückseite des
Wandlerelements (2) mittels einem lösbaren
Klebemittel (31),
- Ziehen an der Zugvorrichtung (29) in einer Richtung weg von dem Substrat (8), und
- Trennen der Zugvorrichtung (29) von dem
Wandlerelement (2) durch Lösen des lösbaren
Klebemittels (31).
15. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14,
wobei das Wandlerelement (2) über eine Länge in Richtung weg von dem Substrat (8) gezogen wird, die auf Basis einer Weg- oder Kraftmessung festgelegt wird.
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