WO2015197382A1 - Wandlerelement und mems-mikrofon - Google Patents

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WO2015197382A1
WO2015197382A1 PCT/EP2015/063206 EP2015063206W WO2015197382A1 WO 2015197382 A1 WO2015197382 A1 WO 2015197382A1 EP 2015063206 W EP2015063206 W EP 2015063206W WO 2015197382 A1 WO2015197382 A1 WO 2015197382A1
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frame
membrane
stiffening element
section
transducer element
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PCT/EP2015/063206
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Pirmin Hermann Otto Rombach
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Epcos AG
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    • H04R31/003—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor for diaphragms or their outer suspension

Definitions

  • the present invention relates to a transducer element.
  • This may in particular be a transducer element which is designed to acoustical signals or other
  • Such a transducer element is used in particular
  • the transducer element is miniaturized as well as possible and at the same time can ensure a high recording quality.
  • microphones with large diaphragms have a better signal-to-noise ratio, allowing for better recording quality.
  • the membrane area can not be arbitrarily reduced, further miniaturization is only possible if the area occupied by a frame to which the membrane is attached can be reduced.
  • the frame transmits these forces to the membrane, so that the measuring accuracy of the membrane is disturbed by the forces occurring.
  • the mechanical stresses generated in this way lead to a strong one Deterioration of the measuring accuracy of the membrane, eg with a strong temperature change.
  • a transducer element comprising a movable diaphragm having an edge, a frame to which the edge of the diaphragm is attached, and a stiffening element comprising a first portion of the frame and a second portion of the frame opposite the first portion; interconnects.
  • the stiffening element can be mechanically connected directly to the first section of the frame and directly to the second section of the frame.
  • the stiffening element may in particular be designed to hold the first section of the frame and the second section of the frame at a fixed distance from each other. Accordingly, this prevents
  • Stiffening element that forces acting on the frame, the first section of the frame relative to the second
  • Part of the frame can move too much.
  • the stiffening element may have a height which is the height of the frame minus a minimum distance between the stiffening element and the movable membrane
  • the stiffening element can ensure that the first section and the second Part of the frame along the entire height of the stiffening element have the same distance from each other. This can be prevented in particular that the first and the second portion deform along their respective height and, for example, at the
  • Lower edge of the frame which is located on the side facing away from the membrane, have a greater distance than near the upper edge of the frame to which the membrane is attached.
  • the stiffening element can in this way ensure that less forces are exerted on the movable membrane by the frame.
  • the stiffening element can reduce the proportion of asymmetrical forces which the frame exerts on the movable membrane.
  • the frame may for example consist of silicon.
  • Membrane be arranged as well as a fixed back plate, wherein the fixed back plate is attached at a small distance to the membrane.
  • the edge of the membrane may in particular be fastened to the frame such that the edge of the membrane can not move in the direction of a surface normal of the membrane.
  • the first and second sections of the frame extend substantially from a lower edge of the frame, which is disposed on the side facing away from the membrane, to a height corresponding to the height of the frame minus a minimum distance between the stiffening element and the membrane.
  • the sections may, for example, be wedge-shaped or strip-shaped.
  • the first and second sections are not immediate
  • the term "opposite" is to be understood as meaning that the first and second subsections are not immediately adjacent to each other, a connecting line comprising an arbitrary point of the first subsection
  • the transducer element may be configured to be acoustic
  • the transducer element can be configured to produce sound signals in electrical signals convert.
  • the stiffening element may have a height which
  • the stiffening element may be spaced a minimum distance from the movable diaphragm. In this way it is ensured that the membrane is not on the
  • Stiffening rests so that it can not interfere with the movements of the membrane.
  • the minimum distance is chosen in particular so that even with deflections of
  • This material may in particular be silicon.
  • Process step for example, in an etching process can be produced. Accordingly, no additional process step is necessary for the production of the stiffening element. Only an etching mask, which is used for the production of the frame, is adapted accordingly, so that it mitaus according the stiffening element.
  • Stiffening element can thus with minimal effort
  • stiffening element may have a third
  • the stiffening element can hold the third and fourth sections at a fixed distance from each other.
  • the third and the fourth section along the entire height of the
  • Stiffening element held at a fixed distance from each other. Also with regard to the first and the second
  • Such a configured stiffening element can the
  • the frame may have more than one mechanical weak point.
  • a second mechanical weak point of the frame could be eliminated.
  • none of the first to fourth subsections of the frame may be directly adjacent to one of the other of the first to fourth subsections of the frame.
  • the stiffening element may be strip-shaped.
  • stiffening element in a
  • Stiffening element can over its entire height
  • the stiffening element may be cross-shaped or star-shaped. Also these details
  • stiffening element should always be chosen so that it is mechanical
  • the membrane can be elliptical or rectangular.
  • the membrane may have an asymmetrical structure and, for example, the shape of a non ⁇ circular ellipse or a non-square
  • stiffening element particularly advantageous, since act on the frame asymmetric forces that would greatly affect the membrane without the stiffening element and deteriorate the accuracy of the measurement of the membrane.
  • the stiffening element can prevent this.
  • the stiffening element may have a height in a range between 150 and 700 ym. The height of the
  • Stiffening element should be adapted to the height of the frame.
  • the stiffening element should be designed as high as possible in order to stabilize the frame over a large height, without thereby coming into direct contact with the membrane. Accordingly, between membrane and stiffening element, a minimum distance free of the
  • the present invention relates
  • Figure 1 shows a cross section through a transducer element
  • FIG. 2 shows a cross section through that shown in FIG
  • Figure 3 is a simulation of the occurring mechanical
  • Figure 4 shows a cross section through a transducer element
  • Figure 5 is a simulation of the in an oval membrane
  • Figure 6 is a simulation of the in an oval membrane
  • Transducer element comprising a stiffening element according to the second embodiment
  • FIG. 7 shows another embodiment of the
  • FIG. 1 shows a cross section through a transducer element 1.
  • the transducer element 1 has a movable membrane 2 and a fixed backplate 3. Between the membrane 2 and the
  • the transducer element 1 is designed to
  • the transducer element 1 can convert an acoustic signal into an electrical signal.
  • the transducer element 1 forms a front volume and a
  • the front volume is suitable for pressure with an environment of the transducer element 1
  • the transducer element 1 accordingly has a sound inlet opening (not shown) via which the front volume can communicate with the environment in terms of pressure and can reach the membrane 2 via the sound or other pressure waves.
  • the back volume of the transducer element 1 is a reference volume that is acoustically separated from the front volume.
  • the transducer element 1 is suitable for measuring a time-varying difference between the sound pressure in the front volume and the pressure in the back volume.
  • the transducer element 1 has a ventilation opening for static pressure equalization between the front volume and the rear volume. Therefore, there is no constant steady pressure in the back volume. Rather, the pressure in the back volume is slowly adjusted via the ventilation opening to an ambient pressure.
  • the ventilation opening has a high acoustic impedance. Accordingly, sound waves can not penetrate through the ventilation opening in the back volume.
  • the movable membrane 2 has an edge 4 which is fixed to a frame 5 of the transducer element 1.
  • the edge 4 of the diaphragm 2 is fixed so that it does not move in a direction toward the back plate 3 or from the
  • Back plate 3 can move away. Only an inner region 6 of the membrane 2, which is not directly on the frame fifth
  • the frame 5 of the transducer element 1 is made of silicon.
  • Figure 2 shows a cross section through the transducer element along the drawn in Figure 1 line AA '.
  • the shape of the frame 5 is to the shape of the membrane. 2
  • the frame 5 can be divided into numerous sections.
  • the frame 5 has a first section 7 and a second section 8, wherein the first and the second section 7, 8 of the frame 5 are opposite to each other.
  • the transducer element 1 has a stiffening element 10.
  • the stiffening element 10 connects the first
  • the stiffening element 10 has a height which is slightly less than the height of the frame 5. For example, the height of the stiffening element 10 by 5 to 25 ym lower than the height of the Frame 5. Accordingly, the minimum distance 16 remains between the membrane 2 and the stiffening element 10, so that the membrane 2 does not rest directly on the stiffening element 10.
  • the stiffening element 10 extends from a lower edge 9 of the frame 5, which is located on the membrane of the second
  • Minimum distance 16 is spaced. According to a first embodiment, this is
  • Stiffening element 10 strip-shaped.
  • the mode of action of the stiffening element 10 becomes clearer on the basis of the cross section shown in FIG.
  • the stiffening element 10 connects the first section 7 of the frame 5 and the second section 8 of the frame 5.
  • the stiffening element 10 causes lower forces to be exerted on the membrane 2 and in particular no asymmetrical forces acting on the membrane 2 or at least the proportion of acting asymmetrically on the membrane 2
  • the fixed back plate 3 has a high voltage. Accordingly, the fixed back plate 3 exerts on the frame 5 a force that the frame 5 at its upper edge 17 at which the fixed back plate
  • the membrane 2 is elliptical.
  • the elliptical shape defines a major axis 11 and a minor axis 12 which is perpendicular to the major axis 11 and which is shorter than the major axis 11.
  • FIG. 3 shows a simulation of the mechanical stress acting on an oval membrane 2a without stiffening elements 10.
  • the oval membrane 2a is that shown in FIG. 3
  • elliptical membrane 2 very similar.
  • the left figure shows the mechanical stress acting in the x direction and the right figure shows the mechanical stress acting in the y direction.
  • the x-direction is through the
  • Connecting line of the two farthest points of the diaphragm 2a defined and the y-direction is perpendicular to the x-direction.
  • the main axis 11 extends in the x direction and the
  • the stiffening element 10 ensures that the first and the second section 7, 8 of the frame 5 are held at a fixed distance from each other.
  • the frame 5 is thus from its lower edge 9 to the height of the
  • FIG. 4 shows a second exemplary embodiment of the invention
  • the stiffening element 10a is designed cross-shaped.
  • the stiffening element 10a accordingly connects, in addition to the first and the second section 7, 8 of the frame 5, also a third one
  • Part section 14 of the frame 5 which is opposite to the third section 13. Also the third and the fourth
  • Part section 13, 14 are at a fixed distance held each other. Furthermore, the third and the fourth subsection 13, 14 are now held by the stiffening element 10a in a defined position relative to the first and the second subsection 7, 8. Also, the third and the fourth section 13, 14 of the frame 5 each extend from the lower edge 9 of the frame 5 to the upper limit 15, so that the minimum distance 16 between the stiffening element 10a and the membrane 2 remains free.
  • FIGS. 5 and 6 each show simulations of the mechanical forces which act on the oval membrane 2 a, with a strip-shaped one in FIG.
  • Stiffening element 10 according to the first embodiment and in Figure 6, a cross-shaped stiffening element 10a is provided according to the second embodiment.
  • the mechanical stresses acting in the x-direction are in each case shown in a left-hand illustration
  • the average stress along the x-direction is 47.4 MPa.
  • the average mechanical stress is 42.4 MPa.
  • the difference is the average mechanical
  • cross-shaped stiffening element 10a is the
  • Stiffening element 10, 10a thus lead to a significant reduction in the difference of the average mechanical stress in the x and y direction from 10.9 MPa to 5.0 MPa and 5.1 MPa. Accordingly, the strip-shaped
  • Stiffening element 10 a for the fact that the mechanical stress is distributed more uniformly in the membrane 2 a.
  • Embodiment of the stiffening element 10, 10 a no significant improvement to recognize. This is due to the particular shape of the frame 5, which is much less stable in one direction than in the other
  • the frame 5 has a nearly straight section, which deforms comparatively easily.
  • the frame 5 is the frame 5
  • FIG. 7 and FIG. 8 show further exemplary embodiments of the transducer element 1.
  • the membrane 2b is designed in each case rectangular. In FIG. 7, this is
  • Stiffening element 10 strip-shaped and in Figure 8, the stiffening element 10a is cross-shaped.
  • stiffening element may be star-shaped.
  • the chosen shape of the stiffening element should always be adapted to the shape of the membrane.
  • Figure 9 shows a section of the transducer element 1, based on which the manufacturing method of the transducer element 1 is sketched.
  • the frame 5 and the stiffening element 10 are produced in a common etching step, in which on a
  • Silicon wafer is applied a mask and then a portion of the silicon wafer is etched away, so that the front volume of the transducer element 1 is formed.
  • Frame 5 and the stiffening element 10 are thus produced photolithographically from the silicon wafer.
  • the stiffening element 10 is thus produced in the etching step, which creates a cavity in a silicon block. This process is called Deep Reactive Ion Etching (DRIE). It may depend on the choice of DRIE.
  • the height H of the stiffening element 10 is set by the etching angle and the width W of the mask used.
  • various embodiments of the stiffening element 10 are located. With a width W1, W2 and W3, the stiffening element 10 has the height H in each case. With a width W4 or W5 of the stiffening element 10 results in a height of H4 or H5.
  • the stiffening element 10 may be tapered in a wedge shape with a blunt tip or towards the membrane 2. The procedure is adjusted so that the
  • Stiffening element 10 is spaced by the minimum distance from the diaphragm 2.
  • the etching process may further be so
  • etch angle can be changed to produce different width stiffening elements 10 with the same height.

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Abstract

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Wandlerelement (1), das eine beweglichen Membran (2, 2a, 2b), die einen Rand (4) aufweist, einen Rahmen (5), an dem der Rand (4) der Membran (2, 2a, 2b) befestigt ist, und ein Versteifungselement (10), das einen ersten Teilabschnitt des Rahmens (5) und einen zweiten Teilabschnitt des Rahmens (5), der dem ersten Teilabschnitt gegenüberliegt, miteinander verbindet, aufweist.

Description

Beschreibung
WANDLERELEMENT UND MEMS-MIKROFON
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wandlerelement. Dabei kann es sich insbesondere um ein Wandlerelement handeln, das dazu ausgestaltet ist, akustische Signale oder andere
Druckschwankungen in elektrische Signale umzuwandeln. Ein solches Wandlerelement wird insbesondere in
Kondensatormikrofonen eingesetzt .
Für ein Kondensatormikrofon ist es entscheidend, dass das Wandlerelement möglichst gut miniaturisiert ist und dabei gleichzeitig eine hohe Aufnahmequalität gewährleisten kann. Typischerweise weisen Mikrofone mit großen Membranen einen besseren Signal-zu-Rauschen Abstand auf und ermöglichen damit eine bessere Aufnahmequalität . Da also die Membranfläche nicht beliebig stark reduziert werden kann, ist eine weitere Miniaturisierung nur möglich, falls die von einem Rahmen, an dem die Membran befestigt ist, belegte Fläche reduziert werden kann.
Wird der Rahmen jedoch zunehmend dünner ausgestaltet, so ergeben sich mechanische Stabilitätsprobleme. Insbesondere kann eine feste Rückplatte, die auf dem Rahmen aufgebracht ist, auf den Rahmen Kräfte ausüben, die bei einem zu dünnen Rahmen zu einer Verbiegung des Rahmens führen. Ferner
überträgt der Rahmen diese Kräfte auf die Membran, so dass die Messgenauigkeit der Membran durch die auftretenden Kräfte gestört wird. Insbesondere bei unsymmetrischen Membranen, beispielsweise bei elliptischen, nicht-kreisförmigen und bei rechteckigen, nicht-quadratischen Membranen führen die so erzeugten mechanischen Spannungen zu einer starken Verschlechterung der Messgenauigkeit der Membran, z.B. bei einer starken Temperaturänderung.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Miniaturisierung des Wandlerelementes ohne Verschlechterung der Messeigenschaften der Membran zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Wandlerelement gemäß dem
vorliegenden Anspruch 1 gelöst.
Es wird ein Wandlerelement vorgeschlagen, das eine bewegliche Membran, die einen Rand aufweist, einen Rahmen, an dem der Rand der Membran befestigt ist und ein Versteifungselement, das einen ersten Teilabschnitt des Rahmens und einen zweiten Teilabschnitt des Rahmens, der dem ersten Teilabschnitt gegenüberliegt, miteinander verbindet, aufweist.
Das Versteifungselement kann insbesondere unmittelbar mit dem ersten Teilabschnitt des Rahmens und unmittelbar mit dem zweiten Teilabschnitt des Rahmens mechanisch verbunden sein. Das Versteifungselement kann insbesondere dazu ausgestaltet sein, den ersten Teilabschnitt des Rahmens und den zweiten Teilabschnitt des Rahmens in einem festen Abstand zueinander zu halten. Dementsprechend verhindert das
Versteifungselement, dass auf den Rahmen wirkende Kräfte, den ersten Teilabschnitt des Rahmens relativ zu dem zweiten
Teilabschnitt des Rahmens zu stark bewegen können.
Das Versteifungselement kann eine Höhe aufweisen, die der Höhe des Rahmens abzüglich eines Mindestabstandes zwischen dem Versteifungselement und der beweglichen Membran
entspricht. Dementsprechend kann das Versteifungselement dafür sorgen, dass der erste Teilabschnitt und der zweiten Teilabschnitt des Rahmens entlang der gesamten Höhe des Versteifungselementes den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Dadurch kann insbesondere verhindert werden, dass der erste und der zweite Teilabschnitt sich entlang ihrer jeweiligen Höhe verformen und beispielsweise an der
Unterkante des Rahmens, die sich auf der von der Membran wegweisenden Seite befindet, einen größeren Abstand aufweisen als nahe der Oberkante des Rahmens, an der die Membran befestigt ist.
Das Versteifungselement kann auf diese Weise dafür sorgen, dass von dem Rahmen weniger Kräfte auf die bewegliche Membran ausgeübt werden. Insbesondere kann das Versteifungselement den Anteil der unsymmetrischen Kräfte, die der Rahmen auf die bewegliche Membran ausübt, verringern.
Dieses ist insbesondere bei einer unsymmetrischen
Stressverteilung wichtig, die insbesondere bei einer nicht¬ quadratischen oder einer nicht-kreisförmigen Membran
auftreten kann. Insbesondere bei dieser Art von Membranen führt das Versteifungselement somit zu entscheidenden
Verbesserungen der Aufnahmequalität , die ansonsten nur möglich wären, wenn der Rahmen deutlich dicker ausgestaltet würde. Doch auch bei symmetrischen Membranen, etwa
kreisförmigen oder quadratischen Membranen, kann das
Versteifungselement zu Verbesserungen führen, die eine weitere Reduzierung der Wandstärke des Rahmens ermöglichen.
Insgesamt ermöglicht es das Versteifungselement die
Wandstärke des Rahmens zu reduzieren und so das
Wandlerelement weiter zu miniaturisieren, ohne dass dabei die Messgenauigkeit des Wandlerelementes verschlechtert wird. Der Rahmen kann beispielsweise aus Silizium bestehen. An einer Oberkante des Rahmens kann sowohl die bewegliche
Membran als auch eine feste Rückplatte angeordnet sein, wobei die feste Rückplatte in einem geringen Abstand zu der Membran befestigt ist. Der Rand der Membran kann insbesondere so an dem Rahmen befestigt sein, dass der Rand der Membran sich nicht in Richtung einer Flächennormale der Membran bewegen kann .
Der erste und der zweite Teilabschnitt des Rahmens erstrecken sich im Wesentlichen von einer Unterkante des Rahmens, die auf der von der Membran wegweisenden Seite angeordnet ist, bis zu einer Höhe, die der Höhe des Rahmens abzüglich eines Mindestabstandes zwischen dem Versteifungselement und der Membran entspricht. Die Teilabschnitte können beispielsweise keilförmig oder streifenförmig ausgebildet sein. Der erste und der zweite Teilabschnitt sind nicht unmittelbar
zueinander benachbart. Es liegen vielmehr weitere
Teilabschnitte zwischen dem ersten und dem zweiten
Teilabschnitt .
Der Begriff „gegenüberliegt" ist hier so zu verstehen, dass der erste und der zweite Teilabschnitt nicht unmittelbar zueinander benachbart sind. Eine Verbindungslinie, die einen beliebigen Punkt des ersten Teilabschnitts mit einem
beliebigen Punkt des zweiten Teilabschnitts verbindet, verläuft durch das Innere des Wandlerelements, ohne dabei den Rahmen zu schneiden. Das Wandlerelement kann dazu ausgestaltet sein, akustische
Signale oder andere Druckschwankungen in elektrische Signale umzuwandeln. Insbesondere kann das Wandlerelement dazu ausgestaltet sein, Schallsignale in elektrische Signale umzuwandeln. Das Wandlerelement kann ein MEMS Element sein (MEMS = Mikroelektromechanisches System) .
Das Versteifungselement kann eine Höhe aufweisen, die
geringer ist als eine Höhe des Rahmens. Dementsprechend kann das Versteifungselement um einen Mindestabstand von der beweglichen Membran beabstandet sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Membran nicht auf dem
Versteifungselement aufliegt, so dass dieses die Bewegungen der Membran nicht stören kann. Der Mindestabstand wird insbesondere so gewählt, dass auch bei Auslenkungen der
Membran diese nicht unmittelbar mit dem Versteifungselement in mechanischen Kontakt tritt. Das Versteifungselement und der Rahmen können aus dem
gleichen Material bestehen. Bei diesem Material kann es sich insbesondere um Silizium handeln. Insbesondere können das Versteifungselement und der Rahmen in einem gemeinsamen
Verfahrensschritt, beispielsweise in einem Ätzprozess, hergestellt werden. Dementsprechend ist für die Fertigung des Versteifungselementes kein zusätzlicher Verfahrensschritt notwendig. Lediglich eine Ätzmaske, die für die Fertigung des Rahmens verwendet wird, ist entsprechend anzupassen, so dass diese das Versteifungselement mitausbildet. Das
Versteifungselement kann somit mit minimalem Aufwand
gefertigt werden.
Ferner kann das Versteifungselement einen dritten
Teilabschnitt des Rahmens und einen vierten Teilabschnitt des Rahmens, der dem dritten Teilabschnitt gegenüberliegt, miteinander verbinden. Das Versteifungselement kann den dritten und den vierten Abschnitt in einem festen Abstand zueinander halten. Insbesondere werden der dritte und der vierte Abschnitt entlang der gesamten Höhe des
Versteifungselementes in einem festen Abstand zueinander gehalten. Auch bezüglich des ersten und des zweiten
Teilabschnittes sind der dritte und der vierte Teilabschnitt in einer fest definierten Position durch das
Versteifungselement festgehalten .
Ein so ausgestaltetes Versteifungselement kann die
auftretenden Kräfte, die auf die Membran wirken noch weiter reduzieren. Abhängig von der gewählten Form der Membran, kann der Rahmen mehr als eine mechanische Schwachstelle aufweisen. Durch die Verbindung des dritten und vierten Teilabschnittes könnte eine zweite mechanische Schwachstelle des Rahmens beseitig werden. Insbesondere kann keiner des ersten bis vierten Teilabschnittes des Rahmens unmittelbar zu einem der anderen des ersten bis vierten Teilabschnittes des Rahmens benachbart sein.
Das Versteifungselement kann streifenförmig sein.
Insbesondere kann das Versteifungselement in einem
Querschnitt durch das Wandlerelement in einer Ebene parallel zu der Membran streifenförmig ausgebildet sein. Das
Versteifungselement kann über seine gesamt Höhe
streifenförmig sein.
In alternativen Ausgestaltungen kann das Versteifungselement kreuzförmig oder sternförmig sein. Auch diese Angaben
beziehen sich auf einen Querschnitt durch das Wandlerelement in einer Ebene parallel zu der Membran. Abhängig von der Form der Membran und des zugehörigen Rahmens kann ein
streifenförmiges, kreuzförmiges oder sternförmiges
Versteifungselement vorteilhaft sein. Das Versteifungselement sollte stets so gewählt werden, dass es mechanische
Schwachstellen des Rahmens ausgleichen kann.
Die Membran kann elliptisch oder rechteckig sein.
Insbesondere kann die Membran einen asymmetrischen Aufbau aufweisen und beispielsweise die Form einer nicht¬ kreisförmigen Ellipse oder eines nicht-quadratischen
Rechtecks aufweisen. Insbesondere bei solchen Membranen, die einen gewissen Grad an Asymmetrie aufweisen, ist die
Verwendung des Versteifungselementes besonders vorteilhaft, da hier auf den Rahmen asymmetrische Kräfte wirken, die ohne das Versteifungselement die Membran stark beeinflussen würden und die Messgenauigkeit der Membran verschlechtern würden. Das Versteifungselement kann dieses jedoch verhindern.
Das Versteifungselement kann eine Höhe in einem Bereich zwischen 150 und 700 ym aufweisen. Die Höhe des
Versteifungselementes sollte dabei an die Höhe des Rahmens angepasst sein. Das Versteifungselement sollte möglichst hoch ausgestaltet sein, um den Rahmen über eine große Höhe zu stabilisieren, ohne dabei mit der Membran unmittelbar in Kontakt zu treten. Dementsprechend muss zwischen Membran und Versteifungselement ein Mindestabstand frei von dem
Versteifungselement bleiben.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende
Erfindung ein MEMS (Mikroelektromechanisches System)
Mikrofon, das das oben beschriebene Wandlerelement aufweist. Im Folgenden werden das Wandlerelement und bevorzugte
Ausführungsbeispiele anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Querschnitt durch ein Wandlerelement mit
einem Versteifungselement gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel ,
Figur 2 einen Querschnitt durch das in Figur 1 gezeigte
Wandlerelement,
Figur 3 eine Simulation der auftretenden mechanischen
Spannung in einer ovalen Membran in einem Wandlerelement, das kein Versteifungselement aufweist,
Figur 4 einen Querschnitt durch ein Wandlerelement mit
einem Versteifungselement gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ,
Figur 5 eine Simulation der in einer ovalen Membran
auftretenden mechanischen Spannung in einem
Wandlerelement, das ein Versteifungselement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel aufweist,
Figur 6 eine Simulation der in einer ovalen Membran
auftretenden mechanischen Spannung in einem
Wandlerelement, das ein Versteifungselement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel aufweist,
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Wandlerelements mit einem Versteifungselement gemäß dem ersten Ausführungsbeispie1, Figur 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel des
Wandlerelements mit einem Versteifungselement gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
Figur 9 einen Ausschnitt eines Wandlerelementes.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Wandlerelement 1. Das Wandlerelement 1 weist eine bewegliche Membran 2 und eine feste Rückplatte 3 auf. Zwischen der Membran 2 und der
Rückplatte 3 kann eine Spannung angelegt werden, so dass die Membran 2 und die Rückplatte 3 einen Kondensator bilden. Wird die Membran 2 infolge einer Druckschwankung relativ zu der Rückplatte 3 bewegt, so wird die Kapazität dieses
Kondensators verändert. Insbesondere können Schallwellen zu Druckschwankungen führen, die die Kapazität des Kondensators verändern. Das Wandlerelement 1 ist dazu ausgestaltet,
Druckschwankungen in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Insbesondere kann das Wandlerelement 1 ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umwandeln. Das Wandlerelement 1 bildet ein Vordervolumen und ein
Rückvolumen aus. Das Vordervolumen ist dazu geeignet mit einer Umgebung des Wandlerelementes 1 druckmäßig zu
kommunizieren. Das Wandlerelement 1 weist dementsprechend eine Schalleintrittsöffnung (nicht gezeigt) auf, über die das Vordervolumen mit der Umgebung druckmäßig kommunizieren kann und über die Schall- oder andere Druckwellen zur Membran 2 gelangen können. Das Rückvolumen des Wandlerelementes 1 ist ein Referenzvolumen, das akustisch von dem Vordervolumen getrennt ist. Das Wandlerelement 1 ist dazu geeignet, eine zeitlich variierende Differenz zwischen dem Schalldruck im Vordervolumen und dem Druck im Rückvolumen zu messen. Ferner weist das Wandlerelement 1 eine Ventilationsöffnung für statischen Druckausgleich zwischen Vordervolumen und Rückvolumen auf. Daher ist kein konstanter unveränderlicher Druck im Rückvolumen. Vielmehr wird der Druck im Rückvolumen über die Ventilationsöffnung langsam an einen Umgebungsdruck angepasst .
Die Ventilationsöffnung weist eine hohe akustische Impedanz auf. Dementsprechend können Schallwellen nicht durch die Ventilationsöffnung in das Rückvolumen eindringen.
Ferner weist die bewegliche Membran 2 einen Rand 4 auf, der an einem Rahmen 5 des Wandlerelementes 1 befestigt ist. Der Rand 4 der Membran 2 ist derart befestigt, dass er sich nicht in einer Richtung zu der Rückplatte 3 hin oder von der
Rückplatte 3 weg bewegen kann. Lediglich ein Innenbereich 6 der Membran 2, der nicht unmittelbar an dem Rahmen 5
befestigt ist, ist in der Richtung zu der Rückplatte 3 hin und von der Rückplatte 3 weg beweglich. Der Rahmen 5 des Wandlerelementes 1 besteht aus Silizium.
Figur 2 zeigt einen Querschnitts durch das Wandlerelement entlang der in Figur 1 eingezeichneten Linie AA' . Die Form des Rahmens 5 ist an die Form der Membran 2
angepasst. Der Rahmen 5 kann in zahlreiche Teilabschnitte unterteilt werden. Insbesondere weist der Rahmen 5 einen ersten Teilabschnitt 7 und einen zweiten Teilabschnitt 8 auf, wobei der erste und der zweite Teilabschnitt 7, 8 des Rahmens 5 einander gegenüberliegen.
Ferner weist das Wandlerelement 1 ein Versteifungselement 10 auf. Das Versteifungselement 10 verbindet den ersten Teilabschnitt 7 des Rahmens 5 mit dem zweiten Teilabschnitt 8 des Rahmens 5. Das Versteifungselement 10 hat eine Höhe, die etwas geringer ist als die Höhe des Rahmens 5. Beispielsweise kann die Höhe des Versteifungselementes 10 um 5 bis 25 ym geringer sein als die Höhe des Rahmens 5. Dementsprechend verbleibt der Mindestabstand 16 zwischen der Membran 2 und dem Versteifungselement 10, so dass die Membran 2 nicht unmittelbar auf dem Versteifungselement 10 aufliegt. Das Versteifungselement 10 erstreckt sich von einer Unterkante 9 des Rahmens 5, die sich auf der der Membran 2
gegenüberliegenden Seite des Rahmens 5 befindet, bis zu einer oberen Grenze 15, die von der Membran 2 um einen
Mindestabstand 16 beabstandet ist. Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel ist das
Versteifungselement 10 streifenförmig. Die Wirkungsweise des Versteifungselementes 10 wird anhand des in Figur 2 gezeigten Querschnitts deutlicher. Das Versteifungselement 10 verbindet den ersten Teilabschnitt 7 des Rahmens 5 und den zweiten Teilabschnitt 8 des Rahmens 5. Das Versteifungselement 10 bewirkt, dass auf die Membran 2 geringere Kräfte ausgeübt werden und dass insbesondere keine asymmetrischen Kräfte auf die Membran 2 wirken oder zumindest der Anteil der asymmetrisch auf die Membran 2 wirkenden
Kräfte erheblich reduziert wird.
Asymmetrisch wirkende Kräfte können insbesondere auf die im Folgenden beschriebene Weise entstehen: Die feste Rückplatte 3 weist eine hohe Spannung auf. Dementsprechend übt die feste Rückplatte 3 auf den Rahmen 5 eine Kraft aus, die den Rahmen 5 an seiner Oberkante 17, an der die feste Rückplatte
angeordnet ist, zusammenzieht. Gleichzeitig bewirkt diese Kraft, dass der Rahmen 5 an seiner Unterkante 9 auseinander gedrückt wird. Durch das Zusammenziehen des Rahmens 5 an der Oberkante 17 wird auch die Membran 2, deren Rand 4 an der Oberkante 17 des Rahmens 5 befestigt ist, verzogen.
Bei dem in Figur 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel ist die Membran 2 ellipsenförmig. Die Ellipsenform definiert eine Hauptachse 11 und eine Nebenachse 12, die rechtwinklig zu der Hauptachse 11 steht und die kürzer ist als die Hauptachse 11.
Figur 3 zeigt eine Simulation der mechanischen Spannung, die auf eine ovale Membran 2a ohne Versteifungselemente 10 wirkt. Die ovale Membran 2a ist der in Figur 2 gezeigten
ellipsenförmigen Membran 2 sehr ähnlich. Die linke Abbildung zeigt die in x-Richtung wirkende mechanische Spannung und die rechte Abbildung zeigt die in y-Richtung wirkende mechanische Spannung. Hierbei wird die x-Richtung durch die
Verbindungslinie der zwei am weitesten voneinander entfernten Punkte der Membran 2a definiert und die y-Richtung ist senkrecht zu der x-Richtung. Bei der elliptischen Membran 2 erstrecken sich die Hauptachse 11 in x-Richtung und die
Nebenachse 12 in y-Richtung.
Es ist in Figur 3 deutlich zu erkennen, dass entlang der x- Richtung der Membran 2a eine deutlich höhere mechanische Spannung auftritt. Entlang der x-Richtung beträgt die
durchschnittliche mechanische Spannung 49,6 MPa. Entlang der y-Richtung beträgt die durchschnittliche mechanische Spannung 38,7 MPa. Insgesamt beträgt die Differenz der
durchschnittlichen mechanischen Spannungen in x- und y- Richtung in der ovalen Membran 2a ohne Versteifungselement 10 10,9 MPa. Der Grund für die ungleichmäßige Verteilung der mechanischen Spannung in x- und y-Richtung liegt darin, dass der Rahmen 5 in x-Richtung auf Grund der größeren Ausdehnung der Membran 2 schwächer ist als in y-Richtung. Dementsprechend verzieht sich die Membran 2 unter der von der festen Rückplatte 3 auf den Rahmen 5 ausgeübten Kraft in x-Richtung stärker als in y- Richtung .
Das Versteifungselement 10 sorgt dafür, dass der erste und der zweite Teilabschnitt 7, 8 des Rahmens 5 in einem festen Abstand zueinander gehalten werden. Der Rahmen 5 wird also von seiner Unterkante 9 bis zu der Höhe, die dem
Mindestabstand zwischen Membran 2 und Versteifungselement 10 entspricht, derart festgehalten, dass die Teilabschnitte 7, 8 hier in festem Abstand zueinander sind. Dieser feste Abstand ist durch die Länge des Versteifungselements 10 vorgegeben. Dadurch wird verhindert, dass der Rahmen 5 sich an seiner Oberkante stark bewegen kann. Es werden daher weniger Kräfte auf die Membran 2, 2a ausgeübt. Durch die hier beschriebene Anordnung des Versteifungselementes 10 an einer mechanischen Schwachstelle des Rahmens 5 können insbesondere die
unsymmetrischen Anteile der auf die Membran 2, 2a wirkenden Kraft reduziert werden. Figur 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des
Versteifungselementes 10a. Hier ist das Versteifungselement 10a kreuzförmig ausgestaltet. Das Versteifungselement 10a verbindet dementsprechend neben dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt 7, 8 des Rahmens 5 nun auch einen dritten
Teilabschnitt 13 des Rahmens 5 mit einem vierten
Teilabschnitt 14 des Rahmens 5, der dem dritten Teilabschnitt 13 gegenüberliegt. Auch der dritte und der vierte
Teilabschnitt 13, 14 werden in einem festen Abstand zueinander gehalten. Ferner werden der dritte und der vierte Teilabschnitt 13, 14 durch das Versteifungselement 10a nunmehr auch in einer definierten Position relativ zu dem ersten und dem zweiten Teilabschnitt 7, 8 gehalten. Auch der dritte und der vierte Teilabschnitt 13, 14 des Rahmens 5 erstrecken sich jeweils von der Unterkante 9 des Rahmens 5 bis zu der oberen Grenze 15, so dass der Mindestabstand 16 zwischen dem Versteifungselement 10a und der Membran 2 frei bleibt .
Die Figuren 5 und 6 zeigen jeweils Simulationen für die auftretenden mechanischen Kräfte, die auf die ovale Membran 2a wirken, wobei in Figur 5 ein streifenförmiges
Versteifungselement 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel und in Figur 6 ein kreuzförmiges Versteifungselement 10a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist. In Figur 5 und Figur 6 sind jeweils in einer linken Abbildung die in x-Richtung wirkenden mechanischen Spannungen
dargestellt und in einer rechten Abbildung die in y-Richtung wirkenden mechanischen Spannungen.
Es ist zu erkennen, dass die auftretenden mechanischen
Spannungen, die auf die Membran 2a wirken, gegenüber einem Ausführungsbeispiel ohne Versteifungselement 10 deutlich reduziert werden können. Bei der in Figur 5 gezeigten
Ausführungsform mit dem streifenförmigen Versteifungselement 10 beträgt die durchschnittliche mechanische Spannung entlang der x-Richtung 47,4 MPa. Entlang der y-Richtung beträgt die durchschnittliche mechanische Spannung 42,4 MPa. Insgesamt beträgt die Differenz der durchschnittlichen mechanischen
Spannungen in x- und y-Richtung in der ovalen Membran 2a mit dem streifenförmigen Versteifungselement 10 5,0 MPa. Bei der in Figur 6 gezeigten Ausführungsform mit dem
kreuzförmigen Versteifungselement 10a beträgt die
durchschnittliche mechanische Spannung entlang der x-Richtung 47,3 MPa. Entlang der y-Richtung beträgt die
durchschnittliche mechanische Spannung 42,2 MPa. Insgesamt beträgt die Differenz der durchschnittlichen mechanischen Spannungen in x- und y-Richtung in der ovalen Membran 2a mit dem kreuzförmigen Versteifungselement 10a 5,1 MPa. Sowohl das streifenförmige als auch das kreuzförmige
Versteifungselement 10, 10a führen also zu einer deutlichen Reduzierung der Differenz der durchschnittlichen mechanischen Spannung in x- und y-Richtung von 10,9 MPa auf 5,0 MPa bzw. 5,1 MPa. Dementsprechend sorgt das streifenförmige
Versteifungselement 10 bzw. das kreuzförmige
Versteifungselement 10a dafür, dass die mechanische Spannung gleichmäßiger in der Membran 2a verteilt wird.
Es ist hier zwischen dem ersten und dem zweiten
Ausführungsbeispiel des Versteifungselementes 10, 10a keine wesentliche Verbesserung zu erkennen. Dieses ist auf die besondere Form des Rahmens 5 zurückzuführen, der in eine Richtung deutlich weniger stabil ist als in die andere
Richtung. Entlang der x-Achse weist der Rahmen 5 ein nahezu gerades Teilstück auf, das sich vergleichsweise leicht verformt. Entlang der y-Achse ist der Rahmen 5
halbkreisförmig und somit vergleichsweise schwer zu
verformen. Bei andersartig geformten Rahmen 5 bzw. Membranen 2 kann eine kreuzförmige Ausgestaltung des
Versteifungselementes 10a gegenüber einer streifenförmigen Ausgestaltung dagegen die mechanische Stabilität deutlich erhöhen . Figur 7 und Figur 8 zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Wandlerelementes 1. In Figur 7 und in Figur 8 ist die Membran 2b jeweils rechteckig ausgestaltet. In Figur 7 ist das
Versteifungselement 10 streifenförmig und in Figur 8 ist das Versteifungselement 10a kreuzförmig.
Ferner sind auch andere Formen des Versteifungselements möglich, beispielsweise kann diese sternförmig sein. Die gewählte Form des Versteifungselements sollte stets an die Form der Membran angepasst werden.
Figur 9 zeigt einen Ausschnitt des Wandlerelementes 1, anhand dessen das Herstellungsverfahren des Wandlerelementes 1 skizziert wird.
Der Rahmen 5 und das Versteifungselement 10 werden in einem gemeinsamen Ätzschritt hergestellt, bei dem auf einem
Siliziumwafer eine Maske aufgebracht wird und anschließend ein Teil des Siliziumwafers weggeätzt wird, so dass das Vordervolumen des Wandlerelementes 1 ausgebildet wird. Der
Rahmen 5 und das Versteifungselement 10 werden somit aus dem Siliziumwaver photolithografisch gefertigt.
Das Versteifungselement 10 wird somit bei dem Ätzschritt, der einen Hohlraum in einem Siliziumblock erzeugt, hergestellt. Dieses Verfahren wird als Deep Reactive Ion Etching (DRIE) bezeichnet. Es kann abhängig von der Wahl der
Prozessparameter zu einem negativen Neigungswinkel an den Seitenwänden des Hohlraums führen, der sich auch an den
Seiten des Versteifungselementes 10 wiederfindet. Die Höhe H des Versteifungselementes 10 wird über den Ätzwinkel und die Breite W der verwendeten Maske eingestellt. In Figur 9 sind verschiedene Ausgestaltungen des Versteifungselementes 10 eingezeichnet. Bei einer Breite Wl, W2 und W3 weist das Versteifungselement 10 jeweils die Höhe H auf. Bei einer Breite W4 bzw. W5 des Versteifungselements 10 ergibt sich eine Höhe von H4 bzw. H5.
Abhängig von der verwendeten Maske und abhängig von dem
Ätzwinkel kann das Versteifungselement 10 keilförmig mit einer stumpfen Spitze oder zur Membran 2 hin spitz zulaufend sein. Das Verfahren wird so eingestellt, dass das
Versteifungselement 10 um den Mindestabstand von der Membran 2 beabstandet ist. Der Ätzprozess kann ferner derart
modifiziert werden, dass der Ätzwinkel verändert werden kann, um unterschiedliche breite Versteifungselemente 10 mit der gleichen Höhe zu fertigen.
Bezugs zeichenliste
I Wandlerelement
2, 2a, 2b Membran
3 Rückplatte
4 Rand der Membran
5 Rahmen
6 Innenbereich der Membran
7 erste Teilabschnitt
8 zweite Teilabschnitt
9 Unterkante des Rahmens 10, 10a Versteifungselement
II Hauptachse
12 Nebenachse
13 dritte Teilabschnitt
14 vierte Teilabschnitt
15 obere Grenze
16 Mindestabstand
17 Oberkante des Rahmens

Claims

Patentansprüche
1. Wandlerelement (1), aufweisend
eine beweglichen Membran (2, 2a, 2b), die einen Rand (4) aufweist,
einen Rahmen (5), an dem der Rand (4) der Membran (2, 2a, 2b) befestigt ist, und
ein Versteifungselement (10), das einen ersten
Teilabschnitt (7) des Rahmens (5) und einen zweiten Teilabschnitt (8) des Rahmens (5), der dem ersten
Teilabschnitt (7) gegenüberliegt, miteinander verbindet.
2. Wandlerelement (1) gemäß Anspruch 1,
wobei das Versteifungselement (10) eine Höhe aufweist, die geringer ist als eine Höhe des Rahmens (5) .
3. Wandlerelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Versteifungselement (10) und der Rahmen (5) aus dem gleichen Material bestehen.
4. Wandlerelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Versteifungselement (10) einen dritten
Teilabschnitt (13) des Rahmens (5) und einen vierten Teilabschnitt (14) des Rahmens (5), der dem dritten Teilabschnitt (13) gegenüberliegt, miteinander
verbindet .
5. Wandlerelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Versteifungselement (10) streifenförmig ist.
6. Wandlerelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Versteifungselement (10) kreuzförmig ist.
7. Wandlerelement (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Versteifungselement (10) sternförmig ist.
8. Wandlerelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Membran (2, 2b) elliptisch oder rechteckig ist .
9. Wandlerelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Versteifungselement (10) eine Höhe zwischen 150 und 700 ym aufweist.
MEMS Mikrofon aufweisend ein Wandlerelement (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.
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