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Die vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitives, mikromechanisches Mikrofon nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik:
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Kapazitive, mikromechanische Mikrofone sind häufig so aufgebaut, dass sie eine frei aufgehängte Membran aufweisen, welche durch auftreffenden Schall wie z. B. Sprache, Musik und Geräusche in Schwingung versetzt wird. Sie bildet eine erste Elektrode eines gemeinsam mit einer steifen Gegenelektrode ausgebildeten Mikrofonkondensators. Die Kapazitätsänderung aufgrund der Schalleinwirkung auf die Membran wird als elektrisches Signal abgegriffen und ausgewertet.
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Um einen Druckausgleich zwischen Vorder- und Rückseite der Membran zu ermöglichen und ausreichende Empfindlichkeit, Frequenzgang und Dämpfungsverhalten des Mikrofons zu ermöglichen, ist der Raum zwischen der Membran und der Gegenelektrode nicht abgeschlossen, sondern über Öffnungen mit einem Druckausgleichsvolumen, einem sogenannten Rückvolumen, verbunden. Dieses erlaubt einen Druckausgleich mit der Atmosphäre um das Dämpfungsverhalten des Mikrofons über einen gewünschten Frequenzbereich abstimmen zu können.
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An einem solchen Aufbau wird es als nachteilig empfunden, dass zur Ausbildung eines solchen Druckausgleichsvolumens der hinter der steifen Gegenelektrode liegende, rückseitige Bereich eines Wavers bearbeitet werden muss. Als Bearbeitungsverfahren sind z. B. Trench, hierbei handelt es sich um chemisch-mechanische siliziumoberflächenbearbeitende Verfahren oder KOH-Ätzen (Kaliumhydroxid-Ätzen) bekannt, um einen Zugang zur Membranrückseite für den Druckausgleich zu schaffen. Solche auch als Bulk-Mikro-Mechanische-Prozesse (BMM) bezeichnete Verfahren sind jedoch aus Zeit- und Kostengründen nicht optimal für die Herstellung extrem hoher Stückzahlen geeignet.
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Aus der Schrift
EP 1 469 701 A2 ist ein mikromechanisches Mikrofon bekannt, bei dem die Mikrofonmembran auf einem Substrat oberhalb eines Rückvolumens angebracht ist. Oberhalb der Membran ist eine seitlich neben der Membran auf dem Substrat befestigte perforierte Gegenelektrode angebracht.
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Ein weiteres Mikrofon, welches mittels MEMS-Technologie hergestellt werden kann, ist in der Schrift
DE 38 07 251 A1 beschrieben. Hierbei werden zwei Halbleiterchips derart aufeinander gebracht, dass die Membran in einem Halbleiterchip und die Gegenelektrode in einem zweiten Halbleiterchip vorgesehen ist. Dabei kann in einer Ausgestaltung eine Ausgleichsbohrung für den statischen Luftdruck im Gegenelektrodenchip vorgesehen sein.
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Ein ähnliches kapazitives MEMS-Mikrofon mit einer Ausgleichsöffnung ist in der
US 5,889,872 A beschrieben.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung:
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Mikrofon der eingangs dargelegten Art zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Dementsprechend betrifft die vorliegende Erfindung ein kapazitives, mikromechanisches Mikrofon nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist dabei ein Druckausgleichsvolumen in einer Ebene mit einem zwischen einer Mikrofonmembrane und einer Gegenelektrode ausgebildeten Membranvolumen ausgebildet. D. h. dass zumindest ein Teil des Druckausgleichsvolumens sich seitlich von ihm erstreckend angeordnet ist. Das Druckausgleichsvolumen ist dabei mit einem Dämpfungskanal verbunden, welcher je nach Anforderungen an das Mikrofon in einer Flussrichtung der durch die Membran zum schwingen gebrachten Luftsäule krümmungsfrei oder gekrümmt, gebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet ist. Selbstverständlich sind aus Kombinationen solcher Dämpfungskanalausführungen möglich, um eine bestimmte Performance des Mikrofons zu erreichen.
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Das Mikrofon weist also unter Zugrundelegung einer dreidimensionalen Körperform (Länge/Breite/Höhe) schichtweise übereinanderliegende Ebenen auf. Die Grundschicht bildet beispielsweise ein Substrat, in welchem eine Vertiefung ausgebildet ist, in der wiederum in schichtweisem Aufbau weitere Mikrofonkomponenten, wie eine Isolationsschicht, eine Gegenelektrode, ein Membranvolumen und eine Membran übereinander angeordnet sind.
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Dieser Vorgehensweise liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Ausbildung des Druckausgleichs- oder sogenannten Rückvolumens für ein derartiges kapazitives, mikromechanisches Mikrofon nicht zwangsweise auf der Rückseite einer steifen Gegenelektrode, einer sogenannten ”Silicon backplate” erforderlich ist, um eine gute Leistungsfähigkeit des Mikrofons zu erzielen, sondern dass auch mit einem an einer anderen Stelle ausgebildeten Druckausgleichsvolumen derartige Effekte zu erzielen sind.
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Aus dieser ersten Erkenntnis ergibt sich die zweite Erkenntnis, nämlich dass insbesondere im Hinblick auf extrem hohe Stückzahlen, wie sie beispielsweise im Handymarkt gefordert werden, kostengünstige Oberflächen Mikro Mechanische (OMM) Prozesse gut geeignet sind, um solche mikromechanischen Mikrofone herzustellen. Neben den geringeren Kosten wirken sich gegenüber den BMM-Prozessen auch vergleichsweise reduzierte Verfahrenszeiten positiv auf die Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrofons aus.
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Insbesondere ist es auch bei solchen Ausführungsformen eines kapazitiven, mikromechanischen Mikrofons möglich, das Druckausgleichsvolumen mit einer Druckausgleichsöffnung zu verbinden. Über eine solche Druckausgleichsöffnung kann das Rückvolumen direkt oder indirekt mit der Atmosphäre oder auch einem externen Druckausgleichsvolumen verbunden werden.
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Wahlweise kann dabei die Druckausgleichsöffnung, bezogen auf die Mikrofonmembrane, an der Oberfläche des Mikrofons und/oder auch zu einer Seite des Mikrofons hin ausgebildet sein. Diese Anordnung kann z. B. von der Anforderung an das Dämpfungsverhalten, die Empfindlichkeit des Mikrofons oder auch von anderen Parametern abhängig sein, wobei auch eine kombinierte Anordnung der Druckausgleichsöffnung sowohl an der Oberfläche als auch an einer oder mehreren Seiten des Mikrofons möglich ist.
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Auch die Ausbildung eines Nebenvolumens, welches mit dem Druckausgleichsvolumen verbunden ist, wird als vorteilhaft angesehen. Auch damit sind sowohl hinsichtlich der Empfindlichkeit als auch hinsichtlich eines gewünschten Dämpfungsverhaltens präzise Abstimmmöglichkeiten für das Mikrofon gegeben.
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Eine weitere Einflussnahme auf die Performance des Mikrofons ist durch die Formgebung des Nebenvolumens möglich, für welches ebenfalls gilt, dass dieses entweder krümmungsfrei oder gekrümmt, gebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet sein kann.
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Im Weiteren sind natürlich auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner und mehrerer solcher Ausführungen von Dämpfungskanälen und Nebenvolumina sowie natürlich auch des Druckausgleichsvolumens zur Erzielung bestimmter Mikrofoneigenschaften möglich.
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Der entscheidende Vorteil der Erfindung liegt also in der Realisierung des Druckausgleichs- oder Rückvolumens in einer Ebene mit dem Membranvolumen, und der damit einhergehenden Möglichkeit, das Mikrofon mittels einer OMM-Opferschicht-Technologie zu realisieren, um einen Druckausgleich zur Atmosphäre zu schaffen.
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Ausführungsbeispiel:
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden, darauf bezugnehmenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 und 2 eine schematische Schnitt- bzw. Draufsicht auf einen Aufbau eines kapazitiven, mikromechanischen Mikrofons;
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3 und 4 eine gegenüber der Ausführungsform aus den 1 und 2 abgewandelte Ausführungsform; und
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5 bis 8 weitere Draufsichten auf weitere abgewandelte Ausführungsformen kapazitiver, mikromechanischer Mikrofone.
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Im Detail zeigen nun die 1 und 2 den Aufbau eines kapazitiven, mikromechanischen Mikrofons auf der Basis eines Substrats 9, welches vorzugsweise ein Si-Substrat 9 ist. Bei der Herstellung des Mikrofons wird auf dem Si-Substrat 9 eine Vertiefung durch selektvies Entfernen der Opferschicht ausgebildet, deren Oberfläche mit einer Isolationsschicht 11 überzogen wird. Die Vertiefung kann bei Verwendung von porösem Silizium auch in das Substrat 9 hinein ausgebildet werden. Auf dieser Isolationsschicht 11 wird eine elektrisch leitende Schicht für die Gegenelektrode 3 abgeschieden und strukturiert. Hierbei kann es sich z. B. um hochdotiertes LPCVD Si (= Low Pressure Chemical Vapor Deposition) handeln.
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Um einen Ausgleich für den durch Schalleinwirkung auf die Membran und dadurch hervorgerufene Schwingungen der Membran sich ändernden Luftdruck im Druckausgleichsvolumen 5 des Mikrofons zu schaffen, ist dieses Druckausgleichsvolumen mit einer Druckausgleichsöffnung 6 verbunden. Insbesondere besteht mittels einer solchen Druckausgleichsöffnung 6 die Möglichkeit das Druckausgleichsvolumen 5 mit der Atmosphäre zu verbinden.
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Die Druckausgleichsöffnungen 6 entsprechend der Ausführungsform nach den 1 und 2 sind zur Vorderseite des Mikrofons hin ausgerichtet, also zu der Seite hin, an welcher auch die Membran 1 angeordnet ist. In einer davon abweichenden Ausführungsform nach den 3 und 4 sind die Druckausgleichsöffnungen 6 zur Seite des Mikrofonkörpers hin ausgebildet. Beide Ausführungsformen haben demnach unterschiedliche Dämpfungseigenschaften, wobei zur Abstimmung des Mikrofons auf ein bestimmtes Dämpfungsverhalten auch Mischformen solcher Anordnungen bezüglich der Druckausgleichsöffnungen 6 möglich sind.
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Erfindungsgemäß kann nun das Druckausgleichs- bzw. Rückvolumen 5 in einer Ebene mit dem Membranvolumen 2 zwischen einer dünnen, schallempfindlichen Mikrofonmembran 1 und einer Gegenelektrode 3 ausgebildet werden.
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Eine weitere Möglichkeit für die Abstimmung des Mikrofons liegt in der Formgebung von Dämpfungskanälen 4, die in der Ausführungsform nach den 1 und 2 das zwischen der Mikrofonmembran 1 und der Gegenelektrode 2 ausgebildete Membranvolumen 2 mit dem Rückvolumen 5 verbinden.
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Weitere Möglichkeiten die Empfindlichkeit und das Dämpfungsverhalten über den gewünschten Frequenzbereich des Mikrofons abzustimmen, sind in den Ausführungsformen nach den 5 bis 8 dargestellt. Insbesondere steht hierzu ein Nebenvolumen 5A mit dem Druckausgleichsvolumen 5 in Verbindung. Hierzu ist ein die beiden Volumina 5, 5A verbindender Dämpfungskanal 4 in einer Flussrichtung krümmungsfrei ausgebildet. In einer demgegenüber abgewandelten Ausführungsform ist es aber auch denkbar, dass der Dämpfungskanal in einer Flussrichtung gekrümmt, gebogen und/oder abgewinkelt ausgebildet ist. Dies gilt auch für das Nebenvolumen 5A, wie dies beispielhaft in den 5 bis 8 gezeigt ist.
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Somit sind Einflussnahmen auf die Empfindlichkeit und das Dämpfungsverhalten des Mikrofons über Parameter, wie Elektrodenabstand, Membranaufhängung und -Steifigkeit, Anzahl, Querschnitt, Länge und Lage der Druckausgleichsöffnungen, Größe und Form des Rückvolumens, sowie die Gestaltung des Druckausgleichs zur Atmosphäre auch durch einen Oberflächen-mikromechanischen Herstellungsprozess zur Ausbildung eines Mikrofon-Rückvolumens in einer Ebene mit dem zwischen der Mikrofonmembran 1 und der Gegenelektrode 3 ausgebildeten Membranvolumen 2 möglich.
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Zur Kontaktierung der dünnen, schallempfindlichen Mikrofonmembran 1 und der Gegenelektrode 3 kann ein elektrischer Abgriff der Kapazität über Kontaktpads 8 erfolgen, die niederohmig mit den beiden Elektroden 1 und 3 über die Leitungen 7 verbunden sind.
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In der 8 sind zusätzlich noch Stabilisierungsstege bzw. -Pfosten 10 dargestellt. Mit diesen ist es möglich sowohl das Druckausgleichsvolumen 5 als auch das Nebenvolumen 5A positiv zu beeinflussen, indem Schwingungen von größeren Begrenzungsflächen gedämpft oder gänzlich eliminiert werden. Durch die Ausbildung eines Nebenvolumens 5A besteht weiterhin der Vorteil, dass auf ein großvolumiges Rückvolumen bei gleichzeitigem Erhalt günstiger Dämpfungseigenschaften verzichtet werden kann, da durch eine geeignete Dimensionierung, wie Länge und Querschnitt, gleiche oder zumindest ähnliche Eigenschaften für das Mikrofon erzielbar sind.
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Die Herstellung des erfindungsgemäßen, kapazitiven, mikromechanischen Mikrofons kann z. B. folgende Prozessschritte umfassen:
- – Abscheidung einer Isolationsschicht (z. B. SiO2, SiN) zur elektrischen Isolierung der Gegenelektrode 3 gegen das Substrat 9;
- – Abscheidung und Strukturierung einer elektrisch leitenden Schicht (als Gegenelektrode);
- – Realisierung einer Kaverne mittels Opferschichttechnik (beispielsweise sind als Opferschicht SiO2, poly-Si oder auch SiGe geeignet). Eine Erzeugung der Kaverne durch Hilfsschichten aus porösem Silizium wie in WO 03/016203 A2 ( DE 101 38 759 A1 ) beschrieben, ist ebenfalls denkbar.
- – Realisierung einer Membran, die als obere, bewegliche Elektrode dient bzw. eine Schicht enthält, die als Elektrode dient.
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Mögliche weitere Ausführungsformen:
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- – Ein erweitertes, größeres Rückvolumen ließe sich durch einen komplexeren Schichtaufbau realisieren, bei dem eine größere, untere Kaverne als Rückvolumen dient (seitlich oder nach oben entlüftet), die nach oben durch eine (perforierte, dicke) Membran/Platte angeschlossen wird, die auch als Gegenelektrode dient. Darüber kann dann der beschriebene Schichtaufbau folgen.
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Falls erwünscht, kann an die Druckausgleichsöffnungen auch ein externes Rückvolumen angeschlossen werden, das in verschiedenen Materialien ausgebildet werden kann, die durch eine geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik mit der Silizium-Komponente verbunden werden.