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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon (MEMS-Mikrofon).
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Hintergrund der Erfindung
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Die 1 ist ein Diagramm, das schematisch den Aufbau eines herkömmlichen MEMS-Mikrofons zeigt (wobei MEMS als Abkürzung für Mikrosystem steht). Das herkömmliche Mikrosystem-Mikrofon 1 umfasst eine rückseitige Platte 2, eine Membran 3 und ein Abstandselement 4. Das Abstandselement 4 ist zwischen der rückseitigen Platte 2 und der Membran 3 angeordnet, wobei das Abstandselement 4 den Rand der Membran 3 abstützt und die Membran 3 von der rückseitigen Platte 2 trennt bzw. isoliert. Somit sind die rückseitige Platte 2 und die Membran 3 parallel zueinander angeordnet und diese bilden jeweils eine untere Elektrode und eine obere Elektrode eines Parallelplattenkondensators. Die rückseitige Platte 2 weist eine Mehrzahl von Luftlöchern 5 auf, die in Entsprechung zu der Membran 3 angeordnet sind, die rückseitige Platte 2 durchstoßen und mit einer rückseitigen Kammer 7 in Verbindung stehen, die auf einem Siliziumsubstrat 6 ausgebildet ist.
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Das Anlegen einer Spannung an die rückseitige Platte 2 und die Membran 3 bewirkt, dass diese jeweils entgegengesetzte Ladungen tragen und eine Kondensatorstruktur ausbilden. Die Kondensatorgleichung, die einem Parallelplattenkondensator entspricht, lautet C = εA/d, wobei ε die Dielektrizitätskonstante ist, A die Überlappungsfläche der beiden Elektrodenplatten und d die Spaltbreite zwischen den beiden Kondensatorplatten. Entsprechend der Gleichung wird eine Änderung des Spalts zwischen den beiden Kondensatorplatten die Kapazität verändern. Wenn Schallwellen bewirken; dass die Membran 3 schwingt und sich verformt, wird der Abstand zwischen der rückseitigen Platte 2 und der Membran 3 variieren. Somit variiert auch die Kapazität, um in elektrische Signale umgewandelt und ausgegeben zu werden. Die gestörte bzw. komprimierte Luft zwischen der Membran 3 und der rückseitigen Platte 2 wird über die Luftlöcher 5 an die rückseitige Kammer 7 abgegeben, damit der plötzliche Druck nicht die Membran und die rückseitige Platte 2 beschädigt.
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Die 2 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Verpackungsaufbau eines herkömmlichen Mikrosystem-Mikrofons zeigt. Das herkömmliche Mikrosystem-Mikrofon 1 ist auf einer Basisplatte 8 aufgebaut und auf der Innenseite eines Halteraums verpackt bzw. eingehäust, der von einem Metallgehäuse 9 ausgebildet ist. Die Membran 3 und die rückseitige Platte 2 sind jeweils elektrisch leitend mit einem Wandlungschip 10 verbunden. Der Wandlungschip 10 wandelt die Änderung der Kapazität zwischen der rückseitigen Platte 2 und der Membran 3 in elektrische Signale zur Ausgabe um.
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Bei den herkömmlichen Mikrosystem-Mikrofonen induziert ein Schalldruck eine Verformung der flexiblen Membran und verändert den Abstand zwischen der flexiblen Membran und der rückseitigen Platte, wodurch die Kapazität verändert wird. Die flexible Membran wird jedoch mittels eines Schichtabscheideverfahrens bei sehr hohen Temperaturen hergestellt. Weil unterschiedliche Materialien jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, bauen sich in der Membran Zug- oder Druckspannungen unterschiedlicher Größe auf. Eine Restspannung, die auf die Membran einwirkt, wird eine Verwellung oder Beulen der Membran bewirken und die Präzision des Detektionsvorgangs herabsetzen. Weil die Empfindlichkeit eines Mikrofons umgekehrt proportional zur Restspannung der Membran ist, führt eine höhere Restspannung außerdem zu einer geringeren Empfindlichkeit.
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US 5 490 220 A schlägt eine abgehängte Membran ohne eine konstante Rand- bzw. Grenzfläche vor, wobei ein Federbalken dazu verwendet wird, um die Membran abzustützen, so dass die Membran aufgehängt ist, um durch Temperatureffekte bewirkte Spannungen abzubauen.
US 5 870 482 A offenbart die Verwendung einer großflächigen, plattenförmigen Membran, von der nur eine Seite befestigt ist.
US 7 023 066 B2 schlägt eine spezielle Ausgestaltung des Rands der Membran vor, um das Problem von Restspannungen zu beheben, wobei beispielsweise tangentiale Haltefedern entlang des Rands der Membran vorgeschlagen werden. Egal, ob der Federbalken oder die tangentialen Haltefedern verwendet werden, um das Problem von Restspannungen zu beheben, ist die Auslegung und der Herstellungsprozess hierzu kompliziert und ist es kaum möglich, das Problem von Restspannungen vollständig zu beheben.
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Außerdem kann bei den vorgenannten Techniken eine flexible Membran nicht immer parallel zu der rückseitigen Platte angeordnet werden, wenn diese verformt wird. Somit ist es schwierig, die Veränderung der Spaltbreite zwischen der Membran und der rückseitigen Platte abzuschätzen, und ist die Präzision nicht ausreichend. Außerdem ist die Empfindlichkeit eines Mikrofons proportional zu der Treiberspannung. Wenn eine hohe Spannung dazu verwendet wird, um die Empfindlichkeit eines Mikrofons zu verbessern, kann die herkömmliche flexible Membran kollabieren und an der rückseitigen Platte anliegen. In einem solchen Fall fallt das Mikrofon aus.
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JP 2010 057 167 A offenbart ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die Membran ist jedoch auf derselben Seite der rückseitigen Platte angeordnet wie die rückseitige Kammer, d. h. in der rückseitigen Kammer. Die Membran ist mittels eines elastischen zentralen Abschnitts an der rückseitigen Platte flexibel aufgehängt, sodass die Membran durch einfallenden Schall in Abhängigkeit von dessen Einfallsrichtung ausgelenkt wird. Weitere Maßnahmen zur Versteifung der rückseitigen Platte sind nicht offenbart.
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JP 2005 057 645 A offenbart ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon, bei dem die Membran ebenfalls innerhalb der rückseitigen Kammer angeordnet ist.
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JP 2009 028 806 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Mikrosystems mit mehreren unterschiedlichen Lagen.
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JP 2008 005 440 A offenbart ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon, das eine Basis mit einer darin ausgebildeten rückseitigen Kammer, eine rückseitige Platte mit einer Mehrzahl von Luftlöchern und eine steife Membran aufweist, die mit der rückseitigen Platte über ein säulenförmiges Abstützelement verbunden ist. Ein elastisches Element, ausgebildet von sich kreuzenden Stegen, und Versteifungsrippen der rückseitigen Platte sind nicht offenbart.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein weiter verbessertes kapazitives Mikrosystem-Mikrofon bereitzustellen, bei dem die herkömmlichen Probleme von wärmebedingten Restspannungen und einer geringen Präzision mit einem einfachen und kostengünstigen Aufbau zuverlässig behoben sind.
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Diese Aufgabe wird durch ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
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Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon vor, das eine Basis, eine rückseitige Platte, ein elastisches Element und eine steife Membran aufweist. Die Basis weist eine darin ausgebildete rückseitige Kammer auf. Die rückseitige Platte ist auf der Basis angeordnet und weist eine Mehrzahl von Luftlöchern auf, die mit der rückseitigen Kammer in Verbindung stehen. Das elastische Element ist von einer Mehrzahl von sich kreuzenden Stegen ausgebildet und auf der Basis angeordnet. Die steife Membran ist auf dem elastischen Element abgestützt und parallel zu der rückseitigen Platte angeordnet. Die rückseitige Kammer ist auf einer ersten Seite der rückseitigen Platte angeordnet. Erfindungsgemäß ist die steife Membran auf einer zweiten Seite der rückseitigen Platte angeordnet, die der ersten Seite gegenüberliegt, wobei die rückseitige Platte eine Mehrzahl von Versteifungsrippen aufweist, die an Abschnitten zwischen den Luftlöchern auf einer der steifen Membran abgewandten Seite gekrümmt ausgebildet sind, um die Steifigkeit der rückseitigen Platte aufrechtzuerhalten, so dass die rückseitige Platte zwischen der steifen Membran und der rückseitigen Kammer angeordnet ist und dann, wenn eine Schallwelle auf die steife Membran einwirkt, sich die steife Membran aufgrund der die Elastizität des elastischen Elements in Richtung einer Normalen und parallel zu der rückseitigen Platte bewegt.
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Bei dem kapazitiven Mikrosystem-Mikrofon gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Membran bei deren Mitte abgestützt ist. Somit werden Spannungen der Membran von deren Mitte nach auswärts gerichtet abgeleitet. Auf diese Weise werden die Probleme einer Verformung, von Beulen oder Rissen der Membran, hervorgerufen durch Spannungen, behoben. Oder das elastische Element bewirkt, dass sich die steife Membran während ihrer Bewegung vertikal und parallel zu der rückseitigen Platte bewegt. Auf diese Weise entspricht die Änderung der Kapazität zwischen der steifen Membran und der rückseitigen Platte nur dem dazwischen ausgebildeten Spalt. Somit ist die Präzision, Genauigkeit und Lebensdauer des Mikrofons erhöht.
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Nachfolgend werden die Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben, um die vorliegende Erfindung darzulegen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit den nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Diagramm, das schematisch den Aufbau eines herkömmlichen Mikrosystem-Mikrofons zeigt;
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2 ist ein Diagramm, das schematisch die Gehäuse- bzw. Verpackungsstruktur eines herkömmlichen Mikrosystem-Mikrofons zeigt;
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3A ist eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels, das einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen soll;
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3B ist eine perspektivische Schnittansicht des Ausführungsbeispiels gemäß der 3A;
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4 ist ein Diagramm, das schematisch den Betrieb des Ausführungsbeispiels gemäß der 3A zeigt;
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5A ist eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5B ist eine perspektivische Schnittansicht des Ausführungsbeispiels gemäß der 5A;
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6 ist ein Diagramm, das schematisch den Betrieb des Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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7A–7I sind Schnittansichten, die schematisch einen Herstellungsprozess eines kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen; und
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8 ist ein Diagramm, das das Ergebnis eines Tests unter verschiedenen Frequenzen eines kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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Die technischen Inhalte der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen nachfolgend ausführlich beschrieben.
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3A und 3B zeigen ein Ausführungsbeispiel, das einem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen soll. Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 20 umfasst eine Basis 21, eine Membran 22, ein Verankerungs- bzw. Befestigungselement 23 und eine rückseitige Platte 24. Die Basis 21 weist eine rückseitige Kammer 26 auf. Die rückseitige Platte 24 ist auf der Basis 21 angeordnet und weist eine Mehrzahl von Luftlöchern 25 auf, die mit der rückseitigen Kammer 26 verbinden. Das Verankerungselement 23 ist auf der Basis 21 angeordnet und überspannt die rückseitige Kammer 26. Das Verankerungselement 23 weist außerdem einen Abstützabschnitt 27 auf. Die Membran 22 weist eine Mitte auf, die von dem Abstützabschnitt 27 abgestützt ist, um ein ruhendes Ende 221 auszubilden. Die Membran 22 weist auch ein freies Ende 222 auf, das auf dem Umfang entsprechend dem ruhenden Ende 221 ausgebildet ist. Die Membran 22 ist parallel zu der rückseitigen Platte 24, so dass auf die Membran 22 einwirkende Spannungen von dem ruhenden Ende 221 hin zu dem freien Ende 222 abgeleitet werden.
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Es sei besonders darauf hingewiesen, dass Restspannungen, die auf die Membran 22 einwirken, normalerweise radial von der Mitte und hin zu dem Rand abgeleitet werden. Deshalb begünstigt eine Abstützung der Membran 22 an deren Mittenabschnitt eine Ableitung von Restspannungen, die auf die Membran 22 einwirken. Wenn man die Stabilität der Membran 22 berücksichtigt, kann es sich bei dem vorgenannten zentralen Abschnitt um die geometrische Mitte (den Schwerpunkt) der Membran 22 oder um einen Punkt auf der Symmetrieachse der Membran 22 handeln. Bei einem Ausführungsbeispiel stützt der Abstützabschnitt 27 die Mitte einer kreisförmigen bzw. kreisrunden Membran 22 ab. Um die Beschreibung zu erleichtern, wird die vorliegende Erfindung dieses Ausführungsbeispiel nachfolgend als Beispiel heranziehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf ein solches Ausführungsbeispiel beschränkt. Außerdem kann der Abstützabschnitt 27 gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Säule sein, die fest auf dem Verankerungselement 23 vorgesehen ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Membran 22 eine flexible Membran, die aufgrund von Schallwellen schwingen oder sich verformen kann. Eine solche Auslegung bewirkt, dass Restspannungen der Membran 22 von dem ruhenden Ende 221 hin zu dem freien Ende 222 abgeleitet werden, und verhindert eine Ausbeulung oder Verformung der Membran 22.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Basis 21 ein Siliziumsubstrat mit einer darin ausgebildeten kreisrunden bzw. kreisförmigen rückseitigen Kammer 26 und bestehen die Membran 22 und die rückseitige Platte 24 jeweils aus einem polykristallinen Silizium. Das Verankerungselement 23 ist kreuzförmig ausgebildet. Die Endpunkte des kreuzförmigen Verankerungselements 23 sind auf dem Rand der rückseitigen Kammer 26 befestigt. Die rückseitige Platte 24 ist fest auf einer Seite der rückseitigen Kammer 26 der Basis 21 angeordnet, weist eine Mehrzahl von Luftlöchern 25 auf und weist einen Aufnahmeraum auf, der für das Verankerungselement 23 vorgesehen ist. Die Membran 22 ist oberhalb der rückseitigen Platte 24 und parallel zu der rückseitigen Platte 24 angeordnet, um so einen Parallelplatten-Kondensator auszubilden. Wie man aus der 4 schließen kann, sind, wenn eine positive bzw. negative Spannung an die Membran 22 bzw. an die rückseitige Platte 24 angelegt wird, die Membran 22 und die rückseitige Platte 24 entgegengesetzt geladen, um einen Parallelplatten-Kondensator auszubilden. Wenn Schallwellen auf die Membran 22 einwirken, schwingt das freie Ende der Membran 22 und verformt sich. Dies führt zu einer Veränderung der Kapazität zwischen der Membran 22 und der rückseitigen Platte 24. Durch Berechnung und Analyse mittels einer externen Schaltung werden die akustischen Signale in elektrische Signale zur Ausgabe gewandelt. Dabei wird die Luft, die durch die Schwingungen der Membran 22 in Unruhe gebracht wird, von den Luftlöchern 25 der rückseitigen Platte 24 zu der rückseitigen Kammer 26 ausgetragen.
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Wie in der 4 gezeigt, nämlich gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 20 außerdem zumindest ein Trennelement 28 auf, das zwischen der Membran 22 und der rückseitigen Platte 24 angeordnet ist. Die Trennelemente 28 können auf einer Seite der Membran 22 gegenüberliegend der rückseitigen Platte 24 angeordnet sein oder können auf einer Seite der rückseitigen Platte 24 gegenüberliegend der Membran 22 angeordnet sein. In der 4 sind jeweils zwei Trennelemente 28 auf zwei Seiten der rückseitigen Platte 24 angeordnet. Wenn ein zu intensiver Schalldruck eine allzu starke Verformung der Membran 22 bewirkt, können die Trennelemente 28 für einen Dämpfungseffekt sorgen und eine elektrische Trennung bzw. Isolation der Membran 22 von der rückseitigen Platte 24 bewirken, damit kein elektrischer Kontakt der Membran 22 mit der rückseitigen Platte 24 das Mikrofon beschädigen kann. Außerdem weist die rückseitige Platte 24 ferner eine Mehrzahl von Verstärkungselementen (in den Zeichnungen nicht gezeigt) auf einer Seite auf, um die Stabilität der rückseitigen Platte 24 zu verbessern.
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Die 5A und 5B zeigen jeweils eine Perspektivansicht bzw. eine Schnittansicht, die schematisch ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen. Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Basis 31, eine steife Membran 32, ein elastisches Element 33 und eine rückseitige Platte 34. Die Basis 31 weist eine rückseitige Kammer 36 auf. Die rückseitige Platte 34 ist auf der Basis 31 angeordnet und weist eine Mehrzahl von Luftlöchern 35 auf, die mit der rückseitigen Kammer 36 verbinden. Das elastische Element 33 ist auch auf der Basis 31 angeordnet. Die steife Membran 32 ist parallel zu der rückseitigen Platte 34 und befindet sich auf dem elastischen Element 33. Wenn somit eine Schallwelle auf die steife Membran 32 einwirkt, bewegt sich die steife Membran 32 in Richtung einer Normalen, parallel zu der rückseitigen Platte 34, das heißt entlang der z-Achse. Gemäß der vorgenannten Gleichung für einen Parallelplatten-Kondensator kann die Änderung der Kapazität zwischen der steifen Membran 32 und der rückseitigen Platte 34 umgeschrieben werden zu ΔC = εA/(d – Δx), wobei d der ursprüngliche Abstand zwischen der rückseitigen Platte 34 und der steifen Membran 32 ist, bevor auf diese ein Schalldruck wirkt, und Δx die Verschiebung der steifen Membran 32 ist, hervorgerufen durch den akustischen Druck. Im Vergleich zu einer herkömmlichen flexiblen Membran, bei der der Abstand zwischen der rückseitigen Platte 34 und jedem Punkt der flexiblen Membran eine unterschiedliche Verschiebung erfährt, entspricht die Änderung der Kapazität gemäß der vorliegenden Erfindung nur der Größe Δx. Deshalb kann die vorliegende Erfindung für ein größeres Ausgangssignal für die Änderung der Kapazität und somit für eine Verbesserung der Empfindlichkeit eines Mikrofons sorgen.
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Wie in 5B gezeigt, kann gemäß dem Ausführungsbeispiel die Basis 31 ein Siliziumsubstrat mit einer darauf ausgebildeten kreisrunden rückseitigen Kammer 36 sein. Das elastische Element 33 ist kreuzförmig ausgebildet und dessen vier Enden sind auf dem Rand der rückseitigen Kammer 36 der Basis 31 befestigt. Die steife Membran 32 ist kreisrund ausgebildet und mit Hilfe eines Abstützelements 37 fest auf dem Schnittpunkt des kreuzförmigen elastischen Elements 33 verankert bzw. befestigt. Somit ist die steife Membran 32 parallel zur Ebene, die von der elastischen Membran 33 ausgebildet ist. Das Abstützelement 37 weist ein Ende auf, das relativ zu dem elastischen Element 33 an der Mitte der kreisrunden steifen Membran 32 befestigt ist. Das Abstützelement 37 kann die physikalische Balance der steifen Membran 32 aufrechterhalten und eine Ableitung von thermischen Spannungen, die in einem thermischen Herstellungsprozess erzeugt werden, erleichtern.
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Die rückseitige Platte 34 ist auf einer Seite der rückseitigen Kammer 36 der Basis 31 fest angeordnet und weist eine Mehrzahl von darauf ausgebildeten Luftlöchern 35 auf, jedoch ist ein Aufnahmeraum der rückseitigen Kammer 36 zur Aufnahme des elastischen Elements 33 vorgesehen. Die steife Membran 32 ist oberhalb der rückseitigen Platte 34 und parallel zur rückseitigen Platte 34 angeordnet, so dass auf diese Weise ein Parallelplatten-Kondensator ausgebildet ist. Wie in der 6 gezeigt, werden im Betrieb eine positive bzw. negative Spannung an die steife Membran 32 bzw. die rückseitige Platte 34 angelegt, wodurch die steife Membran 32 und die rückseitige Platte 34 jeweils positive Ladungen bzw. negative Ladungen tragen und einen Parallelplatten-Kondensator ausbilden. Wenn Schallwellen auf die Oberfläche der steifen Membran 32 einwirken, wird der Schalldruck auf das elastische Element 33 übertragen, so dass sich dieses verformt. Somit wird die steife Membran 32 entlang der Z-Achse und hin zu der rückseitigen Platte 34 bewegt und wird die Kapazität zwischen der steifen Membran 32 und der rückseitigen Platte 34 geändert. Mittels einer Analyse und Berechnung der Änderung der Kapazität mithilfe einer externen Schaltung werden die Schaltsignale in elektrische Signale zur Ausgabe umgewandelt.
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Wie in der 6 gezeigt, weist das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 gemäß der vorliegenden Erfindung außerdem zumindest ein Trennelement 38 auf, das zwischen der steifen Membran 32 und der rückseitigen Platte 34 angeordnet ist. Das Trennelement 38 kann auf einer Oberfläche der steifen Membran 32 gegenüberliegend der rückseitigen Platte 34 angeordnet sein oder kann auf einer Oberfläche der rückseitigen Platte 34 gegenüberliegend der steifen Membran 32 angeordnet sein. In der 6 sind zwei Trennelemente 38 jeweils auf zwei Enden der rückseitigen Platte 34 angeordnet. Wenn ein zu hoher Schalldruck eine allzu starke Auslenkung der steifen Membran 32 hin zu der rückseitigen Platte 34 hervorruft, können die Trennelemente 38 für einen Dämpfungseffekt und eine elektrische Trennung der steifen Membran 32 von der rückseitigen Platte 34 sorgen, damit kein elektrischer Kontakt der steifen Membran 32 mit der rückseitigen Platte 34 das Mikrofon beschädigen kann.
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Außerdem weist die steife Membran 32 eine Mehrzahl von Verstärkungselementen (in den Zeichnungen nicht gezeigt) auf, beispielsweise Versteifungsrippen, die auf einer Seite der steifen Membran 32 angeordnet sind, um die mechanische Stabilität der steifen Membran zu verbessern und die Steifigkeit der steifen Membran 32 aufrechtzuerhalten.
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Erfindungsgemäß weist die rückseitige Platte 34 eine Mehrzahl von Verstärkungselementen 39 auf, beispielsweise Verstärkungsrippen, die auf einer Seite der rückseitigen Platte 34, der steifen Membran 32 abgewandt, vorgesehen sind, um die mechanische Stabilität der rückseitigen Platte 34 zu verbessern und die Steifigkeit der rückseitigen Platte 34 aufrechtzuerhalten.
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Die 7A–7I sind Schnittansichten, die schematisch einen Prozess zur Herstellung des kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons 30 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei die Schnittansichten entlang der Linie K-K' in der 5A aufgenommen sind und wobei elektrische Verdrahtungsschritte zum Verdrahten der diversen Elemente ausgelassen wurden, solange diese Auslassung nicht die Realisierung und das Verständnis der vorliegenden Erfindung beeinträchtigt. Zunächst wird gemäß der 7A ein Substrat zur Herstellung der Basis 31 vorbereitet, beispielsweise ein Siliziumsubstrat 40. Als nächstes wird gemäß der 7B die Position zur Anordnung der rückseitigen Platte 34 auf dem Siliziumsubstrat 40 festgelegt und werden Gräben 41 zum Ausbilden der Verstärkungselemente 39 auf dem Siliziumsubstrat 40 mithilfe eines Ätzverfahrens hergestellt. Als nächstes wird gemäß der 7C eine Polysilizium-Schicht 42 auf dem Siliziumsubstrat 40 abgeschieden, um die Gräben 41 aufzufüllen und die Verstärkungselemente 39 der rückseitigen Platte 34 auszubilden. Als nächstes werden gemäß der 7D die Positionen des elastischen Elements 33 und der Luftlöcher festgelegt und wird der Bereich der rückseitigen Platte 34 durch Ätzen der Polysilizium-Schicht 42 festgelegt. Die Verstärkungselemente 39 können die Ebenheit und Steifigkeit der rückseitigen Platte 34 aufrechterhalten. Die Elastizität des elastischen Elements 33 kann durch Variieren der Dicke der Polysilizium-Schicht oder durch Wahl deren Materials eingestellt werden.
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Als nächstes werden gemäß der 7E die Trennelemente 38 auf der rückseitigen Platte 34 ausgebildet. Die Trennelemente 38 werden aus Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellt. Als nächstes wird gemäß der 7F und 7G eine Zwischenschicht 43 oberhalb der rückseitigen Platte 34 ausgebildet und wird die Position zum Ausbilden des Abstützelements 37 auf der Zwischenschicht 43 festgelegt, wobei die Position zum Ausbilden des Abstützelements 37 oberhalb des elastischen Elements 33 ist. Die Zwischenschicht 43 wird aus Siliziumdioxid (SiO2) hergestellt. Als nächstes wird eine Polysilizium-Schicht 44 auf der Zwischenschicht 43 abgeschieden, um die steife Membran 32 und das Abstützelement 37 auszubilden. Als nächstes wird gemäß der 7H der Boden des Siliziumsubstrats 40 geätzt, um die rückseitige Kammer 36 auszubilden. Dann wird gemäß der 7I die Zwischenschicht 43 durch einen Ätzprozess entfernt, so dass die steife Membran 32 von dem Abstützelement 37 auf dem elastischen Element 33 parallel zur rückseitigen Platte 34 abgestützt ist.
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Die 8 ist ein Diagramm, das das Ergebnis von Tests eines kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Frequenzen zeigt, wobei das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 elektrisch mit einem IC zum Auslesen der Kapazität (MS3110) verbunden ist und in einer halb-nachhallfreien Kammer angeordnet ist, um die Signale von einem Lautsprecher zu empfangen. Wenn der Schallpegel unterhalb von 94 dB liegt, kann das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 eine Schallfrequenz von 10–20.000 Hz detektieren. Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 weist eine Empfindlichkeit von etwa 12,63 mV/Pa bzw. –37,97 dB/Pa auf. Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 hat die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, eines kompakten Aufbaus und von geringen Kosten. Außerdem weist die steife Membran 32 des kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons 30 weniger wahrscheinlich Restspannungen auf und weist somit im Vergleich zu der herkömmlichen flexiblen Membran eine höhere Empfindlichkeit auf.
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Bei dem kapazitiven Mikrosystem-Mikrofon gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Membran an deren geometrischem Mittelpunkt abgestützt, so dass Restspannungen der Membran auswärts und ausgehend von der Mitte abgeleitet werden. Oder das elastische Element bewirkt, dass die steife Membran sich während ihrer Bewegung vertikal und parallel zu der rückseitigen Platte bewegt. Auf diese Weise entspricht die Änderung der Kapazität zwischen der steifen Membran und der rückseitigen Platte nur der zwischen diesen ausgebildeten Spaltbreite. Somit werden die Probleme einer Verformung, von Ausbeulungen oder Rissen der Membran, hervorgerufen durch Spannungen, überwunden und wird die Präzision, Empfindlichkeit und Lebensdauer des Mikrofons verbessert.
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Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen die vorliegende Erfindung nur beispielhaft dar und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken. Jegliche äquivalente Modifikationen oder Variationen entsprechend den technischen Lehren der Beschreibung oder Zeichnungen sollen ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen.