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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Miniatursiliziumwandler.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Verwendung von kapazitiven Wandlern auf Siliziumbasis als Mikrofone
ist im Stand der Technik bekannt. Typischerweise bestehen solche
Mikrofone aus vier Elementen: einer festen Rückenplatte, einer außerordentlich
nachgiebigen, beweglichen Membran (die gemeinsam die beiden Platten
eines Kondensators mit variablem Luftspalt bilden), eine Spannungsquelle
und einem Puffer.
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Die
Massenfertigung von akustischen Kondensatoren, die ähnliche
Prozesse benutzen wie die aus der integrierten Schaltkreistechnologie
bekannten, bietet im Hinblick auf die Produktionskosten, die Wiederholbarkeit
und die Größenreduzierung
interessante Merkmale. Darüber
hinaus bietet die Technologie die einzigartige Möglichkeit der Konstruktion eines
einzigen Wandlers mit einer großen
Betriebsbandbreite bei gleichmäßig hoher
Empfindlichkeit. Dies schafft für
einen Wandler mit nur kleinen oder gar keinen Abwandlungen die Möglichkeit
der Verwendung in solchen unterschiedlichen Anwendungsfällen wie
Kommunikationssystemen, Hör-
und Ultraschallbereichen, Bild- und Bewegungsfeststellsystemen.
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Der
Schlüssel
zur Erreichung einer großen Bandbreite
und einer hohen Empfindlichkeit liegt darin, daß eine Struktur mit einer kleinen
und extrem empfindlichen Membran geschaffen wird. Konstruktionen
sind bereits im US-Patent 5 146 435 von Bernstein und im US-Patent
5 452 268 von Bernstein vorgeschlagen worden, die die Merkmale des
Oberbegriffs des Anspruchs 1 offenbaren. In diesen Strukturen ist
die Membran an einer Anzahl sehr flexibler, beweglicher Federn aufgehängt. Die
Verwendung von Federn führt
jedoch zu einem damit unmittelbar verbundenen Problem der Steuerung
des akustischen Lecks in der Struktur, das wiederum die niedrige
Abrollfrequenz beeinflußt.
Eine andere Möglichkeit
besteht darin, die Membran in einem einzigen Punkt aufzuhängen, wodurch
ebenfalls ein außerordentlich
empfindliches Gebilde geschaffen wird (siehe US-Patent 5 490 220
von Loeppert). Leider werden in diesem Fall die Eigenschaften des
Membranma terials zu einem kritischen Punkt, insbesondere spielt
der dem Material eigene Spannungsgradient eine Rolle, daß sich ein
freier Film kräuselt.
Möglicherweise
führt dies
zu einem Problem für
dieses Gebilde, betreffend die Reproduzierbarkeit der niedrigen Abrollfrequenz
des Wandlers.
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Die
beiden mechanischen Elemente, nämlich
die Rückenplatte
und die Membran, sind gewöhnlich
aus einem einzigen Siliziumsubstrat gebildet, und zwar unter Verwendung
einer im Stand der Technik bekannt Kombination aus Oberflächenbearbeitung
und maschineller Massenbearbeitung. Eines dieser beiden Elemente
ist im allgemeinen so geformt, daß es eben ist, wobei die Oberfläche aus
dem tragenden Siliziumwafer besteht. Das andere Element, das im
allgemeinen ebenfalls eben ist, wird einige Mikrometer über dem
ersten Element durch Stützen
oder Seitenwände
getragen, daher der Ausdruck "erhöhte Mikrostruktur".
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Im
allgemeinen wirkt sich die Positionierung der beiden Elemente in
Bezug auf einander auf die Leistungsfähigkeit der ganzen Konstruktion
aus. In den dünnen
Filmen bzw. Schichten, die die erhöhte Mikrostruktur aufweist,
vorhandene Spannungen bewirken, daß das Gebilde aus der Konstruktionslage ausweicht.
Bei einem Mikrofon beeinflussen insbesondere Veränderungen in dem Spalt zwischen
der Membran und der Rückenplatte
die Mikrofonempfindlichkeit, Geräusch
und Überspannung.
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Viele
andere Faktoren beeinflussen ebenfalls die Herstellung, den Aufbau,
die Zusammensetzung und die Gesamtkonstruktion des Mikrofons. Derartige
Probleme werden ausführlich
diskutiert sowie beschrieben in den US-Patenten 5 408 731 von Berggvist,
5 490 220 von Loeppert und 5 370 482 von Loeppert.
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Bei
dem speziellen Konstruktionsbeispiel einer Mikrofon-Rückenplatte
als einer gehobenen Mikrostruktur besteht das Ziel, ein steifes
Element in einer in Bezug auf die Membran präzisen Position zu schaffen.
Ein Verfahren zur Erreichung dieses Ziels besteht darin, die Rückenplatte
unter Verwendung eines dünnen
Siliziumnitrit-Films zu bilden, der auf einer geformten Siliziumoxid-Opferschicht
abgelagert wird, die dazu dient, die gewünschte Trennung herzustellen.
Diese Opferschicht wird später
durch gut bekannte Ätzprozesse
beseitigt, so daß die
erhöhte Rückenplatte
zurückbleibt.
In der Siliziumnitrit-Rückenplatte
vorhandene Zugspannungen bewirken, daß sie sich aus ihrer Lage herausbiegt.
Druckspannungen sind immer zu vermeiden, da sie bewirken, daß sich das
Gebilde verwirft.
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12 zeigt
eine solche erhöhte
Mikrostruktur 110 bekannter Art. Nachdem das Oxid entfernt worden
ist, bleibt die erhöhte
Mikrostruktur 110 übrig und
in der Platte 112 ist eine dem Gebilde eigene Spannung
vorhanden. Die Spannung T hat ihre Ursache in dem Herstellungsverfahren
sowie aus der Differenz zwischen den Dehnungskoeffizienten des Materials
der erhöhten
Mikrostruktur 110 und des tragenden Wafers 116.
Wie dargestellt, ist die Spannung T radial nach außen gerichtet.
Die in der Platte 112 vorhandene Spannung T führt zu einem
durch den Pfeil M angezeigten Biegemoment um die Basis 118 der
Seitenwand 114. Dieses Biegemoment M bewirkt in der Platte 112 eine
Tendenz, sich gegen den Wafer 116 in Richtung des Pfeils
D zu biegen. Diese Biegung der Platte 112 hat eine negative
Auswirkung auf die Empfindlichkeit und die Leistungsfähigkeit des
Mikrofons.
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Im
Stand der Technik sind eine Anzahl unerwünschter Mittel zur Überwindung
der Wirkungen dieser dem Gebilde eigenen Spannungen innerhalb einer
dünnschichtigen,
erhöhten
Mikrostruktur bekannt. Unter diesen Mitteln ist dasjenige zu finden, das
darin besteht, daß die
Verbindung der Dünnschicht
dadurch justiert werden kann, daß das Silizium angereichert
wird, um das ihr eigene Spannungsniveau zu senken. Diese Technik
hat jedoch Nachteile. Sie führt
dazu, daß die
Dünnschicht
einen geringeren Ätzwiderstand
gegen HF-Säure
erhält
und die Schwierigkeiten und Kosten der Herstellung zunehmen. Eine
weitere im Stande der Technik bekannte Lösung besteht darin, die Dicke
der Seitenwand, die die erhöhte
Rückenplatte
trägt,
zu erhöhen,
um dadurch die Fähigkeit
der Seitenwand zu vergrößern, der
vorhandenen Neigung der Dünnschicht
zur Ausbiegung, Widerstand entgegenzusetzen. Obgleich dies vom geometrischen
Standpunkt aus betrachtet, akzeptabel erscheint, ist die Herstellung
einer dicken Seitenwand, wenn die Mikrostruktur erhöht ist,
unter Verwendung des Dünnschicht-Niederschlags
nicht praktikabel.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, dieses und andere Probleme
zu lösen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen akustischen Wandler mit einem
Abdeckkörper,
der eine ebene Oberfläche
aufweist, in der sich mehrere Durchbrüche befinden, ferner mit einem
Substrat, das an dem perforierten Abdeckkörper betriebs fähig angebracht
ist und einer Membran, die zwischen dem Abdeckkörper und dem Substrat angeordnet
ist und in einer Ebene parallel zu der ebenen Oberfläche des Abdeckkörpers seitlich
beweglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdeckkörper zwischen
ihm und dem Substrat einen Befestigungsumfang aufweist, der so ausgeführt ist,
daß die
Empfindlichkeit des Abdeckkörpers
auf die vorhandenen internen Biegemomente reduziert wird.
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Ein
Merkmal der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus dem Tatbestand,
daß eine
Membran die höchste
mechanische Empfindlichkeit hat, wenn sie sich frei in ihrer eigenen
Ebene bewegen kann. Darüber
hinaus läßt sich,
wenn die Membran auf einem Stützring
ruht, der an dem perforierten Körper
angebracht ist, eine feste akustische Abdichtung erreichen, die
zu einem gut gesteuerten, niederfrequenten Abrollen des Wandlers
führt.
Dazu kommt, daß dann,
wenn ein Aufhängungsverfahren
so gewählt wird,
daß die
Aufhängung
der Membran nur ermöglicht,
sich in ihrer eigenen Ebene zu bewegen und nicht an der Auslenkung
der Membran bei einer auftreffenden Ton-Druckwelle teilnimmt, eine
vollständige
Abkupplung von dem perforierten Körper erreichbar ist, die die
Empfindlichkeit für
auf den Wandler einwirkende externe Spannungen verringert.
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Bei
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein akustischer Wandler geschaffen, der
aus einem perforierten Körper
und einer beweglichen Membran besteht, die von dem perforierten Körper mit
Abstand getrennt ist. Der Abstand wird durch einen Stützring aufrechterhalten,
der an dem perforierten Körper
angebracht ist und auf dem die Membran ruht. Es sind Einrichtungen
vorhanden, mit denen die Membran so aufgehängt wird, daß sie sich frei
in ihrer eigenen Ebene bewegen kann, wodurch die mechanische Empfindlichkeit
der Membran maximiert wird. Die Aufhängung wird dadurch erreicht, daß die Membran
in seitlicher Richtung zwischen dem Stützring und dem an dem perforierten
Körper angebrachten
Substrat festgehalten wird. Darüber
hinaus ist eine Einrichtung vorgesehen, mit der zwischen dem perforierten
Körper
und der Membran ein elektrisches Feld angelegt werden kann. Ferner
sind Mittel vorgesehen, mit denen die Änderung der elektrischen Kapazität zwischen
dem perforierten Körper und
der Membran feststellbar ist, wenn sich die Membran aufgrund einer
vorhandenen akustischen Schalldruckwelle ausbiegt.
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Dicke
und Größe der Membran
sind so gewählt,
daß die
Resonanzfrequenz der Membran größer ist
als die maximale akustische Betriebsfrequenz. In ähnlicher Weise
werden die Abmessungen des perforierten Körpers so gewählt, daß die Resonanzfrequenz
größer ist
als die maximale akustische Betriebsfrequenz. Der Umfang, an dem
der perforierte Körper
an dem Substrat angebracht ist, kann optional so geformt werden,
daß die
Krümmung
des perforierten Körpers
aufgrund der in ihm vorhandenen Spannungen auf ein Mindestmaß beschränkt wird.
Die Aufhängungseinrichtung
der Membran ist so gebaut, daß in
der Ebene der Membran minimale mechanische Dämpfung herrscht und dennoch
der enge Abstand der Membran zu dem perforierten Körper aufrechterhalten
wird. Der Stützring
ist in dem perforierten Körper
ausgebildet und setzt die Größe des aktiven
Teils der Membran fest. Die Höhe
des Stützrings bestimmt
den anfänglichen
Abstand zwischen der Membran und dem perforierten Körper. Es
sind eine oder mehrere Öffnungen
in der Membran und in dem perforierten Körper vorhanden, die einen akustischen Pfad
von der rückseitigen
Kammer des Wandlers zu der Umgebung bilden, um dadurch den Aufbau
jeglichen barometrischen Drucks über
der Membran auszuschalten. Die niedrige Abrollfrequenz des Wandlers
wird durch die Eckfrequenz begrenzt, die durch den akustischen Widerstand
der Öffnungen
und den schmalen Spalt zwischen der Membran und dem Substrat in
Verbindung mit dem akustischen Biegewiderstand der rückseitigen
Kammer des Wandlers gebildet wird. Dieser akustische Widerstand
ist weitgehend verantwortlich für
das akustische Geräusch, das
in der Vorrichtung erzeugt wird. Wie dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann
ohne weiteres einleuchtet, muß zwischen
Dämpfung
und Geräusch
abgewogen werden.
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Der
perforierte Körper,
der Stützring,
die Aufhängungseinrichtung
und die Membran können
aus einem Siliziumwafer unter Verwendung der Mirkodünnschicht-Herstellungstechnologie
sowie der Fotolithographie angefertigt werden und können aus
einem oder mehreren Materialien aus der Gruppe angefertigt werden,
die aus Polymeren auf Kunststoffbasis, Silizium, polykristallinen
Silizium, amorphem Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrit, Siliziumkarbid, Germanium,
Gallium, Arsenid, Kohlenstoff, Titan, Gold, Eisen, Kupfer, Chrom,
Wolfram, Aluminium, Platin, Palladium, Nickel, Tantal und ihren
Legierungen besteht.
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Eine
andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung befaßt
sich auch mit einem akustischen Wandler, bestehend aus einem perforierten Körper und
einer beweglichen Membran, die von dem perforierten Körper mit
Abstand getrennt ist. Der Abstand wird durch einen Stützring aufrechterhalten, der
an dem perforierten Körper
angebracht ist, auf dem die Membran ruht. Es ist eine Einrichtung
vorhan den, mit der die Membran so aufgehängt wird, daß sie sich
frei in ihrer eigenen Ebene bewegen kann, wodurch die mechanische
Empfindlichkeit der Membran maximiert wird. Die Aufhängung wird
durch Verwendung von hochelastischen Federn zwischen der Membran
und dem perforierten Körper
erreicht. Die Federn unterstützen
die Konstruktion und den Membran-Entspannungsprozeß, jedoch
bringt im Betriebszustand die elektrostatische Anziehung die Membran
mit der Stützkonstruktion
des perforierten Körpers
in Berührung.
Im Gegensatz zu der in den US-Patenten
5 146 435 von Bernstein und 5 452 268 von Bernstein enthaltenen
Lehre, spielt die Feder in der vorliegenden Erfindung bei der Erzeugung
der Elastizität
der Membran eine wesentliche Rolle. Außerdem ist eine Einrichtung
zur Herstellung eines elektrischen Feldes zwischen dem perforierten
Körper
und der Membran vorhanden. Des weiteren gibt es eine Einrichtung
zur Ermittlung der Änderung
des elektrischen Widerstandes zwischen dem perforierten Körper und
der Membran, wenn sich die Membran aufgrund der herrschenden akustischen
Geräusch-Druckwelle ausbiegt.
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Die
Dicke und Größe der Membran
ist so gewählt,
daß die
Resonanzfrequenz der Membran größer ist
als die maximale akustische Betriebsfrequenz. In ähnlicher
Weise werden die Abmessungen des perforierten Körpers so gewählt, daß die Resonanzfrequenz
größer ist
als die maximale akustische Betriebsfrequenz. Der Umfang, mit dem
der perforierte Körper
an dem Substrat angebracht ist, läßt sich optional so auswählen, daß die Krümmung des
perforierten Körpers
aufgrund der vorherrschenden in ihm vorhandenen Spannungen auf ein
Mindestmaß beschränkt wird.
Die hohe Elastizität
der Federaufhängung
ist immerhin steif genug, so daß die
Struktur mit Hilfe der maschinellen Mikrobearbeitungstechnologie hergestellt
werden kann und dennoch elastisch genug ist, um die Membran von
dem perforierten Körper mechanisch
zu entkoppeln und sicherzustellen, daß die Resonanzfrequenz der
Membran und der Feder in der Ebene im Vergleich zu der angestrebten
niedrigen Abrollfrequenz des Wandlers so klein wie möglich ist,
um im Betriebszustand Schwingungen der Membran in der Ebene zu verhindern.
Der Stützring ist
in dem perforierten Körper
ausgebildet und bestimmt die Größe des aktiven
Teils der Membran. Die Höhe
des Stützrings
bestimmt den ursprünglichen Abstand
zwischen der Membran und dem perforierten Körper. Es sind eine oder mehrere Öffnungen
in dem Stützring
vorhanden, die einen akustischen Pfad von der rückseitigen Kammer des Wandlers
zu der Umgebung bilden, um dadurch jeglichen barometrischen Druck
am Aufbauen über
der Membran zu hindern. Die niedrige Abrollfrequenz des Wandlers wird
durch die Eckfrequenz beschränkt,
die von dem akustischen Widerstand der Öffnungen und der akustischen
Elastizität
der rückseitigen
Kammer gebildet wird. Der perforierte Körper hat ein systematisches Öffnungsmuster,
das einen niedrigen akustischen Widerstand der zwischen der in den
und aus dem Spalt zwischen der beweglichen Membran und dem perforierten
Körper
strömenden
Luft schafft. Das systematische Muster und die Größe der Öffnungen
sind so gewählt,
daß die
hohe Abrollfrequenz des Wandlers durch die Eckfrequenz begrenzt
wird, die durch den akustischen Widerstand in Verbindung mit der akustischen
Elastizität
der Membran und der rückseitigen
Kammer des Wandlers erzeugt wird. Der perforierte Körper, der
Stützring,
die Aufhängungsvorrichtung
und die Membran können
von einem Siliziumwafer unter Verwendung der mikromaschinellen Bearbeitungs-Dünnschichttechnologie
und der Fotolithographie hergestellt werden und können aus
einem oder mehreren Materialien, bestehend aus der folgenden Gruppe,
gefertigt werden: Polymere auf Kunststoffbasis, Silizium, polykristallines
Silizium, amorphes Silizium, Siliziumdioxid, Siliziumnitrit, Siliziumkarbid,
Germanium, Gallium, Arsenid, Kohlenstoff, Titan, Gold, Eisen, Kupfer,
Chrom, Wolfram, Aluminium, Platin, Palladium, Nickel, Tantal und
deren Legierungen.
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Ein
weiteres Merkmal der vorliegenden Erfindung bildet eine Verbesserung
für die
erhöhten
Mikrostrukturen zur Verwendung in Vorrichtungen auf Siliziumbasis.
Gemäß einer
Ausführungsform
dieses Erfindungsmerkmals wird eine erhöhte Mikrostruktur zur Verwendung
in einer Vorrichtung auf Siliziumbasis geschaffen, die eine im allgemeinen
ebene Dünnschicht
(Dünnfilm)
und eine die Seitenwand tragende Schicht (Film) aufweist, wobei
die Seitenwand gerippt ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
vergrößerte schematische
Querschnittsansicht eines akustischen Wandlers längs der Linie 1-1 in 2 mit
angeklemmter Aufhängung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 eine
teilweise in gestrichelten Linien dargestellte Draufsicht des akustischen
Wandlers von 1;
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3 eine
perspektivische Querschnittsansicht des akustischen Wandlers von 2 längs der Linie
3-3 in 2;
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4 eine
vergrößerte, teilweise
in gestrichelten Linien dargestellte Teildraufsicht eines akustischen
Wandlers, ähnlich
der von 2, wobei der perforierte Körper einen
optional geformten Befestigungsumfang aufweist;
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5 eine
vergrößerte, schematische
Querschnittsansicht eines akustischen Wandlers mit einer erfindungsgemäß hohen
Elastizität
der Federaufhängung,
längs der
Linie 5-5 in 6;
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6 eine
teilweise in gestrichelten Linien dargestellte Draufsicht des akustischen
Wandlers von 5;
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7 eine
perspektivische Querschnittsansicht des akustischen Wandlers von 6 längs der Linie
7-7;
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8 eine
stark vergrößerte, teilweise
in gestrichelten Linien dargestellte Teildraufsicht eines akustischen
Wandlers, ähnlich
demjenigen von 5, wobei der perforierte Körper einen
optional geformten Befestigungsumfang aufweist;
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9 einen
elektrischen Schaltkreis zur Feststellung der Änderung der Mikrofonkapazität bei Aufrechterhaltung
einer konstanten elektrischen Ladung für das Mikrofon;
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10 einen
elektrischen Schaltkreis zur Ermittlung der Änderung der Mikrofonkapazität bei Aufrechterhaltung
einer konstanten elektrischen Spannung am Mikrofon;
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11 eine
perspektivische Querschnittsansicht des akustischen Wandlers von 4;
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12 eine
schematische Querschnittsansicht einer aus dem Stand der Technik
bekannten erhöhten
Mikrostruktur;
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13 eine
perspektivische Querschnittsansicht einer die Erfindung beinhaltenden
erhöhten
Mikrostruktur;
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14 eine
Querschnittsansicht der erhöhten
Mikrostruktur von 13; und
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15 eine
Draufsicht von 13, längs der Linie 11-11.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Obgleich
die Erfindung in vielen verschiedenen Ausführungsformen verwirklicht werden
kann, werden in der Zeichnung nur bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt und im folgenden beschrieben, wobei dies so zu verstehen
ist, daß die
vorliegende Offenbarung als Beispiel des der Erfindung zugrundeliegenden
Prinzips zu betrachten ist und keinen den Schutzumfang der Erfindung
auf die dargestellten Ausführungsformen
beschränkenden
Charakter haben soll.
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In
den 1 bis 3 in der Zeichnung ist ein der
Erfindung entsprechender akustischer Wandler offenbart. Der akustische
Wandler 10 weist eine leitfähige Membran 12 und
einen perforierten Körper 40 auf,
die von einem Substrat 30 getragen werden und durch einen
Luftspalt 20 getrennt sind. Ein sehr enger Luftspalt oder
geringe Luftspaltbreite 22 herrscht zwischen der Membran 12 und
dem Substrat 30, so daß es
der Membran ermöglicht
wird, sich in ihrer Ebene frei zu bewegen, wodurch jegliche vorhandene
Spannungen in dem Membranmaterial gelöst werden und die Membran von
dem Substrat entkuppelt wird. Eine Anzahl kleiner Vertiefungen 13 sind
in der Membran vorgesehen, um ein Festkleben zwischen der Membran
und dem Substrat in dem schmalen Spalt zu vermeiden. Die seitliche
Bewegung der Membran 12 wird durch eine Stützkonstruktion 41 in
dem perforierten Körper 40 beschränkt, die auch
dazu dient, den geeigneten Anfangsabstand zwischen der Membran und
dem perforierten Körper aufrecht
zu erhalten. Die Stützkonstruktion 41 kann entweder
ein durchgehender Ring sein oder aus mehreren Höckern bestehen. Wenn die Stützkonstruktion 41 ein
durchgehender Ring ist, dann ruht die Membran 12 auf der
Stützkonstruktion 41 auf,
wobei sie eine feste akustische Dichtung bildet, was zu einer gut
gesteuerten, niedrigen Frequenz des Abrollens des Wandlers führt. Wenn
die Stützkonstruktion 41 aus
mehreren Höckern
besteht, dann kann die akustische Dichtung entweder durch Begrenzung des
Abstandes zwischen den Höckern,
durch Verengen des Luftspaltes 22 oder eine Kombination
dieser beiden Maßnahmen
bestehen.
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Die
leitende Membran 12 ist elektrisch von dem Substrat 30 durch
eine dielektrische Schicht 31 isoliert. Eine leitende Elektrode 42 ist
an dem nichtleitenden perforierten Körper 40 angebracht.
Der perforierte Körper
enthält
eine Anzahl Öffnungen 21,
durch die hindurch eine Opferschicht (nicht gezeigt) zwischen der
Membran und dem perforierten Körper während des
Herstellungsprozesses geätzt
wird, um einen Luftspalt 20 zu schaffen, und die später zur Verringerung
der akustischen Dämpfung
der Luft im Luftspalt dient, so daß eine ausreichende Bandbreite für den Wandler
geschaffen wird. Eine Anzahl Öffnungen
wird auch in der Membran 12 von dem perforierten Körper 40 hergestellt,
so daß ein
Leckageweg 14 gebildet wird, der zusammen mit der Elastizität der rückseitigen
Kammer (nicht gezeigt), auf der der Wandler befestigt wird, einen
Hochpaßfilter
bildet, der eine Abrollfrequenz ergibt, die niedrig genug ist, um
nicht die akustische Funktion des Wandlers zu behindern, aber auch
hoch genug, um den Einfluß barometrischer
Druckschwankungen zu beseitigen. Die Öffnungen 14 (Leckagepfad)
werden durch fotolithographische Verfahren gebildet und lassen sich deshalb
genau steuern, was zu einem gut definierten, niederfrequenten Verhalten
des Wandlers führt.
Die Befestigung des perforierten Körpers 40 längs des Umfangs 43 läßt sich
variieren, um dadurch die Krümmung
des perforierten Körpers
aufgrund der ihm innewohnenden internen Biegemomente zu verringern.
Der Umfang kann eine stetig gekrümmte Oberfläche (1 bis 3)
oder diskontinuierlich, beispielsweise wellenförmig (4) sein.
Ein diskontinuierlicher Umfang 43 schafft zusätzliche
Steifigkeit des perforierten Körpers 40,
so daß die
Krümmung infolge
innenwohnender Biegemomente in dem perforierten Körper 40 verkleinert
wird.
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In
den 5 bis 7 ist eine alternative Ausführungsform
eines akustischen Wandlers gemäß der Erfindung
dargestellt. Der Wandler 50 weist eine leitfähige Membran 12 und
einen perforierten Körper 40 auf,
die von einem Substrat 30 getragen werden und durch einen
Luftspalt 20 getrennt sind. Die Membran 12 ist
an dem Substrat durch eine Anzahl Federn 11 befestigt,
die zur mechanischen Abkupplung der Membran von dem Substrat dienen, wodurch
eine der Membran innenwohnende Spannung abgebaut wird. Darüber hinaus
wird die Membran von der Spannung im Substrat und der Vorrichtungsverpackung
entlastet.
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Die
seitliche Bewegung der Membran 12 wird durch die Stützkonstruktion 41 in
dem perforierten Körper 40 beschränkt, die
auch dazu dient, den richtigen Anfangsabstand zwischen der Membran und
dem perforierten Körper 40 aufrecht
zu erhalten. Die Stützkonstruktion 41 kann
entweder ein durchgehender Ring sein oder aus mehreren Höckern bestehen.
Wenn die Stützkonstruktion 41 ein
durchgehender Ring ist, dann ruht die Membran 12 auf der
Stützkonstruktion 41,
wobei sie eine feste akustische Dichtung bildet, was zu einem gut
gesteuerten, niedrigfrequenten Abrollen des Wandlers führt. Wenn
die Stützkonstruktion 41 aus
mehreren Höckern
besteht, dann läßt sich
die akustische Dichtung durch Begrenzung des Abstandes zwischen
den Höckern
herstellen oder durch einen ausreichend langen Weg rund um die Membran
und durch die Öffnungen 21.
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Die
leitende Membran 12 ist elektrisch von dem Substrat 30 durch
eine dielektrische Schicht 31 isoliert. Eine leitende Elektrode 42 ist
an dem nichtleitenden, perforierten Körper 40 angebracht.
Der perforierte Körper
enthält
eine Anzahl Öffnungen 21, durch
die eine Opferschicht (nicht gezeigt) zwischen der Membran 12 und
dem perforierten Körper
während
der Herstellung geätzt
werden kann, um so den Luftspalt 20 zu schaffen und die
später
zur Verringerung der akustischen Dämpfung der Luft in dem Luftspalt
dient, um auf diese Weise die ausreichende Bandbreite des Wandlers
herzustellen. Eine Anzahl Öffnungen
wird in der Stützkonstruktion 41 vorgesehen,
so daß ein
Leckageweg 14 (6) entsteht, die zusammen mit
der Elastizität
der rückseitigen
Kammer (nicht gezeigt), auf der der Wandler befestigt werden kann,
einen Hochpaßfilter
bilden, die zu einer Abrollfrequenz führt, welche niedrig genug ist,
um die akustische Funktion des Wandlers nicht zu behindern, und
hoch genug, um den Einfluß barometrischer
Druckschwankungen zu beseitigen. Die Öffnungen 14 werden
vorzugsweise durch fotolithographische Verfahren gebildet und können daher
genau gesteuert werden, was zu einem gut definierten Niedrigfrequenzverhalten
des Wandlers führt.
Die Anbringung des perforierten Körpers längs des Umfangs 43 läßt sich
so gestalten, daß die
Krümmung
des perforierten Körpers
aufgrund der ihm eigenen inneren Biegemomente verringert wird. Der
Umfang 43 kann glatt (5 bis 7)
oder gerippt (8 und 11) sein.
Ein gerippter Umfang schafft zusätzliche
Festigkeit des perforierten Körpers,
wodurch die Krümmung
aufgrund der eigenen Biegemomente in dem perforierten Körper verringert
werden kann.
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Im
Betriebszustand wird zwischen der leitenden Membran 12 und
der Elektrode 42 des perforierten Körpers eine elektrische Spannung
angelegt. Die elektrische Spannung und die zugehörige Ladung der Leiter erzeugt
zwischen der Membran und dem perforierten Körper eine elektrostatische
Anziehungskraft. Infolgedessen bewegt sich die freie Membran 12 in
Richtung auf den perforierten Körper 40,
bis sie auf dem Stützkörper 41 aufsitzt,
der den Anfangsbetriebspunkt des Wandlers bei einem gut begrenzten
Luftspalt 20 und akustischer Leckage über den Pfad 14 setzt.
Sobald die Membran 12 akustischer Energie ausgesetzt wird,
erscheint über ihr
eine Druckdifferenz, die sie veranlaßt, sich gegen den perforierten
Körper 40 oder
von ihm weg auszubiegen. Die Ausbiegung der Membran 12 bewirkt eine
Veränderung
des elektrischen Feldes und demzufolge der Kapazität zwischen
der Membran 12 und dem perforierten Körper 40. Infolgedessen
wird die elektrische Kapazität
des Wandlers durch die akustische Energie moduliert.
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Ein
Verfahren zur Ermittlung der Modulation der Kapazität ist in 9 gezeigt.
In der Ermittlungsschaltung 100 ist der Wandler 102 an
eine Gleichstromspannungsquelle 101 und einen Einheitsverstärker 104 mit
sehr hoher Eingangsimpedanz angeschlossen. Ein Gittervorspannungs-Widerstand 103 zieht
Gleichstromspannung des Verstärkereingangs zur
Erde, wodurch die Gleichstromspannung "Vbias" über
den Wandler angelegt wird. Wenn angenommen wird, daß in diesem
Schaltkreis der Wandler eine konstante elektrische Ladung erhält, so führt eine Änderung
der Wandlerkapazität
zu einer Änderung
der elektrischen Spannung über
dem Wandler, die durch den Einheitsverstärker gemessen wird.
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Ein
anderes Verfahren zur Ermittlung der Modulation der Kapazität ist in 10 gezeigt.
In der Ermittlungsschaltung 200 ist der Wandler 200 mit
einer Gleichstrom-Spannungsquelle 201 verbunden und eine
Ladungsverstärkungs-Konfiguration 205 mit einem
Rückkopplungswiderstand 203 und
einem Kondensator 204. Der Rückkopplungswiderstand sichert
die Gleichstromstabilität
der Schaltung und erhält
das Gleichstromniveau des Verstärkereingangs aufrecht,
wodurch die die Gleichstromspannung "Vbias-Vb" an dem Wandler anliegt. Wenn angenommen
wird, daß in
dieser Schaltung über
dem Wandler ein konstante Spannung herrscht, und zwar aufgrund des
Scheinerdungsprinzips des Verstärkers,
so bewirkt eine Änderung
der Kapazität
eine Änderung
der Ladung des Wandlers und demzufolge auf der Eingangsseite des
Rückkopplungskondensators,
was zwischen dem negativen und positiven Eingang des Verstärkers zu
einer Abweichung führt.
Der Verstärker
liefert an die Ausgangsseite des Rückkopplungskondensators eine
gespiegelte Ladung, um die Abweichung zu entfernen, was zu einer Änderung
der Ausgangsspannung "Vout" führt. Die
Ladungsverstärkung
wird bei dieser Schaltung durch das Verhältnis zwischen der anfänglichen
Wandlerkapazität
und der Kapazität
des Rückkopplungskondensators
festgesetzt. Ein Vorteil dieser Ermittlungsschaltung besteht darin,
daß das
Scheinerdungsprinzip des Verstär kers
jedwede parasitären
Kapazitäten
durch die elektrische Erdung des Wandlers beseitigt, die anderenfalls
die Wirkung der dynamischen Änderung
der Mikrofonkapazität
dämpfen.
Es sollte jedoch dafür gesorgt
werden, die parasitären
Kapazitäten
zur Minimierung der Verstärkung
jeglichen Geräusches, das
auf das Signal "Vb" einwirkt und des
vorhandenen Verstärkergeräusches zu
verringern.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen erhöhten Mikrostruktur 110 ist
in den 13 und 14 gezeigt.
Die erhöhte
Mikrostruktur 110 weist im allgemeinen eine kreisförmige Dünnschichtplatte oder
Rückenplatte 112 auf,
die von einer Seitenwand 114 getragen wird.
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Die
erhöhte
Mikrostruktur 110 besteht aus einer Dünnschichtplatte 112 aus
Siliziumnitrit, das auf der Oberseite einer Siliziumoxid-Opferschicht
auf einem Siliziumwafer 116 abgelagert ist, und zwar unter Verwendung
der dem auf diesem Gebiet tätigen Fachmann
bekannten Ablagerungs- bzw. Beschichtungs- und Ätztechniken. Die Siliziumoxid-Opferschicht
ist aus Klarheitsgründen
aus der Zeichnung entfernt worden. Die Seitenwand 114 der
erhöhten Mikrostruktur 110 ist
an ihrem Boden 118 mit dem Siliziumwafer 116 verbunden
und an ihrem entgegengesetzten Ende an der Platte 112 angebracht.
Die Seitenwand 114 ist im allgemeinen lotrecht zur Platte 112 angeordnet,
jedoch wird hier darauf hingewiesen, daß auch andere Winkel zwischen
der Seitenwand 114 und der Platte 112 Verwendung
finden können.
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15 zeigt
eine Draufsicht der Anordnung von 13, wobei
eine Oberfläche
der Seitenwand 114 der vorliegenden Erfindung gestrichelt
dargestellt ist. Es läßt sich
erkennen, daß die
Seitenwand 114 der vorliegenden Erfindung, wie in den 13 bis 15 gezeigt,
gerippt ist, wobei eine Vielzahl von periodischen Rippen 120 und
Nuten 122 gebildet wird. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
sind die Rippen 120 und Nuten 122 parallel und
einheitlich beabstandet, so daß eine
gerippte Struktur entsteht. Darüber
hinaus weist das bevorzugte Ausführungsbeispiel
Rippen 120 und Nuten 122 mit einem viereckigen
Querschnitt auf. Die Wirkung der Rippung der Seitenwand ist die,
daß auf
diese Weise Segmente 124 der Seitenwand 114 gebildet
werden, die wie die vorhandene Spannung T der Platte 112 radial
verlaufen. Indem Teile der Seitenwand 114 radial ausgerichtet
sind wie die Spannung T, wird die Seitenwand 114 versteift.
Es wurde festgestellt, daß die
Seitenwand 114 bekannter Bauart, die tangential zur Platte 112 verläuft, im
Ver gleich zu den radialen Segmenten 124 der vorliegenden
Erfindung leicht zu biegen ist.
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Andere
Geometrien als diejenigen, die in den 13 bis 15 im
Hinblick auf die Riffelungen oder Rippen 120 und Nuten 122 gezeigt
sind, sind denkbar und werden tatsächlich zur Vergrößerung der
Fähigkeit
der Seitenwand 114 benutzt, dem Biegemoment M Widerstand
entgegenzusetzen, so daß die
in den Zeichnungsfiguren 13 bis 14 dargestellte Geometrien
den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht beschränken sollen.
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So
könnte
beispielsweise für
die Rippen 122 und Nuten 124 eine im allgemeinen
ringförmige
Geometrie, dreieckförmige
Geometrie oder irgendeine Kombination und Abänderung dieser oder anderer Geometrien
Verwendung finden.
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Bei
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Rippen radial, und demzufolge verlaufen die Seitenwände 114 parallel
zu der in der Rückenplatte 112 vorhandenen
Spannung. Darüber
hinaus ist da Opfermaterial so geätzt, daß die Seitenwände 114 in Bezug
auf das Substrat geneigt sind, so daß eine gute schrittweise Abdeckung
ermöglicht
wird, wenn die Dünnschicht-Rückenplatte 112 abgelagert
wird.
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Obgleich
im obigen spezielle Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben worden sind, sind zahlreiche Modifikationen
denkbar, ohne daß vom
Erfindungsgedanken erheblich abgewichen wird, so daß der Schutzumfang
der Erfindung nicht beschränkt
und nur durch den Schutzumfang der Ansprüche festgelegt wird.