-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau realisiert ist. Die Mikrofonstruktur umfasst mindestens eine durch den Schalldruck auslenkbare Membranstruktur, die als erste Elektrode eines Mikrofonkondensators fungiert, und ein Gegenelement, das als Träger einer Gegenelektrode des Mikrofonkondensators fungiert.
-
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Mikrofone gewinnen in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zunehmend an Bedeutung. Dies ist in erster Linie auf die miniaturisierte Bauform derartiger Bauelemente und die Möglichkeit zur Integration weiterer Funktionalitäten bei sehr geringen Herstellungskosten zurückzuführen. Ein weiterer Vorteil von MEMS-Mikrofonen ist deren hohe Temperaturstabilität.
-
Die Signalerfassung erfolgt bei dem hier in Rede stehenden Mikrofonbauelement kapazitiv. Wenn die Membran durch den Schalldruck ausgelenkt wird, ändert sich der Abstand zwischen der Membran und dem Gegenelement und damit der Elektrodenabstand des Mikrofonkondensators, was als Kapazitätsänderung des Mikrofonkondensators erfasst wird.
-
Marktüblich sind MEMS-Mikrofone mit einer flächigen, zur Chip- bzw. Substratebene parallelen Membran, die durch Vorder- oder Rückseitenbeschallung zu vertikalen (out-of-plane) Schwingungen angeregt wird. Je größer die Membran ist, umso empfindlicher ist sie gegenüber Druckänderungen bzw. Schallanregung und umso höher sind auch die dadurch bedingten Kapazitätsänderungen. Aus diesem Grunde sind eine hohe Mikrofonempfindlichkeit und eine möglichst weitgehende Bauelementminiaturisierung nur bedingt miteinander zu vereinbaren. Außerdem ist die Herstellung, Einstellung und Konditionierung großer, freitragender dünner Schichten, wie es für Mikrofonmembranen nötig ist, mit einem erheblichen Entwicklungs- und Prozessierungsaufwand verbunden.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein alternatives Konzept für kapazitive MEMS-Mikrofone vorgeschlagen, das die Realisierung von sehr empfindlichen Membranstrukturen mit großer Elektrodenfläche auf einer sehr kleinen Chipfläche ermöglicht.
-
Dies wird erfindungsgemäß durch einen Schichtaufbau mit mindestens drei Funktionsschichten erreicht. In der ersten Funktionsschicht ist eine Schallöffnung ausgebildet, die in einen Hohlraum unterhalb der ersten Funktionsschicht mündet. Der Hohlraum erstreckt sich im Wesentlichen über die zweite Funktionsschicht, in der auch die Membranstruktur und das Gegenelement ausgebildet sind, so dass die Membranstruktur den Hohlraum zumindest einseitig begrenzt und in der Schichtebene auslenkbar ist. Die dritte Funktionsschicht befindet sich unterhalb des Hohlraums. In der dritten Funktionsschicht ist mindestens eine Entlüftungsöffnung für die Mikrofonstruktur ausgebildet.
-
Demnach sieht das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept vor, an Stelle einer parallel zur Chipebene orientierten, out-of-plane-schwingenden Membran eine senkrecht dazu orientierte Membranstruktur zur Schallsensierung zu nutzen, die innerhalb einer Funktionsschicht freigestellt ist und in-plane, parallel zur Chipebene schwingt. Das erfindungsgemäße Konzept erweist sich in mehrerlei Hinsicht als vorteilhaft. Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die Membranstruktur und auch das Gegenelement in Form und Aspektverhältnis den wohlcharakterisierten Sensorstrukturen von mikromechanischen Beschleunigungs- und Drehratensensoren ähneln. Zur Herstellung derartiger Strukturen kann also auf die bekannten und bewährten Verfahren zur Herstellung dieser Sensorstrukturen zurückgegriffen werden. Da das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept auf großflächige, freitragende Membranen verzichtet, muss bei der Prozessführung auch nicht deren Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen in Schichtstress und Stressgradient berücksichtigt werden. Die Elektrodenfläche des Mikrofonkondensators, die neben den mechanischen Eigenschaften der Membranstruktur maßgeblich ist für die Mikrofonempfindlichkeit, kann durch ein geeignetes Layout der Membranstruktur und der Gegenelektrode erhöht werden, ohne dass ein zusätzlicher technologischer Aufwand, in Form von weiteren Schichten, Maskenebenen oder Ätzstoppmaßnahmen, erforderlich wäre. Bevorzugte Layoutvarianten werden nachfolgend noch näher erläutert.
-
Wie bereits erwähnt, umfasst das erfindungsgemäße Bauelement einen Mikrofonkondensator mit mindestens einer durch den Schalldruck auslenkbare Membranstruktur als erster Elektrode und einer Gegenelektrode, die auf einem als Träger fungierenden Gegenelement angeordnet ist. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist das Gegenelement akustisch inaktiv, d. h. das Gegenelement mit der Gegenelektrode ist fest und starr in den Schichtaufbau des Bauelements eingebunden. In diesem Fall wird bei Schalleinwirkung lediglich die erste Elektrode des Mikrofonkondensators in Form der den Hohlraum begrenzenden Membranstruktur ausgelenkt, wodurch sich der Abstand zwischen den beiden Elektroden des Mikrofonkondensators verändert. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind beide Elektroden des Mikrofonkondensators akustisch aktiv. In diesem Fall ist das Gegenelement ebenfalls in Form einer Membranstruktur realisiert, die in der Schichtebene auslenkbar ist. Die beiden Membranstrukturen bzw. Elektroden des Mikrofonkondensators können einen gemeinsamen Hohlraum begrenzen. Da beide Membranstrukturen in-plane, also senkrecht zur Schichtebene ausgelenkt werden, sind ihre Auslenkungen in jedem Fall gegenläufig. Es erweist sich jedoch als vorteilhaft, zwei Membranstrukturen zu einem Mikrofonkondensator zusammenzufassen, die zwei benachbarte Hohlräume begrenzen, da die Membranstrukturen in diesem Fall in einem relativ geringen Abstand zueinander angeordnet werden können, was die Mikrofonempfindlichkeit erhöht.
-
Im Hinblick auf eine möglichst hohe Mikrofonempfindlichkeit erweist es sich außerdem als vorteilhaft, wenn jede Membranstruktur über eine mäanderförmige Federaufhängung in den Schichtaufbau eingebunden ist. Dadurch wird zum einen die mechanische Empfindlichkeit der Membranstruktur erhöht. Zum anderen wird die Deformation der Membranstruktur in den Aufhängungsbereich verlagert, was die Signalerfassung und -auswertung deutlich vereinfacht und verbessert.
-
Im Hinblick auf die symmetrische Ausbreitung der Schallwelle im Inneren des Hohlraums erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Hohlraum auf zwei gegenüberliegenden Seiten von jeweils einer Membranstruktur begrenzt wird. Wie bereits erwähnt, können diese beiden Membranstrukturen zusammen einen Mikrofonkondensator bilden. In einer alternativen Ausführungsform ist jeder der beiden Membranstrukturen ein zusätzliches Gegenelement mit einer Gegenelektrode zugeordnet. In diesem Fall umfasst das erfindungsgemäße Bauelement mindestens zwei voneinander unabhängige Mikrofonkondensatoren, was die Zuverlässigkeit des Bauelements erhöht.
-
Da die Kapazität des Mikrofonkondensators von der Größe der Elektrodenflächen abhängt, lässt sich die Mikrofonempfindlichkeit einfach durch eine Vergrößerung der Elektrodenflächen erhöhen. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die als Elektrode fungierende Membranstruktur zumindest in ihrem Mittelbereich kammförmig ausgebildet ist und das zugehörige Gegenelement entsprechend geformt und angeordnet ist, so dass die Zähne der beiden Kammstrukturen bei einer Auslenkung der Membranstruktur mehr oder weniger ineinander greifen. Zum einen bietet die Kammstruktur der beiden Elektroden eine sehr große Elektrodenfläche auf einer vergleichsweise kleinen Chipfläche. Und zum anderen bewirken bereits kleine Abstandsschwankungen zwischen den Elektroden relativ große Kapazitätsänderungen des Mikrofonkondensators. Durch diese einfache Layout-Maßnahme kann die Mikrofonempfindlichkeit erhöht werden, ohne das ein zusätzlicher technologischer Aufwand, bedingt durch weitere Schichten, Maskenebenen, Ätzstoppmaßnahmen oder ähnliches, erforderlich ist. Auch die Einstellung des Grundabstands zwischen den unausgelenkten Elektroden ist über das Chiplayout definiert, was eine einfache Anpassung des Sensors an unterschiedliche Betriebsspannungen ohne Eingriff in den Schichtaufbau ermöglicht.
-
Wie bereits angedeutet, eröffnet das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept die Möglichkeit, auf einer vergleichsweise geringen Chipfläche mehrere Mikrofonzellen in Form eines Hohlraums mit mindestens einer Schallöffnung anzuordnen, wobei jeder Hohlraum von mindestens einer Membranstruktur als Schallaufnehmer begrenzt wird. Dadurch lässt sich ein besonders robustes und leistungsfähiges MEMS-Mikrofon mit einer sehr kleinen Baugröße realisieren.
-
Zur Minimierung der Chipfläche eines erfindungsgemäßen Bauelements mit mehreren Mikrofonzellen kann den benachbarten Membranstrukturen zweier benachbarter Mikrofonzellen ein gemeinsames feststehendes, akustisch inaktives Gegenelement zugeordnet werden. Sowohl der Grad der Chipflächennutzung als auch die Mikrofonempfindlichkeit lassen sich noch weiter steigern, wenn die benachbarten Membranstrukturen zweier benachbarter Mikrofonzellen die beiden Elektroden eines Mikrofonkondensators bilden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
-
1 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht durch den Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Mikrofonbauelements 10,
-
2a zeigt eine Draufsicht auf die mittlere Funktionsschicht eines mehrzelligen Mikrofonbauelements 20 und
-
2b zeigt eine Schnittansicht dieses Mikrofonbauelements 20,
-
3 zeigt eine Draufsicht auf die mittlere Funktionsschicht eines weiteren mehrzelligen Mikrofonbauelements 30.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
Die Mikrofonstruktur des in 1 dargestellten mikromechanischen Bauelements 10 ist in einem Schichtaufbau mit drei durch Isolations- bzw. Opferschichten 4, 5 getrennten Funktionsschichten 1, 2, 3 realisiert. Sie umfasst einen Hohlraum 11, der sich im Wesentlichen über die mittlere Funktionsschicht 2 erstreckt und seitlich von zwei Membranstrukturen 12 und 13 begrenzt wird. Die beiden Membranstrukturen 12 und 13 sind aus der mittleren Funktionsschicht 2 herausstrukturiert und senkrecht zu den Schichtebenen – also in-plane – auslenkbar. Sie bilden die Schallaufnehmer der Mikrofonstruktur und fungieren als auslenkbare Elektroden zweier voneinander unabhängiger Mikrofonkondensatoren. Den beiden Membranstrukturen 12 und 13 ist jeweils ein Gegenelement 14 und 15 zugeordnet, das als Träger für die Gegenelektrode des jeweiligen Mikrofonkondensators dient. Die Gegenelemente 14 und 15 sind ebenfalls in der mittleren Funktionsschicht 2 ausgebildet. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind sie über mit Isolationsmaterial verfüllte Trenchgräben 6 fest in den Schichtaufbau des Bauelements 10 eingebunden.
-
In der ersten Funktionsschicht 1 ist eine Schallöffnung 16 ausgebildet, die über eine entsprechende Strukturierung der Isolationsschicht 4 in den Hohlraum 11 mündet. In der dritten Funktionsschicht 3 unterhalb der mittleren Funktionsschicht 2 befinden sich Entlüftungsöffnungen 17, die in eine Kaverne 18 in der Bauelementrückseite münden. Die Entlüftungsöffnungen 17 sind seitlich vom Hohlraum 11 zwischen einer Membranstruktur 12 bzw. 13 und dem entsprechenden Gegenelement 14 bzw. 15 angeordnet.
-
Eine Schall-/Druckwelle – hier durch den Pfeil 7 dargestellt – gelangt durch die Schallöffnung 16 in den Hohlraum 11 im Inneren des Bauelements 10. Dort verursacht sie einen raschen Druckanstieg, der zu einer lateralen Auslenkung der den Hohlraum 11 begrenzenden Membranstrukturen 12 und 13 und damit zu einer Annäherung an die entsprechenden Gegenelemente 14 und 15 führt. Dabei wird das Gasvolumen zwischen den Membranstrukturen 12, 13 und den entsprechenden Gegenelementen 14, 15 komprimiert, was der schalldruckbedingten Auslenkung der Membranstrukturen 12, 13 entgegenwirkt. Diese Kompression des Gasvolumens wird mit Hilfe der Entlüftungsöffnungen 17 durch einen Druckausgleich mit der Umgebung kompensiert.
-
Das erfindungsgemäße Mikrofonkonzept ermöglicht die Realisierung von besonders leistungsfähigen MEMS-Mikrofonen mit einer Anordnung von mehreren Mikrofonzellen – wie sie voranstehend in Verbindung mit 1 beschrieben wurden – auf einem Bauelement. Ein derartiges Bauelement 20 ist in den 2a und 2b schematisch dargestellt.
-
Das Layout des Bauelements 20 wird insbesondere durch die in 2a dargestellte Draufsicht auf die mittlere Funktionsschicht 2 verdeutlicht, die eine Anordnung von drei Mikrofonzellen zeigt. Jede dieser Mikrofonzellen umfasst einen Hohlraum 21 mit einer Schallöffnung 26, deren Kontur hier zur Veranschaulichung der Bauelementstruktur eingezeichnet ist, obwohl die Schallöffnungen 26 in der hier nicht dargestellten ersten Funktionsschicht 1 ausgebildet sind, was aus der Schnittdarstellung der 2b ersichtlich ist. Jeweils zwei Membranstrukturen 22 und 23 bilden die Seitenwände eines Hohlraums 21. Diese Membranstrukturen 22 und 23 dienen als Schallaufnehmer und werden durch den in das Bauelement 20 eingeleiteten Schalldruck lateral, d. h. in der Schichtebene, ausgelenkt. Die Empfindlichkeit der Schallaufnehmer hängt von der Dicke der jeweiligen Membranstruktur 22, 23 ab und kann zudem über die Art der Membranaufhängung beeinflusst werden. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Membranaufhängungen 29 mäanderförmig ausgebildet, so dass die Membranstrukturen 22, 23 bei einer Schalleinwirkung bevorzugt in diesem Bereich deformiert werden, während der Mittelbereich 220, 230 lediglich ausgelenkt wird. Jede der Membranstrukturen 22, 23 fungiert als auslenkbare Elektrode eines Mikrofonkondensators. Um eine möglichst große Elektrodenfläche zu realisieren, sind die Mittelbereiche 220, 230 der Membranstrukturen 22, 23 hier kammförmig ausgebildet.
-
Die einzelnen Mikrofonzellen sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel so nebeneinander angeordnet, dass den benachbarten Membranstrukturen 22, 23 zweier benachbarter Mikrofonzellen ein gemeinsames feststehendes, akustisch inaktives Gegenelement 24 zugeordnet ist, das als Träger für die den Membranstrukturen 22, 23 zugeordneten Gegenelektroden fungiert. 2b zeigt, dass die Gegenelemente 24 durch Verbindungen zur ersten und dritten Funktionsschicht 1, 3 fest in den Schichtaufbau des Bauelements 20 eingebunden sind. Der Mittelbereich 240 dieser Gegenelemente 24 ist doppelkammförmig strukturiert, so dass die Zähne der Membranstrukturen 22, 23 und des zugeordneten Gegenelements 24 bei einer Auslenkung der Membranstrukturen 22, 23 mehr oder weniger ineinander greifen. Die Gegenelemente 25 am Rand der Mikrofonzellenanordnung sind lediglich einseitig kammförmig strukturiert.
-
In der dritten Funktionsschicht 3 sind in den Überlappungsbereichen der ineinandergreifenden Kammstrukturen jedes so realisierten Mikrofonkondensators Entlüftungsöffnungen in Form von Druckausgleichsschlitzen 27 ausgebildet, die in eine rückseitige Kaverne 28 des Bauelements münden.
-
3 zeigt eine Weiterentwicklung des voranstehend beschriebenen Layouts. Deshalb werden in den 2 und 3 für gleiche Strukturelemente auch gleiche Bezugszeichen verwendet.
-
Zur Erhöhung der Mikrofonempfindlichkeit wurden bei dem in 3 dargestellten Bauelement 30 die akustisch inaktiven Gegenelemente, die in 2a, 2b mit 24 bezeichnet sind, jeweils durch eine weitere Mikrofonzelle ersetzt, deren Hohlraum 21 seitlich durch zwei lateral auslenkbare Membranstrukturen 22 und 23 begrenzt wird. Jeder Mikrofonkondensator besteht hier also aus zwei akustisch aktiven Elektroden in Form von zwei lateral, in der Schichtebene auslenkbaren Membranstrukturen 22, 23 zweier benachbarter Mikrofonzellen. Da diese beiden Membranstrukturen 22, 23 konzeptbedingt gegeneinander ausgelenkt werden, ist die resultierende Kapazitätsänderung höher als im Falle einer feststehenden Gegenelektrode. Auch die Membranflächendichte des Bauelements 30 ist höher als die des Bauelements 20, was einen hohen Miniaturisierungsgrad bei sehr hoher Mikrofonempfindlichkeit ermöglicht.
-
Hinsichtlich der Anordnung und Ausgestaltung der Membranstrukturen 22, 23 sowie der Schallöffnungen 26 und Entlüftungsöffnungen 27 wird an dieser Stelle auf die Beschreibung zu den 2a und 2b verwiesen.
