DE102012218501A1

DE102012218501A1 - Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur

Info

Publication number: DE102012218501A1
Application number: DE201210218501
Authority: DE
Inventors: Jochen Zoellin; Ricardo Ehrenpfordt; Frederik ANTE; Michael CURCIC; Christoph Schelling; Juergen Graf
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-04-17
Also published as: US9131319B2; CN103731783B; CN103731783A; US20140105428A1

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Konzept für die Realisierung von kapazitiven MEMS-Mikrofonen mit hoher Messempfindlichkeit bei vergleichsweise kleiner Chipfläche vorgeschlagen. Die mikromechanische Mikrofonstruktur des Bauelements (10) ist in einem Schichtaufbau realisiert und umfasst mindestens eine schalldruckempfindliche Membranstruktur (3), die im Wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus auslenkbar ist, ein akustisch durchlässiges Gegenelement (5) mit Durchgangsöffnungen (6), das im Schichtaufbau über/unter der Membranstruktur (3) ausgebildet ist, und eine Kondensatoranordnung zum Erfassen der Auslenkungen der Membranstruktur (3). Erfindungsgemäß umfasst die Membranstruktur (3) mindestens ein im Wesentlichen senkrecht von der Membranebene abragendes Strukturelement (31), das je nach Auslenkungsgrad der Membranstruktur (3) mehr oder weniger in eine entsprechend geformte und angeordnete Durchgangsöffnung (6) des Gegenelements (5) hineinragt. Dieses Struktutelement (31) ist im Mittelbereich der Membranstruktur (3) angeordnet.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau realisiert ist. Die Mikrofonstruktur umfasst mindestens eine schalldruckempfindliche Membranstruktur, die im Wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus auslenkbar ist, ein akustisch durchlässiges Gegenelement mit Durchgangsöffnungen, das im Schichtaufbau über bzw. unter der Membranstruktur ausgebildet ist, und eine Kondensatoranordnung zum Erfassen der Auslenkungen der Membranstruktur.
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System)-Mikrofone der hier in Rede stehenden Art sind seit Jahren bekannt und werden im Rahmen unterschiedlichster Anwendungen eingesetzt.
Marktüblich sind MEMS-Mikrofone mit einer flächigen, zur Chip- bzw. Substratebene parallelen Membranstruktur, die durch Vorder- oder Rückseitenbeschallung zu vertikalen (out-of-plane) Schwingungen angeregt wird. Die Signalerfassung erfolgt meist kapazitiv. Dazu ist auf der Membranstruktur eine Elektrode angeordnet, die zusammen mit einer weiteren Elektrode auf einem feststehenden Gegenelement eine Kondensatoranordnung bildet, so dass Auslenkungen der Membranstruktur eine Kapazitätsänderung dieses Mikrofonkondensators hervorrufen. Je größer die Membranfläche ist, umso empfindlicher ist die Membranstruktur gegenüber Druckänderungen bzw. Schallanregung und umso großflächiger können die Elektroden der Kondensatoranordnung ausgelegt werden, um bei gegebener Membranauslenkung eine möglichst große Kapazitätsänderung zu erzielen. Aus diesem Grunde sind eine hohe Mikrofonempfindlichkeit und die Miniaturisierung des Bauelements nur bedingt miteinander zu vereinbaren. Außerdem sind 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 Konzept für die Realisierung von kapazitiven MEMS-Mikrofonen mit hoher Messempfindlichkeit bei vergleichsweise kleiner Chipfläche vorgeschlagen.
Das erfindungsgemäße Bauelementkonzept sieht vor, dass die Membranstruktur mindestens ein im Wesentlichen senkrecht von der Membranebene abragendes Strukturelement umfasst, das je nach Auslenkungsgrad der Membranstruktur mehr oder weniger in eine entsprechend geformte und angeordnete Durchgangsöffnung des Gegenelements hineinragt. Dieses von der Membranebene abragende Strukturelement ist im Mittelbereich der Membranstruktur angeordnet. Der kapazitive Effekt der out-of-plane-Bewegung der Membranstruktur wird hier durch eine „Verzahnung“ von Membranstruktur und Gegenelement verstärkt. Im Unterschied zum Stand der Technik ist die Membranstruktur dazu nicht im Wesentlichen flächig, sondern dreidimensional ausgebildet. Üblicherweise ist der Randbereich der Membranstruktur in den Schichtaufbau des Bauelements eingebunden, so dass bei einer Schallbeaufschlagung der Mittelbereich der Membranstruktur – und damit auch das in diesem Bereich angeordnete von der Membranebene abragende Strukturelement – die größte Auslenkung erfährt. Außerdem wird das Strukturelement in diesem Fall im Wesentlichen senkrecht zur Membranebene ausgelenkt, so dass es sich nicht in der Durchgangsöffnung im Gegenelement verkanten kann.
Grundsätzlich gibt es viele unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Bauelementkonzept, insbesondere was die dreidimensionale Ausgestaltung der Membranstruktur betrifft.
Die Mikrofonempfindlichkeit eines erfindungsgemäßen Bauelements hängt wesentlich vom Grad der Verzahnung zwischen Membranstruktur und Gegenelement ab. Je höher der Grad der Verzahnung ist, umso größer ist auch die Mikrofonempfindlichkeit. Deshalb umfasst die Membranstruktur einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelements eine im Wesentlichen senkrecht von der Membranebene abragende Kammstruktur, die je nach Auslenkungsgrad der Membranstruktur mehr oder weniger in entsprechend geformte und angeordnete Durchgangsöffnungen des Gegenelements hineinragt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Mikrofonstruktur zwei akustisch durchlässige Gegenelemente, die oberhalb und unterhalb der Membranstruktur ausgebildet sind, so dass die Membranstruktur in einem Spalt zwischen den beiden Gegenelementen angeordnet und auslenkbar ist. Die Membranstruktur ist beidseitig mit senkrecht zu den Schichtebenen orientierten Strukturelementen versehen, so dass diese je nach Auslenkungsgrad der Membranstruktur mehr oder weniger in entsprechend geformte und angeordnete Durchgangsöffnungen der Gegenelemente hineinragen. Diese zweiseitig verzahnte Mikrofonstruktur trägt ebenfalls zur Erhöhung der Mikrofonempfindlichkeit bei und ermöglicht zudem eine differentielle Signalerfassung.
Die Mikrofonempfindlichkeit kann außerdem durch die Art der Anbindung der Membranstruktur an den Schichtaufbau des Bauelements gesteigert werden. Angestrebt wird stets eine besonders große, möglichst planparallele Auslenkung des Mittelbereichs der Membranstruktur, wo die im Wesentlichen senkrecht von der Membranebene abragenden Strukturelemente ausgebildet sind. Dadurch wird nicht nur eine möglichst hohe Kapazitätsänderung erzielt, sondern auch ein Verhaken der Strukturelemente der Membranstruktur in den Durchgangsöffnungen des Gegenelements verhindert. In diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Membranstruktur über eine Federaufhängung in den Schichtaufbau des Bauelements eingebunden ist. Bei Schalleinwirkung wird in erster Linie die Federaufhängung der Membranstruktur deformiert, während der Mittelbereich im Wesentlichen planparallel ausgelenkt wird. Alternativ oder ergänzend dazu kann der Mittelbereich der Membranstruktur versteift werden, um eine Deformation des Mittelbereichs zu verhindern. Auch dadurch wird die Ausrichtung der Strukturelemente fluchtend zu den Durchgangsöffnungen im Gegenelement stabilisiert.
Zur Reduzierung des Gewichts der Membranstruktur kann diese beispielsweise im Mittelbereich perforiert werden, was ebenfalls zu Mikrofonperformance des erfindungsgemäßen Bauelements beiträgt.
Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Bauelement mit einem Überlastschutz für die Membranstruktur ausgestattet, der beispielsweis in Form von mechanischen Anschlägen für die Membranstruktur realisiert werden kann. Diese können an der Membranstruktur selbst, am Gegenelement oder auch im Randbereich einer Schallöffnung ausgebildet sein.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Signalerfassung im Rahmen des erfindungsgemäßen Bauelementkonzepts kapazitiv mit Hilfe einer Kondensatoranordnung, an der eine definierte Kondensatorspannung anliegt.
Bei einer ersten Realisierungsvariante umfasst diese Kondensatoranordnung mindestens eine feststehende Elektrode auf dem Gegenelement und mindestens eine Elektrode auf der Membranstruktur, so dass sich bei Auslenkung der Membranstruktur der Elektrodenabstand der Kondensatoranordnung und damit deren Kapazität verändert. In diesem Fall tragen die von der Membranebene abragenden Strukturelemente der Membranstruktur zu einer Vergrößerung der Elektrodenfläche und damit des Messsignals bei. Bei dieser Variante der Signalerfassung kann es aufgrund der an der Kondensatoranordnung anliegenden Spannung bei hohen Schalldrücken zu einem Pull-in der Membranstruktur an das Gegenelement kommen, was die Signalerfassung nachfolgend beeinträchtigt.
Bei einer zweiten Realisierungsvariante ist eine derartige Beeinträchtigung der Signalerfassung ausgeschlossen. Hier fungieren die Membranstruktur nicht als Elektrode, sondern als Dielektrikum der Kondensatoranordnung. Dazu besteht die Membranstruktur zumindest teilweise aus einem dielektrischen Material oder ist mit einem dielektrischen Material beschichtet, und zwar insbesondere die Teile der Membranstruktur, die in die Durchgangsöffnungen im Gegenelement hineinragen. Die Elektroden der Kondensatoranordnung sind hier so auf dem Gegenelement realisiert, dass sich bei einer Auslenkung der Membranstruktur die dielektrischen Eigenschaften im Elektrodenspalt der Kondensatoranordnung verändern. Die Auslenkung der Membranstruktur ist hier unabhängig von der Kondensatorspannung, da die Spannung bei dieser Ausführungsvariante zwischen zwei feststehenden Elektroden auf dem Gegenelement anliegt. Ein unerwünschter Pull-in der Membran an das Gegenelement ist damit auch bei hohen Schalldrücken ausgeschlossen.
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 dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines ersten erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauelements 10 und
2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauelements 20.
3a zeigt eine schematische Schnittansicht eines dritten erfindungsgemäßen Mikrofon-Bauelements 30 und
3b zeigt eine Draufsicht auf die Kondensatoranordnung dieses Mikrofon-Bauelements 30.
Ausführungsformen der Erfindung
Bei dem in 1 dargestellten Mikrofon-Bauelement 10 handelt es sich um ein MEMS-Bauelement, das ausgehend von einem Substrat 1 in einem Schichtaufbau realisiert ist. Die Mikrofonstruktur des Bauelements 10 überspannt eine Kaverne 2 in der Substratrückseite. Sie umfasst eine schalldruckempfindliche Membranstruktur 3, die im Wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus, also „out-of-plane“, auslenkbar ist. Des Weiteren umfasst die Mikrofonstruktur ein akustisch durchlässiges Gegenelement 5 mit Durchgangsöffnungen 6. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Gegenelement 5 im Schichtaufbau über der Membranstruktur 3 angeordnet. Die Membranstruktur 3 ist an das Gegenelement 5 angebunden, und zwar über Federelemente 4, die im Randbereich der Membranstruktur 3 ausgebildet sind. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, die Membranstruktur 3 oberhalb des Gegenelements 5 anzuordnen.
Erfindungsgemäß umfasst die Membranstruktur 3 Strukturelemente 31, die im Wesentlichen senkrecht von der Membranebene abragen und – je nach Auslenkungsgrad der Membranstruktur 3 – mehr oder weniger in entsprechend geformte und angeordnete Durchgangsöffnungen 6 des Gegenelements 5 hineinragen. Dementsprechend weisen die Strukturelemente 31 in Richtung Gegenelement 5 und sind fluchtend zu den Durchgangsöffnungen 6 des Gegenelements 5 ausgebildet. Im Fall des hier dargestellten Bauelements 10 bilden die Strukturelemente 31 der Membranstruktur 3 eine in die Struktur des Gegenelements 5 eingreifende Kammstruktur.
Um die Mikrofonfunktion zu realisieren, wurde das Bauelement 10 mit einem Gehäuse 100 versehen. Das Bauelement 10 ist substratseitig auf dem Gehäuseboden 101 montiert, so dass die Kaverne 2 rückseitig druckdicht abgeschlossen ist und als Rückvolumen fungiert. In der Oberseite des Gehäuses 100 befindet sich eine Schallöffnung 102, so dass der Schalldruck über die Durchgangsöffnungen 6 im Gegenelement 5 auf die Membranstruktur 3 einwirkt und diese in Schwingungen versetzt. Dabei wird der Mittelbereich der Membranstruktur 3 im Wesentlichen planparallel ausgelenkt, während die Federelemente 4 deformiert werden, da der Mittelbereich mit der Kammstruktur 31 deutlich steifer ist als die Federelemente 4. Die Signalerfassung erfolgt kapazitiv mit Hilfe einer Kondensatoranordnung, die im Fall des Bauelements 10 eine bewegliche Elektrode auf der Membranstruktur 3 und eine feststehende Elektrode auf dem Gegenelement 5 umfasst. Die Elektroden der Kondensatoranordnung können beispielsweise in einer leitfähigen Schicht des Gegenelements bzw. der Membranstruktur oder auch in Form einer geeigneten Dotierung realisiert sein und sind hier nicht im Detail dargestellt. Jedenfalls ist die Elektrodenfläche dieser Kondensatoranordnung aufgrund der Kammstruktur 31 der Membranstruktur 3 deutlich größer als die Chipfläche, die die Membranstruktur 3 einnimmt. Durch die Auslenkung der Membranstruktur 3 verändert sich der Elektrodenabstand der Kondensatoranordnung und damit auch deren Kapazität.
Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten Bauelement 10 umfasst die Mikrofonstruktur des in 2 dargestellten Mikrofon-Bauelements 20 zwei feststehende Gegenelemente 51 und 52, die im Schichtaufbau über und unter der Membranstruktur 23 realisiert sind, so dass die Membranstruktur 23 sandwichartig, in einem Spalt zwischen den beiden Gegenelementen 51, 52 angeordnet ist. In beiden Gegenelementen 51 und 52 sind Durchgangsöffnungen 6 ausgebildet, so dass beide Gegenelemente 51, 52 akustisch durchlässig sind. Die Membranstruktur 23 ist über Federelemente 4 an das obere Gegenelement 51 angebunden und im Wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen auslenkbar. Der Mittelbereich der Membranstruktur 23 weist eine Doppelkammstruktur auf, die durch zweiseitig von der Membranebene abragende Strukturelemente 231 gebildet wird. Diese ragen in entsprechend ausgelegte Durchgangsöffnungen 6 des oberen und des unteren Gegenelements 51, 52 hinein bzw. sind fluchtend zu diesen Durchgangsöffnungen 6 angeordnet. Zur Realisierung der Mikrofonfunktion ist auch das Bauelement 20 substratseitig auf dem Boden 101 eines Gehäuses 100 montiert, so dass die Kaverne 2 unter der Mikrofonstruktur rückseitig druckdicht abgeschlossen ist und als Rückvolumen fungiert. Die Schallbeaufschlagung erfolgt über eine Schallöffnung 102 in der Oberseite des Gehäuses 100, so dass der Schalldruck über die Durchgangsöffnungen 6 im oberen Gegenelement 51 auf die Membranstruktur 23 einwirkt und diese in Schwingungen versetzt. Dabei wird die Doppelkammstruktur 231 im Mittelbereich der Membranstruktur 3 im Wesentlichen planparallel ausgelenkt, während die Federelemente 4 deformiert werden. Bei jeder Auslenkung der Membranstruktur 23 vergrößert sich der Eingriff der Doppelkammstruktur 231 in die Durchgangsöffnungen 6 des einen Gegenelements 51 bzw. 52 in dem Maße wie er sich bei dem auf der gegenüberliegenden Seite angeordneten zweiten Gegenelement 52 bzw. 51 verringert. Dieser Umstand ermöglicht eine differentielle Signalerfassung und -auswertung und/oder eine Signalrückkopplung, so dass die Membranstruktur in Ruhelage verbleibt. In diesem Fall ist die Nichtlinearität des Mikrofonsignals besonders niedrig. Dazu umfasst die Kondensatoranordnung des Mikrofon-Bauelements 20 mindestens eine feststehende Elektrode auf jedem der beiden Gegenelemente 51 und 52 und mindestens eine auslenkbare Elektrode auf der Membranstruktur 23. Wie im Fall der 1 sind auch in der 2 die Elektroden der Kondensatoranordnung nicht im Einzelnen dargestellt.
Die Bauelementstruktur des in den 3a, 3b dargestellten Mikrofon-Bauelements 30 entspricht – zumindest im Querschnitt – der des in 1 dargestellten Mikrofon-Bauelements 10. Deshalb wird diesbezüglich auf die Beschreibung der 1 verwiesen. Die beiden Bauelemente 10 und 30 unterscheiden sich jedoch in der Realisierung der Kondensatoranordnung zur Signalerfassung. So umfasst die Kondensatoranordnung des Bauelements 30 zwei feststehende Elektroden 71, 72, die beide aus dem Gegenelement 5 herausstrukturiert sind und also in einer Ebene des Schichtaufbaus angeordnet sind. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Elektroden 71 und 72 kammförmig ausgebildet, so dass die Fingerstrukturen der beiden Elektroden 71, 72 ineinander greifen, was insbesondere durch 3b veranschaulicht wird. Der Spalt zwischen den beiden Elektroden 71 und 72 erstreckt sich über die gesamte Dicke des Gegenelements 5 und bildet dementsprechend eine Durchgangsöffnung 6 zur Schallbeaufschlagung der darunter angeordneten Membranstruktur 3. Die von der Membranebene abragenden Strukturelemente 31 auf der Membranstruktur 3 sind hier stegartig und entsprechend diesem Elektrodenspalt 6 geformt. Sie bestehen aus einem dielektrischen Material. Dementsprechend verändern sich durch Auslenkung der Membranstruktur 3 die dielektrischen Eigenschaften im Spalt der Kondensatoranordnung und damit auch deren Kapazität, was als Messsignal erfassbar ist und ausgewertet werden kann.

Claims

Bauelement (10) mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur, die in einem Schichtaufbau realisiert ist, mindestens umfassend – eine schalldruckempfindliche Membranstruktur (3), die im Wesentlichen senkrecht zu den Schichtebenen des Schichtaufbaus auslenkbar ist, – ein akustisch durchlässiges Gegenelement (5) mit Durchgangsöffnungen (6), das im Schichtaufbau über oder unter der Membranstruktur (3) ausgebildet ist, und – eine Kondensatoranordnung zum Erfassen der Auslenkungen der Membranstruktur (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (3) mindestens ein im Wesentlichen senkrecht von der Membranebene abragendes Strukturelement (31) umfasst, das je nach Auslenkungsgrad der Membranstruktur (3) mehr oder weniger in eine entsprechend geformte und angeordnete Durchgangsöffnung (6) des Gegenelements (5) hineinragt, und dass das mindestens eine Strukturelement (31) im Mittelbereich der Membranstruktur (3) angeordnet ist.
Bauelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (3) eine Kammstruktur (31) umfasst, die je nach Auslenkungsgrad der Membranstruktur (3) mehr oder weniger in entsprechend geformte und angeordnete Durchgangsöffnungen (6) des Gegenelements (5) hineinragt.
Bauelement (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofonstruktur zwei akustisch durchlässige Gegenelemente (51, 52) mit Durchgangsöffnungen (6) umfasst, dass die Membranstruktur (23) sandwichartig zwischen den beiden Gegenelementen (51, 52) angeordnet ist und dass die Membranstruktur (23) beidseitig mit senkrecht zu den Schichtebenen orientierten Strukturelementen (231) versehen ist, die je nach Auslenkungsgrad der Membranstruktur (23) mehr oder weniger in entsprechend geformte und angeordnete Durchgangsöffnungen (6) der Gegenelemente (51, 52) hineinragen.
Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoranordnung mindestens eine feststehende Elektrode und mindestens eine auslenkbare Elektrode umfasst, wobei das mindestens eine Gegenelement (5) als Träger für die mindestens eine feststehende Elektrode fungiert und die Membranstruktur (3) als Träger für die mindestens eine auslenkbare Elektrode fungiert, so dass sich bei einer Auslenkung der Membranstruktur (3) der Elektrodenabstand der Kondensatoranordnung verändert.
Bauelement (30) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (3) und insbesondere das mindestens eine von der Membranebene abragende Strukturelement (31) zumindest bereichsweise aus einem dielektrischen Material besteht oder mit einem dielektrischen Material beschichtet ist und dass sich beim Eintauchen der von der Membranebene abragenden Strukturelemente (31) in die Ebene des Gegenelements aufgrund einer Auslenkung der Membranstruktur (3) die dielektrischen Eigenschaften in einem Elektrodenspalt zwischen zwei galvanisch voneinander getrennten Elektroden (71, 72) einer Kondensatoranordnung auf dem mindestens einen Gegenelement (5) ändern.
Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur (3) über eine Federaufhängung (4) in den Schichtaufbau eingebunden ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelbereich der Membranstruktur versteift ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranstruktur zumindest in ihrem Mittelbereich perforiert ist.
Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überlastschutz für die Membranstruktur vorgesehen ist, insbesondere in Form von Anschlagselementen an der Membranstruktur.