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Hintergrund der Erfindung
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Vorrichtung, auf eine Multimedia-Vorrichtung, und auf ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Silicium-Mikrofone können aus einem festen Block aus kristallinem Silicium-Material hergestellt werden, die, durch die Anwendung von Techniken wie Ätzen und die Verwendung von Opferschichten, so verarbeitet werden, dass sie zwei gegenüberliegende Membranen auf dem ringförmigen Block bilden, die mit metallischen Elektroden verbunden sind. In der Anwesenheit von akustischen Wellen bewegen sich die Membranen, wodurch die Kapazität der Membran-Elektroden-Anordnung geändert wird, was über ein elektrisches Signal zwischen den Elektroden elektrisch gemessen werden kann. Solche Silicium-Mikrofone können zusammen mit einem Logikchip (wie einer ASIC, anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis) in einem Halbleitergehäuse montiert werden, das einen Einlass für akustische Wellen aufweist.
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Das Volumen innerhalb des Gehäuses, das dem Einlass für die akustischen Wellen gegenüberliegt und das teilweise von den Membranen abgegrenzt wird, kann als Rückvolumen bezeichnet werden und beeinflusst das Leistungsverhalten des Mikrofons signifikant. Ein Rückvolumen führt zu einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis und umgekehrt. Die Größe des Rückvolumens, das für ein angemessenes Leistungsverhalten erforderlich ist, ist mit der Größe des Silicium-Mikrofons korreliert. Daher setzt sich diese Leistungsanforderung direkt in einen hohen Flächenverbrauch des Silicium-Mikrofons auf einer gedruckten Leiterplatte um. Gleichzeitig besteht ein fortgesetzter Trend zu kleineren Abmessungen elektronischer Elementen (beispielsweise im Fall eines Silicium-Mikrofons wird eine maximale Höhe von weniger als 1 mm gewünscht).
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So stehen derartige Höhenanforderungen im Widerspruch zu den Leistungsanforderungen. Mit anderen Worten besteht ein technologiebezogener Widerspruch zwischen einer Miniaturisierung und der Leistung von Silicium-Mikrofonen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es kann ein Bedarf an einer kompakten elektronischen Vorrichtung mit einem geeigneten akustischen Leistungsverhalten eines elektroakustischen Wandlers bestehen.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird eine elektronische Vorrichtung vorgesehen, welche aufweist: ein Substrat, eine Abdeckung (wie einen Deckel oder ein Gehäuse), die wenigstens einen Teil einer Hauptfläche des Substrats von einem Äußeren abgrenzt (beispielsweise abdeckt oder umgibt), um dadurch eine Abdeckung-Substrat-Anordnung zu bilden, die einen Hohlraum umschließt (und vorzugsweise abgrenzt) und ein Durchgangsloch aufweist, einen elektroakustischen Wandler, der ausgelegt ist, zwischen einem elektrischen Signal und einem akustischen Signal umzuwandeln, und auf dem Substrat innerhalb des Hohlraums in einer solchen Weise montiert ist, dass der Hohlraum ein Rückvolumen des elektroakustischen Wandlers bildet, wobei der elektroakustische Wandler eine akustische Kopplung zwischen dem Hohlraum und einem Äußeren der Abdeckung-Substrat-Anordnung über das Durchgangsloch bereitstellt, einen elektronischen Chip, der innerhalb der Abdeckung-Substrat-Anordnung montiert ist und mit dem elektroakustischen Wandler elektrisch gekoppelt ist, um elektrische Signale zwischen dem elektronischen Chip und dem elektroakustischen Wandler zu kommunizieren, und wenigstens ein elektronisches Element, das auf dem Substrat innerhalb der Abdeckung-Substrat-Anordnung montiert ist und für das Bereitstellen einer elektronischen Funktion ausgelegt ist.
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Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird eine Multimedia-Vorrichtung vorgesehen, welche aufweist: eine Leiterplatte mit einem internen Durchgangsloch, ein Außengehäuse, das zu einem Äußeren der Multimedia-Vorrichtung freiliegt, die Leiterplatte umschließt, einen Hohlraum zusammen mit der Leiterplatte abgrenzt und ein externes Durchgangsloch aufweist, ein Paar von Mikrofonmembranen, die ausgelegt sind, ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und auf der Leiterplatte, akustisch gekoppelt mit dem Hohlraum, in einer in einer solchen Weise montiert sind, dass der Hohlraum ein Rückvolumen des Paars von Mikrofonmembranen bildet, wobei das Paar von Mikrofonmembranen eine akustische Kopplung zwischen dem Hohlraum und einem Äußeren der Multimedia-Vorrichtung über das interne Durchgangsloch und das externe Durchgangsloch bereitstellt, einen elektronischen Chip, der innerhalb des Außengehäuses montiert ist und elektrisch gekoppelt ist mit dem Paar von Mikrofonmembranen, um elektrische Signale zu verarbeiten, die vom Paar von Mikrofonmembranen ansprechend auf das Empfangen akustischer Signale durch das Paar von Mikrofonmembranen über das externe Durchgangsloch generiert werden.
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Gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform wird ein Verfahren zur Herstellung einer elektronischen Vorrichtung vorgesehen, welches Verfahren aufweist: Abgrenzen wenigstens eines Teils einer Hauptfläche eines Substrats mit einer Abdeckung, um dadurch eine Abdeckung-Substrat-Anordnung zu bilden, die einen Hohlraum umschließt und ein Durchgangsloch aufweist, Montieren eines elektroakustischen Wandlers, der ausgelegt ist, zwischen einem elektrischen Signal und einem akustischen Signal umzuwandeln, auf dem Substrat, akustisch gekoppelt mit dem Hohlraum, in einer solchen Weise, dass der Hohlraum ein Rückvolumen des elektroakustischen Wandlers bildet, wobei der elektroakustische Wandler eine akustische Kopplung zwischen dem Hohlraum und einem Äußeren der Abdeckung-Substrat-Anordnung über das Durchgangsloch bereitstellt, Montieren eines elektronischen Chips innerhalb der Abdeckung-Substrat-Anordnung und elektrisches Koppeln des elektronischen Chips mit dem elektroakustischen Wandler, um elektrische Signale zwischen dem elektronischen Chip und dem elektroakustischen Wandler zu kommunizieren, und Montieren wenigstens eines elektronischen Elements, das ausgelegt ist, eine elektronische Funktion vorzusehen, auf dem Substrat innerhalb der Abdeckung-Substrat-Anordnung.
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Eine beispielhafte Ausführungsform hat den Vorteil, dass eine Abdeckung (wie beispielsweise ein schalenförmiger Deckel oder ein umgebendes Gehäuse), die ohnehin zum Abdecken eines oder mehrerer elektronischer Elemente der elektronischen Vorrichtung vorhanden sein muss, auch verwendet wird, um, zusammen mit dem Montagesubstrat, auf dem das eine oder mehrere elektronische Element montiert sind, das Rückvolumen für den elektroakustischen Wandler zu bilden, der auch innerhalb der Abdeckung-Substrat-Anordnung aufgenommen wird. Durch das Weglassen einer getrennten Abdeckung, die spezifisch nur den elektroakustischen Wandler zusammen mit dem elektronischen Chip abdeckt, um das Rückvolumen zu bilden, kann die elektronische Vorrichtung kompakt und mit leichtem Gewicht ausgebildet werden, während ein großes Rückvolumen vorgesehen wird, das seinerseits zu einem sehr guten Leistungsverhalten des elektroakustischen Wandlers führt. Die synergetische Verwendung der ohnehin vorliegenden Abdeckung zusammen mit dem Substrat zur Bildung des Rückvolumens reduziert die Abmessung der elektronischen Vorrichtung und gestattet einen hohen Wert des Rückvolumens, was zu einem geeigneten Signal-Rausch-Verhältnis des elektroakustischen Wandlers führt.
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Beschreibung weiterer beispielhafter Ausführungsformen Im Kontext der vorliegenden Anmeldung kann der Ausdruck „elektronische Vorrichtung“ insbesondere eine beliebige elektronische Einrichtung bezeichnen, die einen elektroakustischen Wandler und wenigstens eine weitere elektronische Funktionalität involviert. Insbesondere kann sie eine beliebige tragbare Vorrichtung mit einer Fähigkeit aufweisen, akustische Wellen in ein elektrisches Signal umzuwandeln, und/oder umgekehrt.
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Der Ausdruck „Hauptfläche“ eines Substrats kann eine der beiden größten, üblicherweise gegenüberliegenden Flächen eines insbesondere plattenartigen Substrats, wie einer gedruckten Leiterplatte, bezeichnen. Die Hauptflächen sind üblicherweise die Flächen des Substrats, die dazu bestimmt sind, zum Montieren elektronischer Komponenten, wie eines elektroakustischen Wandlers, eines elektronischen Chips und/oder eines elektronischen Elements, verwendet zu werden.
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Der Ausdruck „elektroakustischer Wandler“ kann insbesondere ein beliebiges elektromechanisches Element bezeichnen, das ein sekundäres elektrisches Signal generieren kann, welches den Inhalt einer primären akustischen Welle anzeigt, wie im Fall eines Mikrofons. Der Ausdruck „elektroakustischer Wandler“ kann jedoch auch ein elektromechanisches Element bezeichnen, das ein sekundäres akustisches Signal generiert, welches einen Inhalt eines primären elektrischen Signals anzeigt, wie im Fall eines Lautsprechers. Der elektroakustische Wandler kann insbesondere als mikroelektromechanische (MEMS) Vorrichtung ausgelegt sein, und kann beispielsweise in der Halbleitertechnologie, insbesondere in der Silicium-Technologie, hergestellt werden. Ein derartiger elektroakustischer Wandler kann zwei gegenüberliegende und bewegbar montierte Membranen aufweisen, die so mit Elektroden verbunden sind, dass sich, als Ergebnis einer Änderung der Kapazität ansprechend auf eine Bewegung der Membranen, ein elektrisches Signal zwischen den Elektroden charakteristisch ändert oder die Bewegung beim Anlegen eines elektrischen Signals zwischen den Membranen charakteristisch geändert wird.
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Der Ausdruck „Rückvolumen eines elektroakustischen Wandlers“ kann insbesondere eine mit Fluid gefüllte (beispielsweise mit Gas gefüllte, mehr im Einzelen mit Luft gefüllte) Ausnehmung sein, die durch eine oder mehrere Membranen des elektroakustischen Wandlers zusammen mit Teilen des Substrats und der Abdeckung grundsätzlich akustisch verschlossen ist. Beim Bewegen oder Oszillieren kann (können) die Membran(en) des elektroakustischen Wandlers Gas innerhalb des Rückvolumens verlagern, wobei gegenwärtig angenommen wird, dass das akustische Leistungsverhalten desto besser ist, je kleiner der Widerstand dieser Gasverlagerung ist. So führt ein hohes Rückvolumen zu einem geeigneten Leistungsverhalten des elektroakustischen Wandlers, und umgekehrt. Das Rückvolumen soll in Bezug auf eine Umgebung durch Abschnitte des Substrats, der Abdeckung und der Membran(en) des elektroakustischen Wandlers im Wesentlichen geschlossen sein. Fachleuten ist jedoch die Tatsache klar, dass ein oder mehrere extrem kleine Luftkanäle in der (den) Membran(en) der elektroakustischen Wandler möglich oder sogar gewünscht sind, um ein technisch wünschenswertes geringes Passieren von Luft zwischen dem Rückvolumen und der umgebenden Atmosphäre zu gestatten. Solche schmalen Luftkanäle sind jedoch üblicherweise extrem klein verglichen mit anderen Abmessungen des elektroakustischen Wandlers.
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Der Ausdruck „akustische Kopplung“ zwischen dem Hohlraum und einem Äußeren der Abdeckung-Substrat-Anordnung kann insbesondere eine bestimmte akustische Impedanz bezeichnen, die beispielsweise durch (eine) Membran(en) des elektroakustischen Wandlers gebildet wird, was eine Bewegung der Membran(en) zwischen dem Hohlraum und der Außenseite gestattet, wodurch eine Art akustischer Kopplung zwischen dem Hohlraum und der Außenseite vorgesehen wird. Auch die oben angegebenen gegebenenfalls vorliegenden kleinen Löcher in den Membranen haben in einem gewissen Ausmaß einen Einfluss auf den Grad der akustischen Kopplung zwischen Hohlraum und Außenseite.
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Der Ausdruck „elektronischer Chip“ kann insbesondere einen Halbleiterchip mit einem oder mehreren integrierten Schaltungselementen darin bezeichnen. Ein derartiger elektronischer Chip, der als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgelegt sein kann, kann zur Verarbeitung elektrischer Signale vorgesehen sein, die vom elektroakustischen Wandler ansprechend auf ein vorliegendes akustisches Signal generiert werden. In einer weiteren Ausführungsform kann der elektronische Chip jedoch auch ausgelegt sein, ein elektrisches primäres Signal mit einem Inhalt zu generieren, der durch das Anlegen des elektrischen Signals vom elektronischen Chip an den elektroakustischen Wandler als Lautsprecher in ein akustisches Signal übersetzt wird.
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Der Ausdruck „wenigstens ein elektronisches Element“ kann insbesondere eine beliebige Art eines elektronischen Bauteils bezeichnen, das zusätzlich zum elektronischen Chip vorgesehen ist, der mit dem elektroakustischen Wandler zusammenwirkt. Das elektronische Element sieht eine zusätzliche Funktion über die Anordnung des elektroakustischen Wandlers und kooperierenden elektronischen Chips vor. Beispielsweise kann das wenigstens eine zusätzliche elektronische Element ein weiterer Halbleiterchip sein, der eine zusätzliche Funktion bereitstellt, wie ein GPS (Global Positioning System)-Modul, um eine GPS-Funktion einer tragbaren Einrichtung als elektronische Vorrichtung vorzusehen. Ein GPS-Modul kann seinerseits einen Filter, einen Verstärker, passive Elemente, wie Kapazitäten, etc., aufweisen. Andere Funktionen des wenigstens einen elektronischen Elements sind die Funktion eines Speicherchips, die Funktion eines Mikrocontrollers, die Funktion eines Sensors oder eines beliebigen mikroelektromechanischen Systems (MEMS). Ein weiteres Beispiel für die elektronischen Elemente sind Filter (wie Oberflächenwellenfilter, SAW, Bulk-Akustikwellenfilter, BAW, oder Thin Film Bulk-Akustikwellenresonatoren, FBAR). Die elektronischen Elemente können ferner einen Basisbandchip, etc., aufweisen.
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Der Ausdruck „Substrat“ kann insbesondere eine physische Struktur bezeichnen, die zum Montieren eines elektroakustischen Wandlers, elektronischen Chips und/oder elektronischen(r) Elements (Elemente) ausgelegt ist. Das Substrat kann eine einzelne physische Struktur sein (wie eine einzelne gedruckte Leiterplatte) oder eine Vielzahl von physischen Strukturen (wie eine erste gedruckte Leiterplatte als Hauptplatine und eine zweite gedruckte Leiterplatte als zusätzliche Struktur, um auf der Hauptplatine montiert oder zusätzlich zur Hauptplatine vorgesehen zu werden. Der Ausdruck „ein Substrat“ umfasst ein einzelnes Substrat oder mehrfache Substrate oder Substratabschnitte, welche Substrate oder Substratabschnitte miteinander verbunden sein können.
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Der Ausdruck „Multimedia-Vorrichtung“ kann insbesondere eine beliebige gewünschte elektronische Einrichtung bezeichnen, die von einem Benutzer hinsichtlich des Bereitstellens einer beliebigen akustischen Funktion oder eines Dienstes verwendet werden kann, zusätzlich zu einer weiteren Funktion oder eines Dienstes, wie einer bildbezogenen Funktion. Hier kann die akustische Funktion oder der Dienst auch mit einer optischen Funktion oder einem Dienst kombiniert werden, wie es beispielsweise durch eine Anzeige wie eine Flüssigkristallanzeige (LCD) vorgesehen wird. Daher kann die Multimedia-Vorrichtung einem Benutzer gestatten, einen Audio-Inhalt, Video-Inhalt, Bild-Inhalt, alphanumerischen Inhalt, etc., zu verwalten. Ein Beispiel für eine Multimedia-Vorrichtung ist ein Smartphone.
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Der Ausdruck „Abdeckung“ kann insbesondere eine beliebige physische Struktur bezeichnen, die wenigstens einen Teil des Substrats abdeckt oder umgibt, und mit dem Substrat verbunden ist, um den Hohlraum innerhalb der gebildeten Abdeckung-Substrat-Anordnung einzuschließen. Ein Beispiel einer solchen Abdeckung ist ein schalenförmiges Deckelelement, das oben auf einer Hauptfläche des Substrats angebracht ist, um dadurch den Hohlraum zum umschließen. Ein weiteres Beispiel einer solchen Abdeckung ist ein hohles Gehäuse (oder ein Teil davon), welches das Substrat vollständig umgibt und beispielsweise an einer lateralen Kante und/oder auf einer Hauptfläche davon mit diesem verbunden ist, um dadurch auch einen Hohlraum innerhalb der gebildeten Abdeckung-Substrat-Anordnung abzugrenzen. Der Ausdruck „Abdeckung“ umfasst einen einzelnen Deckel oder mehrfache Deckel oder Deckelabschnitte, umfasst jedoch auch ein einzelnes Gehäuse (das beispielsweise durch zwei kooperierende Elementer gebildet wird, wie zwei Halbschalen), mehrfache Gehäuse oder Deckel-Gehäuse-Kombinationen.
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Ein Grundgedanke gemäß einer beispielhaften Ausführungsform (siehe beispielsweise 1 bis 4) ist, dass, beispielsweise auf einer Hauptplatine einer Benutzereinrichtung mit einem elektromechanischen Wandler, üblicherweise weitere Submodule oder elektronische Elemente vorliegen, die ein elektrisches Abschirmen beispielsweise in Form eines elektrisch leitfähigen Deckels erfordern können. Insbesondere in mobilen Kommunikationsanwendungen, in denen ein spezifisches Frequenzband mobiler Kommunikation oder Navigation verwendet wird, wird eine solche elektromagnetische Abschirmung immer wichtiger, um die elektronischen Elemente gegen unerwünschte elektromagnetische Strahlung zu schützen. Eine beispielhafte Ausführungsform integriert den elektroakustischen Wandler (wie einen MEMS-Chip) zusammen mit seinem elektronischen Logikchip (wie einer ASCI) innerhalb einer derartigen gemeinsamen abschirmenden Substrat-Deckel-Anordnung, die auch die elektronischen Elemente abdeckt, wobei der Deckel akustisch abgedichtet montiert werden kann, beispielsweise durch eine ringförmige Umfangslötverbindung oder eine Haftverbindung. Ein getrennter Abdeckungsdeckel für den elektroakustischen Wandler mit einem sehr begrenzten hinteren Rückvolumen kann daher entbehrlich sein, und ein einzelner größerer Deckel, der ein größeres Rückvolumen für den elektroakustischen Wandler bereitstellt, kann dual auch zum Abschirmen der elektronischen Elemente sowie des elektroakustischen Wandlers und seines elektronischen Logikchips verwendet werden.
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Ein Grundgedanke gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform (siehe beispielsweise 5 bis 7) ist, dass die externe Hülle oder das externe Gehäuse – die bzw. das eine weitere Ausführungsform der Abdeckung darstellt – einer derartigen Einrichtung (beispielsweise die Hülle eines Smartphones) teilweise oder gänzlich zum Abgrenzen wenigstens eines Teils des Rückvolumens verwendet wird. In einer derartigen Ausführungsform kann es auch vorteilhaft sein, eine akustische Abdichtung und, wenn notwendig oder gewünscht, eine elektromagnetische Abschirmung des Gehäuses vorzusehen (beispielsweise durch eine metallische Beschichtung des Gehäuses, um beispielsweise einen elektrischen Erd- oder Massekontakt vorzusehen). Die Applikationshülle kann daher wenigstens teilweise zur Bildung des Rückvolumens verwendet werden.
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Die beispielhaften Ausführungsformen haben den Vorteil, dass das Rückvolumen groß ausgebildet werden kann, wodurch eine hohe elektroakustische Leistung garantiert wird, während gleichzeitig die Abmessung und das Gewicht der elektronischen Vorrichtung klein gehalten werden. Daher kann der vollständige Vorteil des Miniaturisierungspotenzials des elektroakustischen Wandlers (beispielsweise eines Silicium-Mikrofons) erhalten werden, da der elektroakustische Wandler nicht notwendigerweise sein eigenes Rückvolumen verwenden muss. Dies macht es möglich, hochminiaturisierte Silicium-Mikrofonlösungen, die auf Wafer-Ebene basieren, zu implementieren, welche fähig gemacht werden, mit einer hohen Leistung betreibbar zu sein, obwohl ihre Abmessung sehr klein ist. Ein weiterer Vorteil beispielhafter Ausführungsformen ist eine Vereinfachung der Montage der elektronischen Vorrichtung, da getrennte Teile entbehrlich werden (eine Abdeckung und ein Substrat können ausreichend sein). Ein hohes Rückvolumen kann daher mit kleindimensionierten elektroakustischen Wandlern unter Verwendung einer bereits bestehenden Abdeckung kombiniert werden, die Submodule einer Einrichtung abdeckt. Beispielhafte Ausführungsformen überwinden daher den technologiebezogenen Widerspruch zwischen Miniaturisierung und Leistung von MEMS-Mikrofonen.
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Im Folgenden werden weitere beispielhafte Ausführungsformen der elektronischen Vorrichtung, der Multimedia-Vorrichtung und des Verfahrens erläutert.
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In einer Ausführungsform ist das Substrat eine gedruckte Leiterplatte (Printed Circuit Board; PCB). Eine gedruckte Leiterplatte ist eine geeignete Montagebasis zum Montieren elektroakustischer Wandler, elektronischer Chips und elektronischer Elemente. Es ist möglich, dass eine einzelne gedruckte Leiterplatte verwendet wird, oder eine Vielzahl getrennter oder miteinander verbundener gedruckte Leiterplatten, beispielsweise eine Hauptplatine und eine zusätzliche Platte. Es sind jedoch Alternativen für das Substrat möglich, wie ein Flex-Board, ein Keramiksubstrat oder eine beliebige andere elektronische Montagebasis.
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In einer Ausführungsform ist die gedruckte Leiterplatte eine Hauptplatine (main board) der Vorrichtung. Die Hauptplatine (beispielsweise ein Motherboard) der Vorrichtung kann die Hauptmontagebasis für die Mehrheit elektronischer Komponenten der Vorrichtung sein. Insbesondere kann ein Hauptprozessor oder ein Vorrichtungscontroller auf einer solchen Hauptplatine montiert sein. Ein Abschnitt des Außengehäuses der Vorrichtung, der mit der Hauptplatine verbunden ist, kann auch als die Abdeckung zum wenigstens teilweisen Abgrenzen des Rückvolumens des elektroakustischen Wandlers verwendet werden.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung ein Gehäuse auf, das die Abdeckung (die hier als Deckel ausgelegt sein kann) und das Substrat umschließt und ein weiteres Durchgangsloch aufweist, so dass der elektroakustische Wandler eine akustische Kopplung zwischen dem Hohlraum und einem Äußeren der Vorrichtung über beide Durchgangslöcher bereitstellt (siehe beispielsweise 1). In einer derartigen Ausführungsform ist die Abdeckung ein interner Deckel innerhalb des Außengehäuses der elektronischen Vorrichtung. In einem solchen Szenario können ein Tonzugangsloch oder inneres Durchgangsloch in der Abdeckung oder im Substrat und ein zusätzliches äußeres Durchgangsloch im Außengehäuse zum Definieren eines akustischen Wegs verwendet werden, der für akustische Wellen von der Außenseite der elektronischen Vorrichtung zum elektroakustischen Wandler transmissiv ist. Wenn das Außengehäuse und die Abdeckung getrennt vorgesehen werden, kann die Abdeckung spezifisch für die Anforderungen des elektronischen Chips, des elektroakustischen Wandlers und gegebenenfalls auch der elektronischen Elemente ausgelegt sein. Beispielsweise kann eine derartige Abdeckung aus einem Metall hergestellt sein oder kann mit einer metallischen Beschichtung versehen werden, um so als Abschirmung zu funktionieren, um zu verhindern, dass elektromagnetische Strahlung aus der Umgebung auf Komponenten innerhalb der Abdeckung-Substrat-Anordnung einwirkt, wodurch die Leistung der elektronischen Vorrichtung weiter verbessert wird.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine akustische Abdichtung auf, die eingerichtet ist, ein Lecken akustischer Wellen in einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der Abdeckung zu verhindern (siehe beispielsweise 1). Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein Lecken akustischer Wellen in einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und dem Substrat durch eine derartige akustische Abdichtung unterdrückt werden. Eine derartige akustische Abdichtung (die aus einem oder mehreren getrennten akustischen Abdichtungselementen hergestellt sein kann) kann vorteilhaft sein, um den akustischen Ausbreitungsweg auf eine gewünschte Bahn zu begrenzen und zu definieren. Daher kann die Transmission der akustischen Wellen in unerwünschte Sektionen der elektronischen Vorrichtung verhindert werden, und die Ausbreitung der akustischen Wellen zu einem gewünschten Ort kann gefördert werden. Eine derartige akustische Abdichtung kann durch einen annularen Ring aus Löt- oder Haftmaterial gebildet werden, oder durch einen Kautschukring oder dgl. Insbesondere ist eine akustische Abdichtung in Bezug auf das Außengehäuse vorteilhaft.
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In einer Ausführungsform ist das Gehäuse selbst ausgelegt, wenigstens einen Teil des elektronischen Chips und des elektronischen Elements in Bezug auf eine Umgebung elektromagnetisch abzuschirmen. Beispielsweise kann das Außengehäuse wenigstens teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein. Durch das Bereitstellen des Außengehäuses aus einem metallischen Material oder durch das Überziehen beispielsweise eines Kunststoffgehäuses mit einer Metallisierungsschicht kann die Ausbreitung unerwünschter elektromagnetischer Strahlung von einem Äußeren der Vorrichtung in die inneren Komponenten unterdrückt werden, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis der Anordnung des elektroakustischen Wandlers-elektronischen Chips sowie die Leistung der anderen elektronischen Elemente weiter erhöht werden, die auch für eine solche elektromagnetische Strahlung empfindlich sein können.
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In einer Ausführungsform ist der elektroakustische Wandler als Mikrofon ausgelegt, um ein akustisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Die Implementation des elektroakustischen Wandlers als Mikrofon ist besonders vorteilhaft, da viele elektronische Einrichtungen einen oder mehrere solcher elektroakustischen Wandler eines Mikrofontyps erfordern. Beispielsweise kann ein Smartphone ein erstes Mikrofon zum Detektieren von Sprache, ein zweites Mikrofon zum Detektieren umgebender akustischer Wellen beispielsweise hinsichtlich des Auffangens von Videos mit Audio-Inhalt, und ein drittes Mikrofon zum Detektieren eines Rauschens aufweisen (beispielsweise für Zwecke der Rauschunterdrückung oder -eliminierung oder dgl.). In einer alternativen Ausführungsform ist der elektroakustische Wandler als Lautsprecher ausgelegt, um ein elektrisches Signal in ein akustisches Signal umzuwandeln. Solche Ausführungsformen können zusätzlich oder alternativ dazu einen oder mehrere Lautsprecher mit der wie oben beschriebenen Auslegung aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist der elektroakustische Wandler ein mikroelektromechanisches System (MEMS). In einer solchen Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, dass eine Stützstruktur (insbesondere als hohles Rohr oder Ring geformt) für Polysilicium-Membranen aus kristallinem Silicium gebildet wird. Metallische Elektroden können mit den Membranen so verbunden sein, dass eine gegenseitige Bewegung der Membranen ansprechend auf zu detektierenden Ton eine Änderung der Kapazität der beschriebenen Struktur verursacht, die über die Elektroden elektrisch detektierbar ist. Andere Ausbildungen des elektroakustischen Wandlers können jedoch auch gemäß anderen beispielhaften Ausführungsformen implementiert werden, beispielsweise unter Verwendung eines piezoelektrischen Mikrofons. Die Dicke der Membranen kann weniger als 1 µm betragen, beispielsweise kann sie 300 nm oder 800 nm sein. Die Elektroden können aus Gold hergestellt sein. Eine Höhe des elektroakustischen Wandlers kann weniger als 1 mm betragen, beispielsweise nicht mehr als 800 µm. Luftkanäle in den Membranen können einen bestimmten Druckausgleich zwischen den Zwischenräumen auf beiden gegenüberliegenden Seiten der Membranen bereitstellen. Das Bereitstellen von Luftkanälen in den Membranen schützt die Membranen gegen Schäden in der Anwesenheit von Druckveränderungen, beispielsweise Veränderungen des externen Atmosphärendrucks. Ferner kann ein Haftmittel, das zum Verbinden des elektroakustischen Wandlers mit dem Substrat verwendet werden kann, Gase generieren, die aus dem Rückvolumen über die Luftkanäle abgeführt werden können.
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In einer Ausführungsform ist der elektronische Chip (der allgemeiner als Logikchip bezeichnet werden kann) ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC). Eine derartige ASIC kann einen Logikschaltungsaufbau aufweisen, der die Aufgaben der Verarbeitung des vom elektroakustischen Wandler empfangenen Signals erfüllen kann, wie eine Signalverstärkung, ein Signalfiltern (beispielsweise Frequenzfiltern) und/oder ein Umwandeln eines Analogsignals in ein Digitalsignal (wobei daher beispielsweise auch eine Analog-Digital-Umwandlungsfunktionalität vorgesehen wird). Daher kann eine beliebige gewünschte Weise der Signalverarbeitung von der ASIC vorgenommen werden. Im Fall der Auslegung des elektroakustischen Wandlers als Lautsprecher kann die ASIC Funktionen bereitstellen wie eine Digital-Analog-Wandlung oder andere Vorverarbeitungsaufgaben, wodurch die Emission akustischer Wellen durch den elektroakustischen Wandler effizient und präzise wird.
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In einer Ausführungsform ist das wenigstens eine elektronische Element mit dem elektronischen Chip elektrisch gekoppelt. In einer solchen Ausführungsform können das elektronische Element und der elektronische Chip eine zusammenwirkende Funktion bereitstellen. Beispielsweise kann das akustische Signal, das vom elektroakustischen Wandler detektiert und vom elektronischen Chip vorverarbeitet wird, dem elektronischen Element zur weiteren Verwendung oder weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Beispielsweise kann, im Kontakt eines Spracherkennungssystems, das weitere elektronische Element den Inhalt des detektierten akustischen Signals verwenden, um einen bestimmten Benutzerbefehl auszuführen. Allgemeiner können der elektronische Chip und das elektronische Element daher eine kooperierende Funktion haben.
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In einer Ausführungsform ist die Abdeckung ausgelegt, wenigstens einen Teil des elektronischen Chips und des elektronischen Elements in Bezug auf eine Umgebung elektromagnetisch abzuschirmen (siehe beispielsweise 1). Beispielsweise kann die Abdeckung wenigstens teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein. So kann die Abdeckung nicht nur zur Abgrenzung des ausreichend großen Rückvolumens verwendet werden, sondern auch zum Abschirmen elektromagnetischer Streustrahlung aus einer Umgebung, was die Funktion des elektronischen Chips und/oder des bzw. der elektronischen Elements bzw. Elemente negativ beeinflussen kann.
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In einer Ausführungsform ist das Durchgangsloch in der Abdeckung (siehe beispielsweise 7) und/oder im Substrat (siehe beispielsweise 1) gebildet. Es kann zweckmäßig oder erforderlich sein, dass ein Zugang des externen akustischen Signals zum elektroakustischen Wandler über das Durchgangsloch vorgenommen wird. In einer Ausführungsform kann das Durchgangsloch im Substrat gebildet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann es in der Abdeckung gebildet sein. In noch einer weiteren Ausführungsform kann mehr als ein Durchgangsloch gebildet werden, wenigstens eines in der Abdeckung und wenigstens eines im Substrat. Akustische Wellen, die sich durch das Durchgangsloch ausbreiten, können direkt auf den Membranen des elektroakustischen Wandlers auftreffen, der daher in direkter akustische Kopplung mit dem Durchgangsloch stehen kann. Beispielsweise kann eine rohrförmige Stützstruktur des elektroakustischen Wandlers auf dem Durchgangsloch montiert sein, so dass sich die akustischen Wellen durch das Durchgangsloch, durch ein Durchgangsloch in der Stützstruktur und von dort zu einer Unterseite der Membranauslegung des elektroakustischen Wandlers ausbreiten können.
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In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung eine weitere Abdeckung (wie einen weiteren Deckel) auf, die wenigstens einen Teil des wenigstens einen weiteren elektronischen Elements abdeckt, jedoch nicht den elektroakustischen Wandler und nicht den elektronischen Chip (siehe beispielsweise 6). So kann, beispielsweise um Aufgaben zum Abschirmen spezifischer elektromagnetischer Strahlung vorzunehmen, die weitere Abdeckung nur einen Teil der oder alle elektronischen Elemente abdecken, jedoch nicht den elektroakustischen Wandler und verbundenen elektronischen Chip. In einer solchen Ausführungsform kann eine externe Abdeckung (oder ein Gehäuse) den elektroakustischen Wandler, elektronischen Chip, und – indirekt über die zusätzliche Abdeckung – die elektronischen Elemente weiter abdecken, wodurch gleichzeitig ein hohes Rückvolumen sichergestellt wird.
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In einer Ausführungsform bildet eine Außenfläche der Abdeckung (die hier als Gehäuse ausgelegt sein kann) wenigstens teilweise eine Außen- (oder externe) fläche der Vorrichtung (siehe beispielsweise 5). Mit anderen Worten kann die Abdeckung teilweise oder gänzlich das am weitesten außen liegende Gehäuse der elektronischen Vorrichtung bilden. Dies macht das Rückvolumen extrem hoch und die zusätzliche Mühe, das Rückvolumen abzugrenzen, extrem gering.
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In einer Ausführungsform ist der elektronischen Chip am Substrat montiert (siehe beispielsweise 1). Beispielsweise kann der elektronische Chip nahe beim elektroakustischen Wandler auf einem Substrat, wie einer Leiterplatte, montiert sein. In einer alternativen Ausführungsform ist der elektronische Chip an anderer Stelle innerhalb der Abdeckung-Substrat-Anordnung montiert oder liegt neben dem einen oder mehreren Durchgangslöchern.
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In einer Ausführungsform weist der elektroakustische Wandler zwei Membranen mit zwei Innenflächen auf, die einander zugewandt sind, und zwei Außenflächen, die jeweils ihrer jeweils zugeordneten Innenfläche gegenüberliegen. Eine erste Außenfläche dieses Paars von Membranen des elektroakustischen Wandlers ist dem Durchgangsloch zugewandt, und eine gegenüberliegende zweite Außenfläche des Paars von Membranen liegt dem Durchgangsloch gegenüber und ist mit einer Innenfläche der Abdeckung direkt akustisch gekoppelt, die das Rückvolumen abgrenzt und wenigstens teilweise, zusammen mit dem Substrat, den elektronischen Chip und das wenigstens eine elektronische Element teilweise umgibt. In einer solchen Ausführungsform breiten sich die akustischen Wellen zur ersten Außenfläche einer ersten der Membranen aus und bewirken, dass sich die Membranen bewegen. Eine gegenüberliegende Fläche der anderen Membran, die zum Rückvolumen ausgerichtet ist, bewegt sich dann in das Rückvolumen, wo, angesichts der großen Abmessung des Rückvolumens, die Verschiebung des Gases darin eine einfache Aufgabe für die Membranen ist, die mit einer niedrigen akustischen Impedanz vorgenommen werden kann. Diese Bewegung wird eine Änderung eines Kapazitätswerts der Membranstruktur bewirken, die durch zwei Elektroden, die lateral mit den Membranen verbunden sind, elektrisch detektiert werden kann.
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In einer Ausführungsform arbeiten die elektroakustischen Wandler mit akustischen Wellen bei Membranoszillationsfrequenzen, die signifikant niedriger sind als die Resonanzfrequenz der Membranen. Dies verhindert zu starke Verlängerungen der Membran, welche die Membran beeinträchtigen oder sogar beschädigen könnten.
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In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung ausgelegt als eines von der Gruppe bestehend aus einer tragbaren Vorrichtung, einer Hand-Vorrichtung, einer Benutzerausrüstung, einer Multimedia-Vorrichtung, einem Mobiltelefon, einem Smartphone, einem Tablet-Computer, einem Laptop, einer Digicam und einem Personal Digital Assistant. Beispielhafte Ausführungsformen können insbesondere mit einer beliebigen Art von Hand-Vorrichtungen implementiert werden, können jedoch auch bei anderen elektronischen Vorrichtungen wie Monitoren oder TV-Geräten angewendet werden.
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Eine weitere beispielhafte Ausführungsform sieht eine elektronische Vorrichtung vor, aufweisend:
- • ein Substrat;
- • eine Abdeckung, die auf dem Substrat angeordnet ist und zusammen mit dem Substrat einen Hohlraum mit einem Durchgangsloch bildet;
- • einen elektroakustischen Wandler, der auf dem Substrat in dem Hohlraum so angeordnet ist, dass der Hohlraum ein Rückvolumen des elektroakustischen Wandlers bildet, und dass ein Vordervolumen des elektroakustischen Wandlers mit einem Äußeren des Hohlraums über das Durchgangsloch akustisch gekoppelt ist;
- • einen elektronischen Chip, der im Hohlraum montiert ist und mit dem elektroakustischen Wandler elektrisch gekoppelt ist; und
- • wenigstens ein elektronisches Element, das im Hohlraum montiert ist und für das Bereitstellen einer elektronischen Funktion ausgelegt ist.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigeschlossenen Ansprüchen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor, in denen ähnliche Teile oder Elemente durch ähnliche Bezugszahlen bezeichnet sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die beiliegenden Zeichnungen, die eingeschlossen sind, um ein weiteres Verständnis beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung vorzusehen, und einen Teil der Beschreibung bilden, veranschaulichen beispielhafte Ausführungsform der Erfindung.
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In den Zeichnungen:
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veranschaulicht 1 einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, in der ein schalenförmiger Deckel innerhalb eines Außengehäuses, zusammen mit einer gedruckte Leiterplatte, auf der ein elektroakustischer Wandler und weitere elektronische Elemente montiert sind, ein Rückvolumen für den elektroakustischen Wandler bildet;
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zeigt 2 eine dreidimensionale Ansicht eines elektroakustischen Wandlers mit einem zugeordneten elektronischen Chip (nicht gezeigt) zur Verwendung mit einer elektronischen Vorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
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zeigt 3 eine Seitenansicht der Anordnung des elektroakustischen Wandlers-elektronischen Chips von 2;
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zeigt 4 eine elektronischen Vorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, die 1 ähnlich ist, bei der jedoch die Anordnung des elektroakustischen Wandlers-elektronischen Chips von 2 und 3 implementiert ist;
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veranschaulicht 5 eine elektronische Vorrichtung gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, in der ein Rückvolumen eines elektroakustischen Wandlers durch eine Hauptplatine in Kombination mit einem Teil eines Außengehäuses der elektronischen Vorrichtung abgegrenzt wird, wobei der Teil eine Abdeckung bildet;
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veranschaulicht 6 eine elektronische Vorrichtung gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, in der ein Rückvolumen eines elektroakustischen Wandlers durch eine Hauptplatine in Kombination mit einem Teil eines Außengehäuses der elektronischen Vorrichtung abgegrenzt wird, welcher Teil eine Abdeckung bildet, wobei der elektroakustische Wandler zusammen mit einem zugeordneten elektronischen Chip zusätzlich durch eine weitere Abdeckung mit einem weiteren Durchgangsloch abgedeckt ist;
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zeigt 7 einen Querschnitt einer elektronischen Vorrichtung gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, in der, verglichen mit 6, getrennte Deckel für die Anordnung des elektroakustischen Wandlers-elektronischen Chips und für weitere elektronische Elemente mit einem gemeinsamen Deckel kombiniert sind.
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Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
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Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch und maßstabgetreu.
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Im Folgenden wird, mit Bezugnahme auf 1, eine elektronische Vorrichtung 100, die eine Multimedia-Vorrichtung sein kann wie ein Smartphone, gemäß einer beispielhaften Ausführungsform erläutert.
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Die elektronische Vorrichtung 100 weist ein erstes Substrat 102 auf, das als gedruckte Leiterplatte (PCB) verkörpert ist, auf der verschiedene der elektronischen Komponente der elektronischen Vorrichtung 100 montiert sind. Das erste Substrat 102 ist, seinerseits, auf einem zweiten Substrat 130 montiert, das, in der vorliegenden Ausführungsform, auch als gedruckte Leiterplatte ausgeführt ist und eine Hauptplatine der elektronischen Vorrichtung 100 bildet.
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Ein Deckel 104, als Beispiel für eine Abdeckung, die zur Abgrenzung eines Rückvolumens für ein Mikrofon beiträgt (siehe nachstehende Beschreibung), aus einem metallischen Material ist in Umfangsrichtung auf dem ersten Substrat 102 angebracht und mit diesem verbunden, und deckt daher einen Teil des ersten Substrats 102 auf einer seiner Hauptflächen 106 ab. Eine gegenüberliegende andere Hauptfläche des ersten Substrats 102 ist mit der Bezugszahl 140 bezeichnet und ist mit dem zweiten Substrat 130 elektrisch und mechanisch verbunden. Daher wird eine Deckel-Substrat-Anordnung durch den Deckel 104 und durch einen Teil des ersten Substrats 100 gebildet, welche Deckel-Substrat-Anordnung einen Hohlraum 108 umschließt. Die Deckel-Substrat-Anordnung weist ein Durchgangsloch 110 auf, das im ersten Substrat 102 gebildet ist.
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Die elektronische Vorrichtung 100 weist ferner einen elektroakustischen Wandler 112 auf, der als Silicium-MEMS-Mikrofon ausgeführt ist. Der elektroakustische Wandler 112 hat zwei Membranen 142 (Details nicht gezeigt), die bewegbar auf einem rohrförmigen Stützkörper 144 montiert sind, und ist ausgelegt, akustische Wellen zu empfangen, die sich von einer Umgebung durch ein externes Durchgangsloch 122, das in einem Außengehäuse 120 gebildet ist, durch ein Hauptplatinen-Durchgangsloch 114, das im zweiten Substrat 130 gebildet ist, und durch das Durchgangsloch 110 im ersten Substrat 102 zum Paar von Membranen des elektroakustischen Wandlers 112 ausbreiten. Zwischen zwei Elektroden (nicht gezeigt), die mit den Membranen verbunden sind, kann ein elektrisches Signal detektiert werden, das den Inhalt der abzufangenden Schallwellen anzeigt. Dieses elektrische Signal kann als Ergebnis einer Kapazitätsänderung zwischen den beiden Elektrode detektiert werden, die an lateralen Abschnitten der Membranen des elektroakustischen Wandlers 112 angeschlossen sind, und kann, über eine Kabelverbindung 132, einem elektronischen Chip 116 zugeführt werden. Der elektronische Chip 116 ist als ASIC ausgeführt und dient als Logikchip zum Verstärken, Filtern und Digitalisieren des elektrischen Signals, d.h. zum weiteren Verarbeiten des elektrischen Signals. So ist das elektrische Signal, das vom elektronischen Chip 116 verarbeitet wird, der als Halbleiterchip mit darin integrierten Schaltungskomponenten ausgebildet ist, ein elektronischer Fingerabdruck des vom elektroakustischen Wandler 112 detektierten akustischen Signals.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der elektroakustische Wandler 112 auf dem ersten Substrat 102 innerhalb des Hohlraums 108 in einer solchen Weise montiert, dass der Hohlraum 108 das Rückvolumen des elektroakustischen Wandlers 112 bildet. Dies wird erzielt, indem die Membranen des elektroakustischen Wandlers 112 mit einer Außenfläche angeordnet werden, die den Durchgangslöchern 110, 114, 122 zugewandt ist, und die andere Außenfläche zur Anordnung des Deckels 104 und des ersten Substrats 100 ausgerichtet ist. Die beiden Innenflächen der Membranen sind nahe beieinander angeordnet. Da sich die Membranen des elektroakustischen Wandlers 112 zwischen dem Luftvolumen in Bezug auf die Durchgangslöcher 110, 114, 122 einerseits und dem Hohlraum 108 andererseits bewegen (beispielsweise oszillieren) können, sieht dies eine akustische Kopplung zwischen diesen beiden Volumenbereichen vor. Obwohl in der Figur nicht gezeigt, können die Membranen des elektroakustischen Wandlers 112 gegebenenfalls sehr kleine Luftkanäle für einen Druckausgleich zwischen Luft innerhalb des Hohlraums 108 einerseits und der Außenatmosphäre, die das Gehäuse 120 umgibt, umfassen und sind mit dem elektroakustischen Wandler 112 über die Durchgangslöcher 110, 114, 122 akustisch gekoppelt.
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Nicht nur der elektroakustische Wandler 112, sondern auch der elektronische Chip 116, der den Logikchip für eine Zusammenarbeit mit dem elektroakustischen Wandler 112 bildet, ist innerhalb des Hohlraums 108 montiert, der vom ersten Substrat 102 und vom Deckel 104 abgegrenzt wird. Außerdem sind auch (in der gezeigten Ausführungsform drei) zusätzliche elektronische Elemente 118, die jeweils als weiterer Halbleiterchip verkörpert sind, auf dem ersten Substrat 102 innerhalb des Hohlraums 108 montiert, d.h. sie werden von demselben Deckel 104 abgedeckt wie der elektroakustische Wandler 112 und der elektronische Chip 116. Die elektronischen Elemente 118 sehen weitere elektronische Funktionen der elektronischen Vorrichtung 100 vor, wie eine GPS-Funktion, eine Frequenzfilterfunktion, eine Speicherfunktion, eine Controllerfunktion oder dgl.
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Die elektronische Vorrichtung 100 weist ferner das Außengehäuse 120 auf, das (mit Ausnahme des Gehäusedurchgangslochs 122 hermetisch) alle vorstehend beschriebenen Komponenten umschließt, insbesondere den Deckel 104 und das erste Substrat 102 sowie das zweite Substrat 130. Die Außenfläche des Gehäuses 120 sieht, entlang des gesamten Umfangs der elektronischen Vorrichtung 100, die äußerste Grenze der elektronischen Vorrichtung 100 vor. Die einzige akustische Grenzfläche zwischen dem Inneren des Gehäuses 120 und einer Außenatmosphäre 124 ist das externe Durchgangsloch 122.
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Die elektronische Vorrichtung 100 weist ferner eine akustische Abdichtung 126 auf, die ein Abdichtelement aufweist, das eingerichtet ist, einen Spalt zwischen dem zweiten Substrat 130 und dem ersten Substrat 102 zu überbrücken, um ein Lecken akustischer Wellen, die in die elektronische Vorrichtung 100 über das externe Durchgangsloch 122 und das Hauptplatinen-Durchgangsloch 114 eintreten, in einen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 120 und dem Deckel 104 zu verhindern. Die akustische Abdichtung 126 unterdrückt auch ein Lecken akustischer Wellen, die in die elektronische Vorrichtung 100 über das externe Durchgangsloch 122 eintreten, in einen Zwischenraum zwischen dem Außengehäuse 120 und dem zweiten Substrat 130. Zu diesem Zweck weist die akustische Abdichtung 126 auch ein Abdichtelement auf, das eingerichtet ist, das zweite Substrat 130 in Bezug auf das Gehäuse 120 zu überbrücken. In der gezeigten Ausführungsform ist die akustische Abdichtung 126 als zwei Kautschukringe, zwei Lötringe oder zwei Haftringe ausgelegt, wobei einer von diesen zwischen dem zweiten Substrat 130 und dem ersten Substrat 102 angeordnet ist, und der andere zwischen dem zweiten Substrat 130 und dem Außengehäuse 120 angeordnet ist.
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In der gezeigten Auslegung ist der Deckel 104 aus einem metallischen Material zum Abschirmen elektromagnetischer Strahlung von einer Umgebung der elektronischen Vorrichtung 100 hergestellt. Eine solche Streustrahlung kann insbesondere die Funktion des elektroakustischen Wandlers 112, des elektronischen Chips 116 und der elektronischen Elemente 118 verschlechtern. In der gezeigten Ausführungsform erfüllt der Deckel 104 daher insbesondere zwei Funktionen: (1) Abschirmen elektromagnetischer Streustrahlung von Komponenten, die innerhalb der Substrat-Deckel-Anordnung angeordnet sind; (2) Bereitstellen eines ausgeprägten, großen Rückvolumens für den elektroakustischen Wandler 112, um seine Leistung hinsichtlich des Signal-Rausch-Verhältnisses zu fördern.
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So zeigt 1 eine Ausführungsform, in der die Integration eines Silicium-Mikrofons als elektromechanischer Wandler 112 sowie der verbundenen ASIC in Form des elektronischen Chips 116 in einem bestehenden Modul vorgenommen wird. So kann ein hohes Rückvolumen ohne die Notwendigkeit erhalten werden, zusätzliche Komponenten zu implementieren.
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Daher veranschaulicht 1 einen Querschnitt der elektronischen Vorrichtung 100, in welcher der schalenförmige Deckel 104 innerhalb des Außengehäuses 120, zusammen mit dem ersten Substrat 102, auf dem der elektroakustische Wandler 112 mit seinem elektronischen Chip 116 und die weiteren elektronischen Elemente 118 montiert sind, das Rückvolumen für den elektroakustischen Wandler 112 bildet.
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2 zeigt eine dreidimensionale Ansicht eines elektromechanischen Wandlers 112, der auch in einer elektronischen Vorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform implementiert sein kann. Der elektromechanische Wandler 112 ist hier als Hochintegrationsstruktur mit einer rohrförmigen Stützstruktur 144 ausgelegt, die ein Ring aus kristallinem Silicium sein kann. Oben auf dem Durchgangsloch der Stützstruktur 200 ist ein Paar von Membranen 142 mit einer Dicke im Bereich zwischen 100 nm und 1000 nm gebildet. Der elektronische Chip 116 ist in 2 nicht gezeigt und kann an einer geeigneten Position innerhalb der elektronischen Vorrichtung 100 montiert sein.
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3 zeigt eine Seitenansicht der Anordnung von 2, aus der die hohe Kompaktheit der Anordnung abgeleitet werden kann.
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4 zeigt nun eine elektronische Vorrichtung 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform, in welcher der elektromechanische Wandler 112 von 2 und 3 implementiert ist. Dies ist auch der Hauptunterschied im Vergleich zur Ausführungsform von 1. Obwohl in 4 nicht gezeigt, kann der elektronische Chip 116 an anderer Stelle innerhalb der Anordnung des Deckels 104-Substrats 102, 130 montiert sein oder neben einem der Durchgangslöcher 110, 114, 122 angeordnet sein. Die Ausführungsform von 4 ermöglicht die Verwendung von Silicium-Mikrofonen mit kleinstem Fingerabdruck mit höchster Leistung.
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5 veranschaulicht eine elektronische Vorrichtung 100 gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, die sich von der Ausführungsform in 1 insbesondere dadurch unterscheidet, dass der Deckel 104 nun nur die elektronischen Elemente 188 abdeckt, die auf dem ersten Substrat 102 montiert sind, wohingegen der elektroakustische Wandler 112 sowie der elektronische Chip 116 nun direkt auf dem zweiten Substrat 130 und außerhalb des Deckels 106 montiert sind. Das Rückvolumen, das zum Hohlraum 108 äquivalent ist, wird nun zwischen dem zweiten Substrat 130 einerseits und einer Abdeckung (siehe insbesondere einen oberen schalenförmigen Abschnitt des Außengehäuses 120 der elektronischen Vorrichtung 100) andererseits gebildet. Mit anderen Worten wird eine Abdeckung-Substrat-Anordnung, gemäß 5, durch einen oberen Abschnitt des Außengehäuses 120 und durch das zweite Substrat 130 gebildet.
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So kann in der Ausführungsform von 5 das gesamte Vorrichtungsgehäuse in Form des Außengehäuses 120 zur Abgrenzung des Rückvolumens verwendet werden. So kann ein ultrahohes Rückvolumen erhalten werden.
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Eine akustische Abdichtung 126 kann zwischen dem Außengehäuse 120 und dem zweiten Substrat 130 in Form der Hauptplatine gebildet werden. Die elektromagnetische Abschirmfunktion, um die elektronischen Elemente 118 gegen eine Streustrahlung zu schützen, kann durch den Deckel 104, der die elektronischen Elemente 118 umschließt, und durch das Außengehäuse 120 insbesondere in Bezug auf den elektroakustischen Wandler 112 und elektronischen Chip 116 vorgesehen werden. Zu diesem Zweck ist es beispielsweise möglich, die Oberfläche des Gehäuses 120 (beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt) mit einem metallischen Material zu überziehen, oder das gesamte Außengehäuse 120 aus einem Metall zu bilden. Außerdem kann ein Abschirmen des elektroakustischen Wandlers 112 und des elektronischen Chips 116 gegen die elektronischen Elemente 118, und umgekehrt, auch durch den Deckel 104 vorgesehen werden.
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Abschließend veranschaulicht 5 die elektronische Vorrichtung 100, in der das Rückvolumen des elektroakustischen Wandlers 112 von der Hauptplatine in Kombination mit einem Teil des Außengehäuses 120 der elektronischen Vorrichtung 100 abgegrenzt wird, wobei der letztere Teil eine Abdeckung bildet, die zur Abgrenzung eines Rückvolumens für ein Mikrofon beiträgt.
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Während 5 eine Chip-auf-Platine-Anordnung des MEMS-Chips und der ASIC zeigt, ist es natürlich auch möglich, die Ausführungsform von 5 mit einem MEMS-Mikrofonsystem des wie in 2 bis 4 gezeigten Typs auszulegen.
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6 veranschaulicht eine elektronische Vorrichtung 100 gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform. In dieser Ausführungsform ist, im Vergleich zu 5, ein getrennter zweiter Deckel 600 vorgesehen, wobei der vorstehend angegebene erste Deckel 104 den elektroakustischen Wandler 112 und den elektronischen Chip 116 abdeckt, während der zweite Deckel 600 die elektronischen Elemente 118 hermetisch abdeckt. In einer solchen Ausführungsform kann die elektromagnetische Abschirmung für die Komponenten durch die Deckel 104, 600 realisiert werden, so dass das Außengehäuse 120 (das in dieser Ausführungsform zur Abgrenzung des Rückvolumens dient) beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein kann, so dass der Ausbildungsspielraum in Bezug auf das Gehäuse 120 erhöht wird. 6 ist ein weiteres Beispiel für die Verwendung der gesamten Vorrichtungshülle oder des Gehäuses 120, dass es zum Hohlraum 108 oder Rückvolumen beiträgt, und zeigt ein Beispiel eines Top-Port-Silicium-Mikrofons als elektroakustischen Wandler 112. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass ein hohes Rückvolumen mit einer Top-Port-Auslegung erhalten werden kann.
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6 veranschaulicht so die elektronische Vorrichtung 100, in der das Rückvolumen des elektroakustischen Wandlers 112 durch das zweite Substrat 130 oder die Hauptplatine in Kombination mit einem unteren Teil des Außengehäuses 120 der elektronischen Vorrichtung 100 abgegrenzt wird, wobei dieser schalenförmige Teil ein deckelähnliches Element bildet.
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In der Ausführungsform von 6 sieht das Hauptplatinen-Durchgangsloch 114 eine akustische Kommunikation zwischen dem elektroakustischen Wandler 112 und dem Hohlraum 108 vor. Das externe Durchgangsloch 122 in Kombination mit einem Deckel-Durchgangsloch 602 sieht einen Zugang von Schallwellen aus einer externen Atmosphäre 124 zum elektroakustischen Wandler 112 vor.
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7 zeigt eine elektronische Vorrichtung 100 gemäß noch einer weiteren beispielhaften Ausführungsform. Die Ausführungsform von 7 unterschiedet sich von der Ausführungsform in 6 dadurch, dass nun ein gemeinsamer Deckel 104 (anstelle von zwei Deckeln 104, 600 wie in 6) sowohl für den elektroakustischen Wandler 112 mit dem verbundenen elektronischen Chip 116, als auch die elektronischen Elemente 118 vorgesehen ist. So kann ein hohes hinteres Rückvolumen ohne die Notwendigkeit erhalten werden, zusätzliche Komponente vorzusehen, da die Integration in einem abgeschirmten Modul möglich ist. Keine zusätzliche Abschirmung wird benötigt. Das Rückvolumen ist in dieser Ausführungsform extrem hoch.
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7 zeigt daher einen Querschnitt der elektronischen Vorrichtung 100, in der, verglichen mit 6, getrennte Deckel 104, 600 für die Anordnung des elektroakustischen Wandlers 112-elektronischen Chips 116 und für weitere elektronische Elemente 118 zu einem gemeinsamen Deckel 104 kombiniert werden.
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Es ist zu beachten, dass der Ausdruck „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Merkmale ausschließt, und dass „ein“ oder „eine“ keine Vielzahl ausschließt. Auch können Elemente, die im Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsformen beschrieben werden, kombiniert werden. Es ist auch zu beachten, dass Bezugszeichen nicht so auszulegen sind, dass sie den Umfang der Ansprüche einschränken. Außerdem soll der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die besonderen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, Mittel, Verfahren und Schritte eingeschränkt sein, die in dieser Spezifikation beschrieben werden. Demgemäß sollen die beigeschlossenen Ansprüche innerhalb ihres Umfangs solche Prozesse, Maschinen, Herstellungweisen, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte umfassen.
