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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement, in dessen Schichtaufbau mindestens ein schalldruckempfindliches Membranelement ausgebildet ist, das eine Öffnung im Schichtaufbau überspannt, wobei das Membranelement über mindestens ein Säulenelement im Mittelbereich der Öffnung an den Schichtaufbau des Bauelements angebunden ist.
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Ein derartiges MEMS-Mikrofonbauelement wird in der
WO 2008/103672 A2 beschrieben. Die Signalerfassung erfolgt hier kapazitiv mit Hilfe einer Kondensatoranordnung, deren Elektroden einerseits auf dem beweglichen Membranelement und andererseits auf einem feststehenden Gegenelement der Mikrofonstruktur angeordnet sind. Die Mikrofonstruktur ist in einem Schichtaufbau auf einem Grundsubstrat realisiert, so dass das Membranelement und das Gegenelement übereinander und voneinander beabstandet angeordnet sind. Das Membranelement erstreckt sich über eine Öffnung in der Substratrückseite. Es ist lediglich mit dem Gegenelement verbunden, und zwar durch ein mittig angeordnetes Säulenelement. Der äußere Rand des Membranelements ist nicht in den Schichtaufbau eingebunden, so dass sich intrinsische mechanische Spannungen im Membranelement über den freien Membranrand abbauen können.
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Das bekannte kapazitive MEMS-Mikrofonbauelement zeichnet sich zwar durch eine sehr gute Mikrofonperformance aus, insbesondere im Hinblick auf den Signal-Rausch-Abstand SNR (signal to noise ratio), dafür ist der Stromverbrauch bei kapazitiver Signalerfassung relativ hoch und zu hoch für einen „always-on“-Betrieb.
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In der
US 2014/0084395 A1 wird ein MEMS-Mikrofonbauelement mit einem schalldruckempfindlichen Membranelement beschrieben, das eine Öffnung oder Kaverne im Schichtaufbau überspannt und dessen äußerer Rand umlaufend an den Schichtaufbau des Bauelements angebunden ist. Die Auslenkungen des Membranelements werden hier mit Hilfe mindestens eines piezosensitiven Schaltungselements erfasst, das im Randbereich des Membranelements, d.h. im Bereich der Anbindung des Membranelements an den Schichtaufbau, angeordnet ist.
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Ein Vorteil von piezosensitiven MEMS-Mikrofonbauelementen gegenüber kapazitiven MEMS-Mikrofonbauelementen ist, dass sie sehr einfach mit einer „wakeup“-Funktionalität ausgestattet werden können. Sie können also sehr einfach so konzipiert werden, dass sie nur im Bedarfsfall Strom verbrauchen, also beispielsweise nur dann, wenn ein bestimmter Schallpegel überschritten wird. Dadurch ist der Stromverbrauch von piezosensitiven MEMS-Mikrofonen im „always-on“-Betriebsmodus deutlich geringer als der von kapazitiven MEMS-Mikrofonbauelementen.
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Allerdings treten bei umlaufend in den Schichtaufbau eingebundenen Membranelementen, wie im Fall des in der
US 2014/0084395 A1 beschriebenen MEMS-Mikrofonbauelements, häufig herstellungsbedingte und/oder temperaturbedingte mechanische Spannungen innerhalb der Membranstruktur auf, die sich aufgrund der umlaufenden Einbindung nicht abbauen können. Derartige intrinsische mechanische Spannungen wirken sich besonders nachteilig auf die Performance von piezosensitiven MEMS-Mikrofonen aus, da sie das Messsignal unmittelbar beeinflussen und verfälschen.
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Bauelementkonzept vorgeschlagen, mit dem sich MEMS-Mikrofonbauelemente mit einer sehr guten Mikrofonperformance und vergleichsweise geringem Stromverbrauch realisieren lassen.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Auslenkungen des Membranelements, das eine Öffnung im Schichtaufbau des Bauelements überspannt und über mindestens ein Säulenelement im Mittelbereich an den Schichtaufbau angebunden ist, mit Hilfe mindestens eines piezosensitiven Schaltungselements erfasst werden, das im Schichtaufbau des Membranelements realisiert ist und im Bereich der Anbindung des Membranelements an das Säulenelement angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass sich eine mittig aufgehängte Membranstruktur mit freiem Membranrand besonders gut für eine piezosensitive Signalerfassung eignet, da intrinsischer Stress als Fehlerquelle weitestgehend ausgeschlossen werden kann. Des Weiteren ist erkannt worden, dass eine mittige Aufhängung der Membranstruktur bei piezosensitiver Signalerfassung dazu beiträgt, das Messsignal zu verstärken bzw. die Messempfindlichkeit zu erhöhen. Der Signalpegel des Messsignals ist nämlich umso höher, je größer die mechanischen Spannungen am Ort des piezosensitiven Schaltungselements sind. Bei einer mittigen Aufhängung der Membranstruktur konzentrieren sich die mechanischen Spannungen, die bei einer schalldruckbedingten Auslenkung in der Membranstruktur auftreten, auf einen relativ kleinen Flächenbereich in der Umgebung der mittigen Aufhängung. Im Unterschied dazu verteilen sich die mechanischen Spannungen bei einer umlaufenden Anbindung der Membranstruktur über den gesamten Membranrand, also einen deutlich größeren Flächenbereich, so dass die mechanischen Spannungen hier deutlich schwächer sind, als im Anbindungsbereich einer mittigen Membranaufhängung. Dementsprechend ist das Messsignal für einen gegebenen Schalldruck bei geeigneter Anordnung der piezosensitiven Schaltungselemente bei mittiger Membranaufhängung deutlich größer als bei einer umlaufenden Randanbindung.
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Grundsätzlich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten für die Umsetzung des erfindungsgemäßen Bauelementkonzepts, was Layout und Material der Membranstruktur und die Realisierung der piezosensitiven Schaltungselemente zur Signalerfassung sowie deren elektrische Anbindung betrifft. Aber auch im Hinblick auf die Begrenzung der Membranauslenkung und des Luftaustauschs zwischen den beiden Seiten der Membranstruktur gibt es verschiedene Ausgestaltungsmöglichkeiten. Dabei werden immer die Anwendung und der Einsatzort des MEMS-Bauelements sowie die Anforderungen an die Güte des Messsignals zu berücksichtigen sein.
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So kann die Membranstruktur eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements nur ein Membranelement umfassen, das sich allseitig bis an den Rand der Öffnung im Schichtaufbau oder auch darüber hinaus erstreckt. Es können aber auch mehrere Membranelemente vorgesehen sein, die zusammen eine Öffnung im Schichtaufbau des Bauelements überspannen. Diese Membranelemente können über ein gemeinsames Säulenelement an den Schichtaufbau angebunden sein, so dass sie jeweils paddelartig an einem Ende mit dem Säulenelement verbunden sind und sich von dort bis an den Rand der Öffnung im Schichtaufbau oder darüber hinaus erstrecken. Die Membranelemente können aber auch jeweils über ein eigenes Säulenelement an den Schichtaufbau angebunden sein und/oder eine eigene Teilöffnung überspannen.
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Das bzw. die Säulenelemente können zentrisch oder auch exzentrisch zur Membranfläche angeordnet sein. Das oder die Membranelemente können eine runde oder auch eine eckige Membranfläche abdecken. Sie können in einer einzigen Materialschicht des Schichtaufbaus realisiert sein oder auch in mehreren Schichten. Bei den piezosensitiven Schaltungselementen kann es sich um piezoelektrische Schaltungselemente handeln, die beispielsweise in Form von gedoptem oder ungedoptem Aluminiumnitrid AlN, Zinkoxid ZnO oder Blei-Zirkonat-Titanat PZT realisiert sind. Alternativ oder ergänzend dazu können auch piezoresistive Schaltungselemente zur Signalerfassung eingesetzt werden.
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Die elektrische Anbindung der piezosensitiven Schaltungselemente, die ja im Bereich der Anbindung des Membranelements an das Säulenelement angeordnet sind, erfolgt vorteilhafterweise über einen oder mehrere Durchkontakte im Säulenelement, da dies die einzige mechanische Verbindung oder doch zumindest die Hauptverbindung zum Schichtaufbau des Bauelements darstellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Membranrand nämlich nicht eingebunden. In diesem Fall besteht ein umlaufender Spalt zwischen dem mindestens einen Membranelement und dem Rand der Öffnung im Schichtaufbau.
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Für viele Anwendungen erweist es sich als vorteilhaft, wenn im Randbereich der Öffnung ein Überlastschutz für das mindestens eine Membranelement ausgebildet ist, der mit dem äußeren Rand des mindestens einen Membranelements zusammenwirkt. Dazu kann im Randbereich der Öffnung beispielsweise eine Nut ausgebildet sein, in die der äußere Rand des Membranelements hineinragt, so dass die Innenwandung der Nut als Anschlag für das Membranelement fungiert. Über die Abmessungen der Nut und die Ausformung des äußeren Membranrandes lässt sich auch das Dämpfungsverhalten des Membranelements gezielt beeinflussen, da so die Querschnittsfläche und Länge des Pfades, über den der Luftaustausch zwischen den beiden Seiten des Membranelements erfolgt, variiert werden können.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der äußere Rand des mindestens einen Membranelements über eine Federstruktur mit dem oberen Rand der Öffnung im Schichtaufbau verbunden. Diese Federstruktur sollte dann so ausgelegt sein, dass sie die Membranauslenkungen bei Schalldrücken bis zu einem vorgegebenen Pegel nicht behindert, bei höheren Belastungen aber als Überlastschutz fungiert. Das Dämpfungsverhalten des Membranelements kann hier über das Layout der Federstruktur beeinflusst werden, also über die Anzahl, Größe und Anordnung von Durchgangsöffnungen in der Federstruktur.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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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.
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1a zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite eines ersten erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements 10
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1b zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite dieses MEMS-Bauelements 10 und
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1c zeigt einen Schnitt durch den Aufbau des MEMS-Bauelements 10;
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2a zeigt eine Draufsicht auf die Oberseite eines zweiten erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements 20
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2b zeigt eine Draufsicht auf die Unterseite dieses MEMS-Bauelements 20,
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2c zeigt einen Schnitt durch den Aufbau des MEMS-Bauelements 20 entlang der Schnittebene A und
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2d zeigt einen Schnitt durch den Aufbau des MEMS-Bauelements 20 entlang der Schnittebene B;
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3a–3c zeigen drei unterschiedliche Membran-Layouts 301, 302 und 303; und
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4a–4c veranschaulichen drei unterschiedliche Ausgestaltungen des äußeren Membranrandes anhand von schematischen Schnittdarstellungen.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1a bis 1c zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel 10 für ein erfindungsgemäßes MEMS-Bauelement. Die Bauelementstruktur ist in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert, was hier allerdings nicht im Einzelnen dargestellt ist. Sie umfasst eine schalldruckempfindliche Membranstruktur 11, die hier aus vier trapezförmigen Membranelementen 111, 112, 113, 114 besteht. Diese sind so dimensioniert und angeordnet, dass sie zusammen eine rechteckige bzw. quadratische Öffnung 12 im Schichtaufbau überspannen, was insbesondere durch 1a veranschaulicht wird. Dazu sind die Membranelemente 111, 112, 113, 114 jeweils einseitig mit einem Säulenelement 13 verbunden, das in der Mitte der Öffnung 12 angeordnet ist und über eine Balkenstruktur 14 auf der Bauelementrückseite an den Schichtaufbau des Bauelements 10 angebunden ist. Die mittige Anordnung des Säulenelements 13 sowie die rückseitige Balkenstruktur 14 werden durch 1b veranschaulicht. Das Säulenelement 13 hat einen quadratischen Querschnitt. Die einzelnen Membranelemente 111, 112, 113, 114 ragen paddelartig von den vier Seiten des Säulenelements 13 ab und erstrecken sich jeweils bis zum gegenüberliegenden Rand der Öffnung 12. Im Randbereich der Öffnung 12 ist eine umlaufende Nut 15 ausgebildet, in die die freien Enden der Membranelemente 111, 112, 113, 114 hineinragen. Die Wandung der Nut bildet einen Anschlag für die Membranelemente 111, 112, 113, 114 und begrenzt so deren Auslenkung nach Art eines Überlastschutzes, was insbesondere durch 1c veranschaulicht wird.
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Erfindungsgemäß wird die Auslenkungen der Membranelemente 111, 112, 113, 114 jeweils mit Hilfe mindestens eines piezosensitiven Schaltungselements erfasst. Diese sind im Schichtaufbau der Membranstruktur realisiert und jeweils im Bereich der Anbindung des Membranelements 111, 112, 113, 114 an das Säulenelement 13 angeordnet. Zwar sind die piezosensitiven Schaltungselemente hier nicht im Einzelnen dargestellt, dafür aber deren elektrische Anbindung, die in Form von Durchkontakten 17 innerhalb des Säulenelements 13 und Leiterbahnen 18 realisiert ist, die zu Anschlusspads 1 auf der Bauelementrückseite geführt sind.
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Wie bereits erwähnt, besteht die Membranstruktur 11 im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 10 aus vier paddelartigen Membranelementen 111, 112, 113, 114, die gemeinsam eine Öffnung 12 in der Bauelementrückseite überspannen. Der Druckausgleich zwischen den beiden Seiten der Membranstruktur 11 findet zum einen über die Schlitze 19 zwischen den Membranelementen 111, 112, 113, 114 statt und zum anderen über die umlaufende Nut 15. Über die Öffnungsfläche der Schlitze 19 und der Nut 15 können der akustische Verlustwiderstand der Mikrofonstruktur und damit die Mikrofonempfindlichkeit gezielt beeinflusst werden.
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Auch bei dem in den 2a bis 2d dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel 20 eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements ist die Bauelementstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Halbleitersubstrat realisiert. Die schalldruckempfindliche Membranstruktur 21 umfasst ebenfalls vier trapezförmige Membranelemente 211, 212, 213, 214, die jeweils einseitig mit einem mittig angeordneten Säulenelement 23 verbunden sind. Dieses Säulenelement 23 hat ebenfalls einen quadratischen Querschnitt und jedes der Membranelemente 211, 212, 213, 214 ragt paddelartig von einer Seite des Säulenelements 23 ab. Im Unterschied zum MEMS-Bauelement 10 besteht die rückseitige Öffnung hier aber aus vier Teilöffnungen 221, 222, 223, 224, die durch Stege 29 voneinander getrennt sind. Jedes Membranelement 211, 212, 213, 214 überspannt eine dieser Teilöffnungen 221, 222, 223, 224, so dass es sich seitlich bis über die Stege 29 erstreckt und mit seinem freien Ende in eine Nut 25 im äußeren Randbereich der entsprechenden Teilöffnung 221, 222, 223 bzw. 224 ragt. Dies wird insbesondere durch die 2a und 2c veranschaulicht. Die Wandung dieser 25 Nut bildet einen Anschlag und Überlastschutz für das jeweilige Membranelemente 211, 212, 213, 214. 2d verdeutlicht, dass die Stege 29 zwischen den Teilöffnungen 221, 222, 223, 224 im Wesentlichen in der gesamten Dicke des Schichtaufbaus ausgebildet sind.
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Auch im Fall des MEMS-Bauelements 20 werden die Auslenkungen der Membranelemente 211, 212, 213, 214 mit Hilfe von piezosensitiven Schaltungselementen erfasst, die im Schichtaufbau der Membranstruktur realisiert sind und jeweils im Bereich der Anbindung an das Säulenelement 23 angeordnet sind. 2d zeigt, dass die elektrische Anbindung dieser Schaltungselemente über Leiterbahnen 28 auf den Stegen 29 erfolgt, die zu Anschlusspads 2 auf der Bauelementoberfläche geführt sind.
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Die 3a bis 3c verdeutlichen, dass sich im Rahmen des erfindungsgemäßen Bauelementkonzepts ganz unterschiedliche Membranformen realisieren lassen und dass auch die Position der mittigen Membranaufhängung variiert werden kann.
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So zeigt 3a ein kreisrundes geschlossenes Membranelement 33 das über ein zentral-mittig angeordnetes zylindrisches Säulenelement 33 an die Bauelementstruktur angebunden ist und eine rückseitige Öffnung 32 mit kreisrunder Öffnungsfläche überspannt, wobei der freie äußere Rand des Membranelements 33 den Öffnungsrand überlappt.
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Bei der in 3b dargestellten Variante ist im Schichtaufbau des Bauelements eine Öffnung 42 mit hexagonaler Öffnungsfläche ausgebildet. Zentral-mittig ist ein Säulenelement 43 mit hexagonalem Querschnitt angeordnet. An jeder Seite dieses Säulenelements 43 ist ein trapezförmiges Membranelement 41 angebunden, das sich paddelartig bis zum Öffnungsrand erstreckt, so dass die sechs durch Schlitze 44 getrennten Membranelemente 41 zusammen die hexagonale Öffnungsfläche überspannen.
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Die in 3c dargestellte Variante entspricht in der Membranform und rückseitiger Öffnung 52 der in 3a dargestellten Ausführungsform. Im Unterschied zu dieser ist das mittige Säulenelement 53 hier allerdings exzentrisch angeordnet. Dadurch können die mechanischen Spannungen in einzelnen Bereichen des kreisrunden geschlossenen Membranelements 51 bei gegebener Schalldruckbelastung weiter erhöht werden. Die asymmetrische Anordnung des Säulenelements 53 als Membranaufhängung/anbindung erzeugt nämlich eine Asymmetrie in den Moden der Membranstruktur. Da die druckbedingte Deformation der Membranstruktur der Form der ersten Eigenmode entspricht, kann das Bauelement durch eine geeignete Kombination von Größe und Position des Anbindungsbereichs, d.h. des Säulenelements 53, im Hinblick auf Empfindlichkeit, Bandbreite und Eingangskapazität des Auswerte-ASIC optimiert werden.
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Die 4a bis 4c veranschaulichen unterschiedliche Ausführungsformen eines Überlastschutzes für das Membranelement eines erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements und Maßnahmen zur gezielten Beeinflussung des akustischen Verlustwiderstandes der Mikrofonstruktur.
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Im Fall des in 4a dargestellten MEMS-Bauelements 60 ragt der freie Randbereich des mittig an einem Säulenelement 63 verankerten Membranelements 61 in eine umlaufende Nut 65 in der Wandung einer Öffnung 62 in der Bauelementrückseite. Die Nut 65 hat eine T-förmige Querschnittsfläche und verjüngt sich auf der dem Membranelement 61 zugewandten Seite.
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4b zeigt eine Weiterbildung der in 4a dargestellten Ausführungsform. Im Unterschied zu dem ebenen Membranrand des MEMS-Bauelements 60 schließt der Membranrand im Fall des MEMS-Bauelements 70 mit einem Steg 74 ab, der von beiden Oberflächen des Membranelements 71 abragt. Durch diesen Steg 74 wird der Strömungspfad innerhalb der Nut 75 zwischen den beiden Seiten des Membranelements 71 verlängert, wodurch sich der akustische Verlustwiderstand der Mikrofonstruktur vergrößert.
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Besonders groß ist der akustische Verlustwiderstand im Fall des in 4c dargestellten MEMS-Bauelements 80. Der äußere Rand des mittig verankerten Membranelements 81 ragt auch hier in eine umlaufende Nut 85 in der Wandung der rückseitigen Öffnung 82. Zusätzlich ist er über eine mehr oder weniger geschlossene Federstruktur 86 mit der Öffnungswandung verbunden. Diese Federstruktur 86 ist so ausgelegt, dass sie die Auslenkungen des Membranelements 81 bei normaler Schalldruckbelastung nicht behindert, jedoch eine Beschädigung des Membranelements 81 in Überlastsituationen verhindert. Der akustische Verlustwiderstand kann hier durch die Anzahl, Anordnung und Größe von Durchgangsöffnungen in der Federstruktur 86 gezielt beeinflusst werden.
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Abschließend sei in Verbindung mit den 4a bis 4c noch angemerkt, dass auch Ausführungsformen der Erfindung denkbar sind, bei denen nur Teilbereiche des Membranrandes bis in eine Nut in der Öffnungswandung hineinragen und/oder über eine Federstruktur an die Öffnungswandung angebunden sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/103672 A2 [0002]
- US 2014/0084395 A1 [0004, 0006]
