Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofon, insbesondere ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon (MEMS-Mikrofon).The present invention relates to a microphone, in particular a capacitive microsystem microphone (MEMS microphone).
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die 1 ist ein Diagramm, das schematisch den Aufbau eines herkömmlichen MEMS-Mikrofons zeigt (wobei MEMS als Abkürzung für Mikrosystem steht). Das herkömmliche Mikrosystem-Mikrofon 1 umfasst eine rückseitige Platte 2, eine Membran 3 und ein Abstandselement 4. Das Abstandselement 4 ist zwischen der rückseitigen Platte 2 und der Membran 3 angeordnet, wobei das Abstandselement 4 den Rand der Membran 3 abstützt und die Membran 3 von der rückseitigen Platte 2 trennt bzw. isoliert. Somit sind die rückseitige Platte 2 und die Membran 3 parallel zueinander angeordnet und diese bilden jeweils eine untere Elektrode und eine obere Elektrode eines Parallelplattenkondensators. Die rückseitige Platte 2 weist eine Mehrzahl von Luftlöchern 5 auf, die in Entsprechung zu der Membran 3 angeordnet sind, die rückseitige Platte 2 durchstoßen und mit einer rückseitigen Kammer 7 in Verbindung stehen, die auf einem Siliziumsubstrat 6 ausgebildet ist.The 1 Fig. 12 is a diagram schematically showing the structure of a conventional MEMS microphone (MEMS being an abbreviation for microsystem). The conventional microsystem microphone 1 includes a back plate 2 , a membrane 3 and a spacer 4 , The spacer element 4 is between the back plate 2 and the membrane 3 arranged, wherein the spacer element 4 the edge of the membrane 3 supports and the membrane 3 from the back plate 2 separates or isolates. Thus, the back plate 2 and the membrane 3 arranged parallel to each other and these each form a lower electrode and an upper electrode of a parallel plate capacitor. The back plate 2 has a plurality of air holes 5 on, which corresponds to the membrane 3 are arranged, the back plate 2 pierced and with a back chamber 7 communicating on a silicon substrate 6 is trained.
Das Anlegen einer Spannung an die rückseitige Platte 2 und die Membran 3 bewirkt, dass diese jeweils entgegengesetzte Ladungen tragen und eine Kondensatorstruktur ausbilden. Die Kondensatorgleichung, die einem Parallelplattenkondensator entspricht, lautet C = εA/d, wobei ε die Dielektrizitätskonstante ist, A die Überlappungsfläche der beiden Elektrodenplatten und d die Spaltbreite zwischen den beiden Kondensatorplatten. Entsprechend der Gleichung wird eine Änderung des Spalts zwischen den beiden Kondensatorplatten die Kapazität verändern. Wenn Schallwellen bewirken, dass die Membran 3 schwingt und sich verformt, wird der Abstand zwischen der rückseitigen Platte 2 und der Membran 3 variieren. Somit variiert auch die Kapazität, um in elektrische Signale umgewandelt und ausgegeben zu werden. Die gestörte bzw. komprimierte Luft zwischen der Membran 3 und der rückseitigen Platte 2 wird über die Luftlöcher 5 an die rückseitige Kammer 7 abgegeben, damit der plötzliche Druck nicht die Membran und die rückseitige Platte 2 beschädigt.Applying a voltage to the back plate 2 and the membrane 3 causes them each carry opposite charges and form a capacitor structure. The capacitor equation, which corresponds to a parallel plate capacitor, is C = εA / d, where ε is the dielectric constant, A is the overlap area of the two electrode plates, and d is the gap width between the two capacitor plates. According to the equation, a change in the gap between the two capacitor plates will change the capacitance. When sound waves cause the diaphragm 3 vibrates and deforms, the distance between the back plate becomes 2 and the membrane 3 vary. Thus, the capacitance also varies to be converted into electrical signals and output. The disturbed or compressed air between the membrane 3 and the back plate 2 gets over the air holes 5 to the back chamber 7 delivered so that the sudden pressure not the membrane and the back plate 2 damaged.
Die 2 ist eine Schnittansicht, die schematisch den Verpackungsaufbau eines herkömmlichen Mikrosystem-Mikrofons zeigt. Das herkömmliche Mikrosystem-Mikrofon 1 ist auf einer Basisplatte 8 aufgebaut und auf der Innenseite eines Halteraums verpackt bzw. eingehäust, der von einem Metallgehäuse 9 ausgebildet ist. Die Membran 3 und die rückseitige Platte 2 sind jeweils elektrisch leitend mit einem Wandlungschip 10 verbunden. Der Wandlungschip 10 wandelt die Änderung der Kapazität zwischen der rückseitigen Platte 2 und der Membran 3 in elektrische Signale zur Ausgabe um.The 2 Fig. 10 is a sectional view schematically showing the packaging structure of a conventional micro system microphone. The conventional microsystem microphone 1 is on a base plate 8th constructed and packaged on the inside of a holding space, that of a metal housing 9 is trained. The membrane 3 and the back plate 2 are each electrically conductive with a conversion chip 10 connected. The conversion chip 10 converts the change of capacity between the back plate 2 and the membrane 3 into electrical signals for output.
Bei den herkömmlichen Mikrosystem-Mikrofonen induziert ein Schalldruck eine Verformung der flexiblen Membran und verändert den Abstand zwischen der flexiblen Membran und der rückseitigen Platte, wodurch die Kapazität verändert wird. Die flexible Membran wird jedoch mittels eines Schichtabscheideverfahrens bei sehr hohen Temperaturen hergestellt. Weil unterschiedliche Materialien jeweils unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, bauen sich in der Membran Zug- oder Druckspannungen unterschiedlicher Größe auf. Eine Restspannung, die auf die Membran einwirkt, wird eine Verwellung oder Beulen der Membran bewirken und die Präzision des Detektionsvorgangs herabsetzen. Weil die Empfindlichkeit eines Mikrofons umgekehrt proportional zur Restspannung der Membran ist, führt eine höhere Restspannung außerdem zu einer geringeren Empfindlichkeit.In the conventional micro-system microphones, sound pressure induces deformation of the flexible membrane and changes the distance between the flexible membrane and the back plate, thereby changing the capacitance. However, the flexible membrane is made by a Schichtabscheideverfahrens at very high temperatures. Because different materials each have different thermal expansion coefficients, tensile or compressive stresses of different sizes build up in the membrane. A residual stress acting on the membrane will cause a swelling or dulling of the membrane and reduce the precision of the detection process. In addition, because the sensitivity of a microphone is inversely proportional to the residual stress of the membrane, a higher residual stress also results in lower sensitivity.
Das US-Patent Nr. 5,490,220 mit dem Titel „Festkörper-Kondensator und Mikrofoneinrichtungen” schlägt eine abgehängte Membran ohne eine konstante Rand- bzw. Grenzfläche vor, wobei ein Federbalken dazu verwendet wird, um die Membran abzustützen, so dass die Membran aufgehängt ist, um durch Temperatureffekte bewirkte Spannungen abzubauen. Ein weiteres US-Patent Nr. 5,870,482 mit dem Titel „Miniatur-Silizium-Kondensatormikrofon” entwickelt eine großflächige, plattenförmige Membran, von der nur eine Seite befestigt ist. Das US-Patent Nr. 7,023,066 mit dem Titel „Silizium-Mikrofon” schlägt eine spezielle Ausgestaltung des Rands der Membran vor, um das Problem von Restspannungen zu beheben, wobei beispielsweise tangentiale Haltefedern entlang des Rands der Membran vorgeschlagen werden. Egal, ob der Federbalken oder die tangentialen Haltefedern verwendet werden, um das Problem von Restspannungen zu beheben, ist die Auslegung und der Herstellungsprozess hierzu kompliziert und ist es kaum möglich, das Problem von Restspannungen vollständig zu beheben.The U.S. Patent No. 5,490,220 entitled "Solid State Capacitor and Microphone Devices" proposes a suspended membrane without a constant boundary surface, wherein a spring bar is used to support the membrane so that the membrane is suspended to relieve stresses caused by temperature effects. Another one U.S. Patent No. 5,870,482 entitled "Miniature Silicon Condenser Microphone" developed a large-area, plate-shaped membrane, of which only one side is attached. The U.S. Patent No. 7,023,066 entitled "Silicon Microphone" proposes a special design of the edge of the membrane to overcome the problem of residual stresses, for example, suggesting tangential retaining springs along the edge of the membrane. Whether the cantilever or the tangential retaining springs are used to solve the problem of residual stresses, the design and manufacturing process is complicated and it is hardly possible to completely eliminate the problem of residual stresses.
Außerdem kann bei den vorgenannten Techniken eine flexible Membran nicht immer parallel zu der rückseitigen Platte angeordnet werden, wenn diese verformt wird. Somit ist es schwierig, die Veränderung der Spaltbreite zwischen der Membran und der rückseitigen Platte abzuschätzen, und ist die Präzision nicht ausreichend. Außerdem ist die Empfindlichkeit eines Mikrofons proportional zu der Treiberspannung. Wenn eine hohe Spannung dazu verwendet wird, um die Empfindlichkeit eines Mikrofons zu verbessern, kann die herkömmliche flexible Membran kollabieren und an der rückseitigen Platte anliegen. In einem solchen Fall fällt das Mikrofon aus.In addition, in the aforementioned techniques, a flexible membrane can not always be arranged parallel to the back plate when it is deformed. Thus, it is difficult to estimate the change in the gap width between the diaphragm and the back plate, and the precision is insufficient. In addition, the sensitivity of a microphone is proportional to the drive voltage. If a high voltage is used to improve the sensitivity of a microphone, the conventional flexible membrane can Collapse and rest against the back plate. In such case, the microphone will fail.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die herkömmlichen Probleme von wärmebedingten Restspannungen und einer geringen Präzision zu beheben.An object of the present invention is to overcome the conventional problems of residual heat stress and low precision.
Um das vorgenannte Ziel zu erreichen, schlägt die vorliegende Erfindung ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon vor, das eine Basis, eine rückseitige Platte, ein Verankerungs- bzw. Befestigungselement und eine Membran umfasst. Die rückseitige Platte ist auf der Basis angeordnet und weist eine Mehrzahl von Luftlöchern auf. Die Basis weist eine rückseitige Kammer auf, die mit den Luftlöchern in Verbindung steht. Das Verankerungselement ist auf der Basis angeordnet und weist einen Abstützabschnitt auf. Der Abstützabschnitt stützt die Mitte der Membran ab um zu bewirken, dass die Membran parallel zu der rückseitigen Platte angeordnet ist. Auf diese Weise werden Spannungen, die auf die Membran einwirken, von dem Abstützabschnitt auswärts gerichtet abgeleitet.To achieve the aforementioned object, the present invention proposes a micro-system capacitive microphone comprising a base, a back plate, an anchoring element and a membrane. The back plate is disposed on the base and has a plurality of air holes. The base has a back chamber communicating with the air holes. The anchoring element is arranged on the base and has a support portion. The support portion supports the center of the diaphragm to cause the diaphragm to be parallel to the back plate. In this way, stresses acting on the membrane are dissipated outwardly from the support section.
Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung weiter ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon vor, das eine Basis, eine rückseitige Platte, ein elastisches Element und eine steife Membran aufweist. Die Basis weist eine darauf ausgebildete rückseitige Kammer auf. Die rückseitige Platte ist in der Basis angeordnet und weist eine Mehrzahl von Luftlöchern auf, die mit der rückseitigen Kammer in Verbindung stehen. Das elastische Element ist in der Basis angeordnet und die steife Membran ist auf dem elastischen Element und parallel zu der rückseitigen Platte angeordnet. Wenn eine Schallwelle auf die steife Membran einwirkt, bewirkt die Elastizität des elastischen Elements, dass sich die steife Membran parallel zur Normalen auf die rückseitige Platte bewegt.To achieve the above object, the present invention further proposes a micro-system capacitive microphone having a base, a back plate, an elastic member, and a rigid diaphragm. The base has a backside chamber formed thereon. The back plate is disposed in the base and has a plurality of air holes communicating with the back chamber. The elastic member is disposed in the base and the rigid membrane is disposed on the elastic member and parallel to the back plate. When a sound wave acts on the rigid membrane, the elasticity of the elastic element causes the rigid membrane to move parallel to the normal to the back plate.
Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Membran bei deren Mitte abgestützt ist. Somit werden Spannungen der Membran von deren Mitte nach auswärts gerichtet abgeleitet. Auf diese Weise werden die Probleme einer Verformung, von Beulen oder Rissen der Membran, hervorgerufen durch Spannungen, behoben. Oder das elastische Element bewirkt, dass sich die steife Membran während ihrer Bewegung vertikal und parallel zu der rückseitigen Platte bewegt. Auf diese Weise entspricht die Änderung der Kapazität zwischen der steifen Membran und der rückseitigen Platte nur dem dazwischen ausgebildeten Spalt. Somit ist die Präzision, Genauigkeit und Lebensdauer des Mikrofons erhöht.The capacitive microsystem microphone according to the present invention is characterized in that the membrane is supported at the center thereof. Thus, stresses of the membrane are directed directed from the center outward. In this way, the problems of deformation, dents or cracks of the membrane, caused by tensions, are eliminated. Or the elastic member causes the rigid membrane to move vertically and parallel to the back plate during its movement. In this way, the change in capacitance between the rigid diaphragm and the back plate corresponds only to the gap formed therebetween. Thus, the precision, accuracy and life of the microphone is increased.
Nachfolgend werden die Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben, um die vorliegende Erfindung darzulegen.Hereinafter, the embodiments will be described in detail to explain the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Die Ausführungsformen werden im Zusammenhang mit den nachfolgenden Zeichnungen beschrieben.The embodiments will be described in conjunction with the following drawings.
1 ist ein Diagramm, das schematisch den Aufbau eines herkömmlichen Mikrosystem-Mikrofons zeigt; 1 Fig. 12 is a diagram schematically showing the structure of a conventional micro-system microphone;
2 ist ein Diagramm, das schematisch die Gehäuse- bzw. Verpackungsstruktur eines herkömmlichen Mikrosystem-Mikrofons zeigt; 2 Fig. 12 is a diagram schematically showing the packaging structure of a conventional micro system microphone;
3A ist eine Perspektivansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung; 3A is a perspective view of an embodiment according to the present invention;
3B ist eine perspektivische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung; 3B Fig. 12 is a perspective sectional view of an embodiment according to the present invention;
4 ist ein Diagramm, das schematisch den Betrieb eines Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 4 Fig. 12 is a diagram schematically showing the operation of an embodiment according to the present invention;
5A ist eine Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung; 5A is a perspective view of another embodiment according to the present invention;
5B ist eine perspektivische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung; 5B Fig. 12 is a perspective sectional view of another embodiment according to the present invention;
6 ist ein Diagramm, das schematisch den Betrieb eines weiteren Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt; 6 Fig. 12 is a diagram schematically showing the operation of another embodiment according to the present invention;
7A–7I sind Schnittansichten, die schematisch einen Herstellungsprozess eines kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen; und 7A - 7I 13 are sectional views schematically showing a manufacturing process of a micro-system capacitive microphone according to another embodiment of the present invention; and
8 ist ein Diagramm, das das Ergebnis eines Tests unter verschiedenen Frequenzen eines kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 8th Fig. 4 is a diagram showing the result of a test under various frequencies of a micro-system capacitive microphone according to an embodiment of the present invention.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten AusführungsbeispieleDetailed Description of the Preferred Embodiments
Die technischen Inhalte der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen nachfolgend ausführlich beschrieben.The technical contents of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
3A und 3B zeigen ein Ausführungsbeispiel gemäß der vorliegenden Erfindung. Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 20 umfasst eine Basis 21, eine Membran 22, ein Verankerungs- bzw. Befestigungselement 23 und eine rückseitige Platte 24. Die Basis 21 weist eine rückseitige Kammer 26 auf. Die rückseitige Platte 24 ist auf der Basis 21 angeordnet und weist eine Mehrzahl von Luftlöchern 25 auf, die mit der rückseitigen Kammer 26 verbinden. Das Verankerungselement 23 ist auf der Basis 21 angeordnet und überspannt die rückseitige Kammer 26. Das Verankerungselement 23 weist außerdem einen Abstützabschnitt 27 auf. Die Membran 22 weist eine Mitte auf, die von dem Abstützabschnitt 27 abgestützt ist, um ein ruhendes Ende 221 auszubilden. Die Membran 22 weist auch ein freies Ende 222 auf, das auf dem Umfang entsprechend dem ruhenden Ende 221 ausgebildet ist. Die Membran 22 ist parallel zu der rückseitigen Platte 24, so dass auf die Membran 22 einwirkende Spannungen von dem ruhenden Ende 221 hin zu dem freien Ende 222 abgeleitet werden. 3A and 3B show an embodiment according to the present invention. The capacitive microsystem microphone 20 includes a base 21 , a membrane 22 , An anchoring or fastening element 23 and a back plate 24 , The base 21 has a back chamber 26 on. The back plate 24 is based 21 arranged and has a plurality of air holes 25 on that with the back chamber 26 connect. The anchoring element 23 is based 21 arranged and spans the back chamber 26 , The anchoring element 23 also has a support section 27 on. The membrane 22 has a center extending from the support portion 27 is supported to a dormant end 221 train. The membrane 22 also has a free end 222 on, on the circumference according to the dormant end 221 is trained. The membrane 22 is parallel to the back plate 24 , so on the membrane 22 acting stresses from the dormant end 221 towards the free end 222 be derived.
Es sei besonders darauf hingewiesen, dass Restspannungen, die auf die Membran 22 einwirken, normalerweise radial von der Mitte und hin zu dem Rand abgeleitet werden. Deshalb begünstigt eine Abstützung der Membran 22 an deren Mittelabschnitt eine Ableitung von Restspannungen, die auf die Membran 22 einwirken. Wenn man die Stabilität der Membran 22 berücksichtigt, kann es sich bei dem vorgenannten zentralen Abschnitt um die geometrische Mitte (den Schwerpunkt) der Membran 22 oder um einen Punkt auf der Symmetrieachse der Membran 22 handeln. Bei einem Ausführungsbeispiel stützt der Abstützabschnitt 27 die Mitte einer kreisförmigen bzw. kreisrunden Membran 22 ab. Um die Beschreibung zu erleichtern, wird die vorliegende Erfindung dieses Ausführungsbeispiel nachfolgend als Beispiel heranziehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf ein solches Ausführungsbeispiel beschränkt. Außerdem kann der Abstützabschnitt 27 gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Säule sein, die fest auf dem Verankerungselement 23 vorgesehen ist.It is particularly noted that residual stresses on the membrane 22 acting, usually radially derived from the center and towards the edge. Therefore, a support of the membrane favors 22 at the middle portion of a derivative of residual stresses on the membrane 22 act. If you look at the stability of the membrane 22 considered, the aforementioned central portion may be the geometric center (center of gravity) of the membrane 22 or around a point on the symmetry axis of the membrane 22 act. In one embodiment, the support section supports 27 the center of a circular or circular membrane 22 from. To facilitate the description, the present invention will take this embodiment as an example below. However, the present invention is not limited to such an embodiment. In addition, the support portion 27 According to one embodiment, be a pillar firmly on the anchoring element 23 is provided.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Membran 22 eine flexible Membran, die aufgrund von Schallwellen schwingen oder sich verformen kann. Eine solche Auslegung bewirkt, dass Restspannungen der Membran 22 von dem ruhenden Ende 221 hin zu dem freien Ende 222 abgeleitet werden, und verhindert eine Ausbeulung oder Verformung der Membran 22.In one embodiment, the membrane is 22 a flexible membrane that can vibrate or deform due to sound waves. Such a design causes residual stresses of the membrane 22 from the dormant end 221 towards the free end 222 be derived, and prevents bulging or deformation of the membrane 22 ,
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Basis 21 ein Siliziumsubstrat mit einer darin ausgebildeten kreisrunden bzw. kreisförmigen rückseitigen Kammer 26 und bestehen die Membran 22 und die rückseitige Platte 24 jeweils aus einem polykristallinen Silizium. Das Verankerungselement 23 ist kreuzförmig ausgebildet. Die Endpunkte des kreuzförmigen Verankerungselements 23 sind auf dem Rand der rückseitigen Kammer 26 befestigt. Die rückseitige Platte 24 ist fest auf einer Seite der rückseitigen Kammer 26 der Basis 21 angeordnet, weist eine Mehrzahl von Luftlöchern 25 auf und weist einen Aufnahmeraum auf, der für das Verankerungselement 23 vorgesehen ist. Die Membran 22 ist oberhalb der rückseitigen Platte 24 und parallel zu der rückseitigen Platte 24 angeordnet, um so einen Parallelplatten-Kondensator auszubilden. Wie man aus der 4 schließen kann, sind, wenn eine positive bzw. negative Spannung an die Membran 22 bzw. an die rückseitige Platte 24 angelegt wird, die Membran 22 und die rückseitige Platte 24 entgegengesetzt geladen, um einen Parallelplatten-Kondensator auszubilden. Wenn Schallwellen auf die Membran 22 einwirken, schwingt das freie Ende der Membran 22 und verformt sich. Dies führt zu einer Veränderung der Kapazität zwischen der Membran 22 und der rückseitigen Platte 24. Durch Berechnung und Analyse mittels einer externen Schaltung werden die akustischen Signale in elektrische Signale zur Ausgabe gewandelt. Dabei wird die Luft, die durch die Schwingungen der Membran 22 in Unruhe gebracht wird, von den Luftlöchern 25 der rückseitigen Platte 24 zu der rückseitigen Kammer 26 ausgetragen.In one embodiment, the base is 21 a silicon substrate having a circular or circular back chamber formed therein 26 and pass the membrane 22 and the back plate 24 each of a polycrystalline silicon. The anchoring element 23 is formed cross-shaped. The endpoints of the cross-shaped anchoring element 23 are on the edge of the back chamber 26 attached. The back plate 24 is firmly on one side of the back chamber 26 the base 21 arranged, has a plurality of air holes 25 and has a receiving space for the anchoring element 23 is provided. The membrane 22 is above the back plate 24 and parallel to the back plate 24 arranged so as to form a parallel plate capacitor. How to get out of 4 can be close, if a positive or negative voltage to the membrane 22 or to the back plate 24 is applied, the membrane 22 and the back plate 24 oppositely charged to form a parallel plate capacitor. When sound waves on the membrane 22 act, vibrates the free end of the membrane 22 and deforms. This leads to a change in the capacitance between the membrane 22 and the back plate 24 , By calculation and analysis by means of an external circuit, the acoustic signals are converted into electrical signals for output. In doing so, the air passing through the vibrations of the membrane 22 is disturbed by the air holes 25 the back plate 24 to the back chamber 26 discharged.
Wie in der 4 gezeigt, nämlich gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 20 außerdem zumindest ein Trennelement 28 auf, das zwischen der Membran 22 und der rückseitigen Platte 24 angeordnet ist. Die Trennelemente 28 können auf einer Seite der Membran 22 gegenüberliegend der rückseitigen Platte 24 angeordnet sein oder können auf einer Seite der rückseitigen Platte 24 gegenüberliegend der Membran 22 angeordnet sein. In der 4 sind jeweils zwei Trennelemente 28 auf zwei Seiten der rückseitigen Platte 24 angeordnet. Wenn ein zu intensiver Schalldruck eine allzu starke Verformung der Membran 22 bewirkt, können die Trennelemente 28 für einen Dämpfungseffekt sorgen und eine elektrische Trennung bzw. Isolation der Membran 22 von der rückseitigen Platte 24 bewirken, damit kein elektrischer Kontakt der Membran 22 mit der rückseitigen Platte 24 das Mikrofon beschädigen kann. Außerdem weist die rückseitige Platte 24 ferner eine Mehrzahl von Verstärkungselementen (in den Zeichnungen nicht gezeigt) auf einer Seite auf, um die Stabilität der rückseitigen Platte 24 zu verbessern.Like in the 4 shown, namely according to one embodiment, the capacitive microsystem microphone 20 also at least one separating element 28 on that between the membrane 22 and the back plate 24 is arranged. The separating elements 28 can on one side of the membrane 22 opposite the back panel 24 can be arranged or can on one side of the back plate 24 opposite the membrane 22 be arranged. In the 4 are each two separating elements 28 on two sides of the back panel 24 arranged. If too intense a sound pressure too much deformation of the membrane 22 causes the dividing elements 28 provide a damping effect and electrical isolation or isolation of the membrane 22 from the back plate 24 cause, so that no electrical contact of the membrane 22 with the back plate 24 can damage the microphone. In addition, the back plate has 24 Further, a plurality of reinforcing elements (not shown in the drawings) on one side to the stability of the back plate 24 to improve.
Die 5A und 5B zeigen jeweils eine Perspektivansicht bzw. eine Schnittansicht, die schematisch ein kapazitives Mikrosystem-Mikrofon gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen. Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Basis 31, eine steife Membran 32, ein elastisches Element 33 und eine rückseitige Platte 34. Die Basis 31 weist eine rückseitige Kammer 36 auf. Die rückseitige Platte 34 ist auf der Basis 31 angeordnet und weist eine Mehrzahl von Luftlöchern 35 auf, die mit der rückseitigen Kammer 36 verbinden. Das elastische Element 33 ist auch auf der Basis 31 angeordnet. Die steife Membran 32 ist parallel zu der rückseitigen Platte 34 und befindet sich auf dem elastischen Element 33. Wenn somit eine Schallwelle auf die steife Membran 32 einwirkt, bewegt sich die steife Membran 32 in Richtung einer Normalen, parallel zu der rückseitigen Platte 34, das heißt entlang der z-Achse. Gemäß der vorgenannten Gleichung für einen Parallelplatten-Kondensator kann die Änderung der Kapazität zwischen der steifen Membran 32 und der rückseitigen Platte 34 umgeschrieben werden zu ΔC = εA/(d – Δx), wobei d der ursprüngliche Abstand zwischen der rückseitigen Platte 34 und der steifen Membran 32 ist, bevor auf diese ein Schalldruck wirkt, und Δx die Verschiebung der steifen Membran 32 ist, hervorgerufen durch den akustischen Druck. Im Vergleich zu einer herkömmlichen flexiblen Membran, bei der der Abstand zwischen der rückseitigen Platte 34 und jedem Punkt der flexiblen Membran eine unterschiedliche Verschiebung erfährt, entspricht die Änderung der Kapazität gemäß der vorliegenden Erfindung nur der Größe Δx. Deshalb kann die vorliegende Erfindung für ein größeres Ausgangssignal für die Änderung der Kapazität und somit für eine Verbesserung der Empfindlichkeit eines Mikrofons sorgen.The 5A and 5B show, respectively, a perspective view and a sectional view schematically showing a micro-system capacitive microphone according to a second embodiment of the present invention. The capacitive microsystem microphone 30 according to the present invention comprises a base 31 , a stiff membrane 32 , an elastic element 33 and a back plate 34 , The base 31 has a back chamber 36 on. The back plate 34 is based 31 arranged and has a plurality of air holes 35 on that with the back chamber 36 connect. The elastic element 33 is also based 31 arranged. The stiff membrane 32 is parallel to the back plate 34 and is located on the elastic element 33 , So if a sound wave on the rigid membrane 32 acts, the rigid membrane moves 32 in the direction of a normal, parallel to the back plate 34 that is, along the z-axis. According to the aforementioned equation for a parallel plate capacitor, the change in capacitance between the rigid membrane 32 and the back plate 34 be rewritten as ΔC = εA / (d - Δx), where d is the original distance between the back plate 34 and the stiff membrane 32 is before it acts on this a sound pressure, and Δx the displacement of the rigid membrane 32 is caused by the acoustic pressure. Compared to a conventional flexible membrane, where the distance between the back plate 34 and each point of the flexible membrane undergoes a different displacement, the change in capacity according to the present invention corresponds only to the size Δx. Therefore, the present invention can provide a larger output for changing the capacitance and thus improving the sensitivity of a microphone.
Wie in 5B gezeigt, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel die Basis 31 ein Siliziumsubstrat mit einer darauf ausgebildeten kreisrunden rückseitigen Kammer 36 sein. Das elastische Element 33 ist kreuzförmig ausgebildet und dessen vier Enden sind auf dem Rand der rückseitigen Kammer 36 der Basis 31 befestigt. Die steife Membran 32 ist kreisrund ausgebildet und mit Hilfe eines Abstützelements 37 fest auf dem Schnittpunkt des kreuzförmigen elastischen Elements 33 verankert bzw. befestigt. Somit ist die steife Membran 32 parallel zur Ebene, die von der elastischen Membran 33 ausgebildet ist. Das Abstützelement 37 weist ein Ende auf, das relativ zu dem elastischen Element 33 an der Mitte der kreisrunden steifen Membran 32 befestigt ist. Das Abstützelement 37 kann die physikalische Balance der steifen Membran 32 aufrechterhalten und eine Ableitung von thermischen Spannungen, die in einem thermischen Herstellungsprozess erzeugt werden, erleichtern.As in 5B In one embodiment, the base may be shown 31 a silicon substrate having a circular backside chamber formed thereon 36 be. The elastic element 33 is formed cross-shaped and whose four ends are on the edge of the back chamber 36 the base 31 attached. The stiff membrane 32 is circular and with the help of a support element 37 firmly on the intersection of the cross-shaped elastic element 33 anchored or attached. Thus, the rigid membrane 32 parallel to the plane passing from the elastic membrane 33 is trained. The support element 37 has an end that is relative to the elastic element 33 at the center of the circular stiff membrane 32 is attached. The support element 37 can the physical balance of the stiff membrane 32 maintain and dissipation of thermal stresses generated in a thermal manufacturing process easier.
Die rückseitige Platte 34 ist auf einer Seite der rückseitigen Kammer 36 der Basis 31 fest angeordnet und weist eine Mehrzahl von darauf ausgebildeten Luftlöchern 35 auf, jedoch ist ein Aufnahmeraum der rückseitigen Kammer 34 zur Aufnahme des elastischen Elements 33 vorgesehen. Die steife Membran 32 ist oberhalb der rückseitigen Platte 34 und parallel zur rückseitigen Platte 34 angeordnet, so dass auf diese Weise ein Parallelplatten-Kondensator ausgebildet ist. Wie in der 6 gezeigt, werden im Betrieb eine positive bzw. negative Spannung an die steife Membran 32 bzw. die rückseitige Platte 34 angelegt, wodurch die steife Membran 32 und die rückseitige Platte 34 jeweils positive Ladungen bzw. negative Ladungen tragen und einen Parallelplatten-Kondensator ausbilden. Wenn Schallwellen auf die Oberfläche der steifen Membran 32 einwirken, wird der Schalldruck auf das elastische Element 33 übertragen, so dass sich dieses verformt. Somit wird die steife Membran 32 entlang der Z-Achse und hin zu der rückseitigen Platte 34 bewegt und wird die Kapazität zwischen der steifen Membran 32 und der rückseitigen Platte 34 geändert. Mittels einer Analyse und Berechnung der Änderung der Kapazität mithilfe einer externen Schaltung werden die Schaltsignale in elektrische Signale zur Ausgabe umgewandelt.The back plate 34 is on one side of the back chamber 36 the base 31 fixed and has a plurality of air holes formed thereon 35 on, however, is a receiving chamber of the back chamber 34 for receiving the elastic element 33 intended. The stiff membrane 32 is above the back plate 34 and parallel to the back plate 34 arranged, so that in this way a parallel plate capacitor is formed. Like in the 6 shown, in operation, a positive or negative voltage to the rigid membrane 32 or the back plate 34 created, creating the rigid membrane 32 and the back plate 34 each carry positive charges or negative charges and form a parallel plate capacitor. When sound waves hit the surface of the stiff membrane 32 act, the sound pressure on the elastic element 33 transferred, so that this deformed. Thus, the rigid membrane becomes 32 along the Z-axis and towards the back plate 34 moves and becomes the capacity between the stiff membrane 32 and the back plate 34 changed. By analyzing and calculating the change in capacitance using an external circuit, the switching signals are converted into electrical signals for output.
Wie in der 6 gezeigt, weist das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 gemäß der vorliegenden Erfindung außerdem zumindest ein Trennelement 38 auf, das zwischen der steifen Membran 32 und der rückseitigen Platte 34 angeordnet ist. Das Trennelement 38 kann auf einer Oberfläche der steifen Membran 32 gegenüberliegend der rückseitigen Platte 34 angeordnet sein oder kann auf einer Oberfläche der rückseitigen Platte 34 gegenüberliegend der steifen Membran 32 angeordnet sein. In der 6 sind zwei Trennelemente 38 jeweils auf zwei Enden der rückseitigen Platte 34 angeordnet. Wenn ein zu hoher Schalldruck eine allzu starke Auslenkung der steifen Membran 32 hin zu der rückseitigen Platte 34 hervorruft, können die Trennelemente 38 für einen Dämpfungseffekt und eine elektrische Trennung der steifen Membran 32 von der rückseitigen Platte 34 sorgen, damit kein elektrischer Kontakt der steifen Membran 32 mit der rückseitigen Platte 34 das Mikrofon beschädigen kann.Like in the 6 shown has the capacitive microsystem microphone 30 according to the present invention also at least one separating element 38 on top, between the stiff membrane 32 and the back plate 34 is arranged. The separating element 38 can on a surface of the rigid membrane 32 opposite the back panel 34 can be arranged or can on a surface of the back plate 34 opposite the rigid membrane 32 be arranged. In the 6 are two dividers 38 each on two ends of the back plate 34 arranged. If too high a sound pressure too much deflection of the stiff membrane 32 towards the back plate 34 causes the separators 38 for a damping effect and an electrical separation of the rigid membrane 32 from the back plate 34 ensure that there is no electrical contact with the rigid membrane 32 with the back plate 34 can damage the microphone.
Außerdem weist die steife Membran 32 eine Mehrzahl von Verstärkungselementen (in den Zeichnungen nicht gezeigt) auf, beispielsweise Versteifungsrippen, die auf einer Seite der steifen Membran 32 angeordnet sind, um die mechanische Stabilität der steifen Membran zu verbessern und die Steifigkeit der steifen Membran 32 aufrechtzuerhalten.In addition, the rigid membrane has 32 a plurality of reinforcing elements (not shown in the drawings), for example stiffening ribs formed on one side of the rigid membrane 32 are arranged to improve the mechanical stability of the rigid membrane and the rigidity of the rigid membrane 32 maintain.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel weist die rückseitige Platte 34 eine Mehrzahl von Verstärkungselementen 39 auf, beispielsweise Verstärkungsrippen, die auf einer Seite der rückseitigen Platte 34, der steifen Membran 32 abgewandt, vorgesehen sind, um die mechanische Stabilität der rückseitigen Platte 34 zu verbessern und die Steifigkeit der rückseitigen Platte 34 aufrechtzuerhalten.In the second embodiment, the back plate 34 a plurality of reinforcing elements 39 on, for example, reinforcing ribs on one side of the back plate 34 , the stiff membrane 32 turned away, are provided to the mechanical stability of the back plate 34 to improve and the rigidity of the back plate 34 maintain.
Die 7A–7I sind Schnittansichten, die schematisch einen Prozess zur Herstellung des kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons 30 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigen, wobei die Schnittansichten entlang der Linie K-K' in der 5A aufgenommen sind und wobei elektrische Verdrahtungsschritte zum Verdrahten der diversen Elemente ausgelassen wurden, solange diese Auslassung nicht die Realisierung und das Verständnis der vorliegenden Erfindung beeinträchtigt. Zunächst wird gemäß der 7A ein Substrat zur Herstellung der Basis 31 vorbereitet, beispielsweise ein Siliziumsubstrat 40. Als nächstes wird gemäß der 7B die Position zur Anordnung der rückseitigen Platte 34 auf dem Siliziumsubstrat 40 festgelegt und werden Gräben 41 zum Ausbilden der Verstärkungselemente 39 auf dem Siliziumsubstrat 40 mithilfe eines Ätzverfahrens hergestellt. Als nächstes wird gemäß der 7C eine Polysilizium-Schicht 42 auf dem Siliziumsubstrat 40 abgeschieden, um die Gräben 41 aufzufüllen und die Verstärkungselemente 39 der rückseitigen Platte 34 auszubilden. Als nächstes werden gemäß der 7D die Positionen des elastischen Elements 33 und der Luftlöcher festgelegt und wird der Bereich der rückseitigen Platte 34 durch Ätzen der Polysilizium-Schicht 42 festgelegt. Die Verstärkungselemente 39 können die Ebenheit und Steifigkeit der rückseitigen Platte 34 aufrechterhalten. Die Elastizität des elastischen Elements 33 kann durch Variieren der Dicke der Polysilizium-Schicht oder durch Wahl deren Materials eingestellt werden.The 7A - 7I FIG. 4 are sectional views schematically illustrating a process of manufacturing the micro-system capacitive microphone. FIG 30 according to the second embodiment of the present invention Invention, wherein the sectional views taken along the line KK 'in the 5A and electrical wiring steps for wiring the various elements have been omitted so long as this omission does not affect the realization and understanding of the present invention. First, according to the 7A a substrate for making the base 31 prepared, for example, a silicon substrate 40 , Next, according to the 7B the position for arranging the back plate 34 on the silicon substrate 40 set and become trenches 41 for forming the reinforcing elements 39 on the silicon substrate 40 produced using an etching process. Next, according to the 7C a polysilicon layer 42 on the silicon substrate 40 deposited to the trenches 41 fill up and the reinforcing elements 39 the back plate 34 train. Next, according to the 7D the positions of the elastic element 33 and the air holes and becomes the area of the back panel 34 by etching the polysilicon layer 42 established. The reinforcing elements 39 Can the flatness and rigidity of the back plate 34 maintained. The elasticity of the elastic element 33 can be adjusted by varying the thickness of the polysilicon layer or by choosing its material.
Als nächstes werden gemäß der 7E die Trennelemente 38 auf der rückseitigen Platte 34 ausgebildet. Die Trennelemente 38 werden aus Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellt. Als nächstes wird gemäß der 7F und 7G eine Zwischenschicht 43 oberhalb der rückseitigen Platte 34 ausgebildet und wird die Position zum Ausbilden des Abstützelements 37 auf der Zwischenschicht 43 festgelegt, wobei die Position zum Ausbilden des Abstützelements 37 oberhalb des elastischen Elements 33 ist. Die Zwischenschicht 43 wird aus Siliziumdioxid (SiO2) hergestellt. Als nächstes wird eine Polysilizium-Schicht 44 auf der Zwischenschicht 43 abgeschieden, um die steife Membran 32 und das Abstützelement 37 auszubilden. Als nächstes wird gemäß der 7H der Boden des Siliziumsubstrats 40 geätzt, um die rückseitige Kammer 36 auszubilden. Dann wird gemäß der 7I die Zwischenschicht 43 durch einen Ätzprozess entfernt, so dass die steife Membran 32 von dem Abstützelement 37 auf dem elastischen Element 33 parallel zur rückseitigen Platte 34 abgestützt ist.Next, according to the 7E the separating elements 38 on the back plate 34 educated. The separating elements 38 are made of silicon nitride (Si 3 N 4 ). Next, according to the 7F and 7G an intermediate layer 43 above the back plate 34 formed and becomes the position for forming the support element 37 on the interlayer 43 set, wherein the position for forming the support element 37 above the elastic element 33 is. The intermediate layer 43 is made of silicon dioxide (SiO 2 ). Next, a polysilicon layer 44 on the interlayer 43 deposited to the rigid membrane 32 and the support element 37 train. Next, according to the 7H the bottom of the silicon substrate 40 etched to the back chamber 36 train. Then according to the 7I the intermediate layer 43 removed by an etching process, leaving the rigid membrane 32 from the support element 37 on the elastic element 33 parallel to the back plate 34 is supported.
Die 8 ist ein Diagramm, das das Ergebnis von Tests eines kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Frequenzen zeigt, wobei das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 elektrisch mit einem IC zum Auslesen der Kapazität (MS3110) verbunden ist und in einer halb-nachhallfreien Kammer angeordnet ist, um die Signale von einem Lautsprecher zu empfangen. Wenn der Schallpegel unterhalb von 94 dB liegt, kann das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 eine Schallfrequenz von 10–20.000 Hz detektieren. Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 weist eine Empfindlichkeit von etwa 12,63 mV/Pa bzw. –37,97 dB/Pa auf. Das kapazitive Mikrosystem-Mikrofon 30 hat die Vorteile einer hohen Empfindlichkeit, eines kompakten Aufbaus und von geringen Kosten. Außerdem weist die steife Membran 32 des kapazitiven Mikrosystem-Mikrofons 30 weniger wahrscheinlich Restspannungen auf und weist somit im Vergleich zu der herkömmlichen flexiblen Membran eine höhere Empfindlichkeit auf.The 8th is a diagram showing the result of tests of a micro-system capacitive microphone according to an embodiment of the present invention at different frequencies, wherein the micro-system capacitive microphone 30 electrically connected to a capacitance reading IC (MS3110) and arranged in a semi-reverberant chamber to receive the signals from a loudspeaker. If the sound level is below 94 dB, the micro-system capacitive microphone can 30 detect a sound frequency of 10-20,000 Hz. The capacitive microsystem microphone 30 has a sensitivity of about 12.63 mV / Pa and -37.97 dB / Pa, respectively. The capacitive microsystem microphone 30 has the advantages of high sensitivity, compactness and low cost. In addition, the rigid membrane has 32 of the micro-system capacitive microphone 30 less likely residual stresses and thus has a higher sensitivity compared to the conventional flexible membrane.
Bei dem kapazitiven Mikrosystem-Mikrofon gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Membran an deren geometrischem Mittelpunkt abgestützt, so dass Restspannungen der Membran auswärts und ausgehend von der Mitte abgeleitet werden. Oder das elastische Element bewirkt, dass die steife Membran sich während ihrer Bewegung vertikal und parallel zu der rückseitigen Platte bewegt. Auf diese Weise entspricht die Änderung der Kapazität zwischen der steifen Membran und der rückseitigen Platte nur der zwischen diesen ausgebildeten Spaltbreite. Somit werden die Probleme einer Verformung, von Ausbeulungen oder Rissen der Membran, hervorgerufen durch Spannungen, überwunden und wird die Präzision, Empfindlichkeit und Lebensdauer des Mikrofons verbessert.In the capacitive microsystem microphone according to the present invention, the membrane is supported at its geometric center, so that residual stresses of the membrane are discharged outwardly and from the center. Or the elastic element causes the rigid membrane to move vertically and parallel to the back plate during its movement. In this way, the change in capacitance between the rigid diaphragm and the back plate corresponds only to the gap width formed between them. Thus, the problems of deformation, buckling or cracking of the diaphragm caused by stress are overcome and the precision, sensitivity and life of the microphone are improved.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen die vorliegende Erfindung nur beispielhaft dar und sollen den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken. Jegliche äquivalente Modifikationen oder Variationen entsprechend den technischen Lehren der Beschreibung oder Zeichnungen sollen ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung liegen.The embodiments described above illustrate the present invention by way of example only and are not intended to limit the scope of the present invention. Any equivalent modifications or variations according to the technical teachings of the specification or drawings are also intended to be within the scope of the present invention.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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US 5490220 [0006] US 5490220 [0006]
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US 5870482 [0006] US 5870482 [0006]
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US 7023066 [0006] US7023066 [0006]
