Stand der Technik
[0001] Die Erfindung betrifft ein akustisches Sensorelement mit mindestens einer Membran
und mindestens einem feststehenden Gegenelement. Die Membran des Sensorelements ist
in einem Hohlraum zwischen einem Substrat und dem Gegenelement angeordnet und fungiert
als bewegliche Elektrode einer Kondensatoranordnung, während das Gegenelement als
feststehende Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung fungiert. Im Substrat ist
mindestens eine Durchgangsöffnung ausgebildet, über die die Schalldruckbeaufschlagung
der Membran erfolgt.
[0002] Aus dem Stand der Technik sind mikromechanische Mikrofone bekannt, die Schallwellen
mit Hilfe eines derartigen Sensorelements in ein elektrisches Signal umwandeln. Die
bekannten Sensorelemente umfassen eine Kondensatoranordnung mit mindestens zwei Elektroden,
zwischen denen ein Luftspalt von 0,5µm bis 10µm besteht. Idealerweise ist die eine
Elektrode starr, während die andere Elektrode beweglich ist, so dass sie beim Auftreten
von Schallwellen in Schwingung versetzt wird. Dadurch verändert sich die Kapazität
zwischen den beiden Elektroden entsprechend dem variierenden Schalldruck.
[0003] Die Qualität eines solchen mikromechanischen Wandlerelements hängt wesentlich von
der Unbeweglichkeit der Gegenelektrode ab. In der Praxis wird die Gegenelektrode deshalb
häufig mit einer vergleichsweise großen Dicke ausgestattet, indem sie entweder aus
dem Trägersubstrat des Wandlerelements herausstrukturiert wird oder nachträglich mit
einer dicken Schicht, beispielsweise aus Epi-Polysilizium, versehen wird. Eine hohe
Steifigkeit der Gegenelektrode kann aber auch erzielt werden, wenn die Gegenelektrode
unter starker Zugverspannung hergestellt wird. Allerdings ist sowohl die Strukturierung
des Trägersubstrats als auch das Erzeugen von hohen Schichtdicken oder die Herstellung
stark verspannter Schichten aufwendig und entsprechend kostenintensiv.
[0004] Ein akustisches Sensor- bzw. Wandlerelement der eingangs genannten Art wird auch
in der
US 6,535,460 B2 beschrieben. Der Aufbau dieses Sensorelements umfasst ein Substrat mit einer Durchgangsöffnung,
die von einer Membran überspannt wird. Über der Membran und von dieser beabstandet
ist ein perforiertes Gegenelement angeordnet, das im Randbereich der Durchgangsöffnung
mit dem Substrat verbunden ist. Membran und Gegenelement bilden zusammen einen Kondensator,
wobei die Membran als bewegliche Elektrode fungiert, während das Gegenelement die
starre Elektrode darstellt. Die Membran wird über die Durchgangsöffnung im Substrat
mit Schallwellen beaufschlagt und so in Schwingung versetzt. Die Bewegung der Membran
wird dann mit Hilfe des Gegenelements als Kapazitätsschwankungen des Kondensators
erfasst. Besondere Maßnahmen zur Fixierung und/oder Versteifung des perforierten Gegenelements
werden in der
US 6,535,460 B2 nicht beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
[0005] Mit der vorliegenden Erfindung werden einfache konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung
der Wandlereigenschaften eines mikromechanischen akustischen Sensorelements der eingangs
genannten Art vorgeschlagen. Diese Maßnahmen betreffen insbesondere die Fixierung
und Versteifung des Gegenelements bzw. der Gegenelektrode der Kondensatoranordnung.
[0006] Dazu ist das Gegenelement erfindungsgemäß über mindestens ein Stützelement mit dem
Substrat verbunden, wobei das Stützelement im Bereich des Hohlraums angeordnet ist.
Außerdem ist in der Membran eine Öffnung für das Stützelement ausgebildet, so dass
die Membran innerhalb des Hohlraums frei schwingen kann.
[0007] Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die Steifigkeit des Gegenelements einfach
dadurch erhöht werden kann, dass das Gegenelement an einer oder mehreren Stellen auf
einer vorhandenen festen Struktur des Substrats abgestützt wird und somit die Spannweite
des Gegenelements reduziert wird. Diese Maßnahme eröffnet die Möglichkeit, das Gegenelement
auch in Form einer dünnen Schicht zu realisieren, die nicht unbedingt zugverspannt
sein muss. Die Spannweite der Membran und damit auch die Empfindlichkeit des Sensorelements
werden durch die Stützelemente nicht wesentlich beeinträchtigt, da die Membran erfindungsgemäß
mit Öffnungen versehen ist, durch die die Stützelemente vom Gegenelement auf die Substratstruktur
verlaufen, so dass sich die Membran zwischen dem Gegenelement und der Substratstruktur
frei bewegen kann.
[0008] Da das Gegenelement des erfindungsgemäßen Sensorelements in einer dünnen Schicht
realisiert werden kann, die nicht auf eine hohe Zugspannung ausgelegt sein muss, kann
das erfindungsgemäße Sensorelement insgesamt mit Standard-Halbleiterprozessen hergestellt
werden, die kostengünstig und volumenfähig sind.
[0009] Grundsätzlich gibt es verschiedene Möglichkeiten für die Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen
Sensorelements und insbesondere für die Anordnung der Stützelemente im Bereich des
Hohlraums zwischen dem Gegenelement und dem Substrat.
[0010] In einer bevorzugten Variante der Erfindung ist im Bereich unterhalb des Hohlraums
eine Substratstruktur mit einem Substratsockel für das Stützelement ausgebildet. Der
Substratsockel ist demnach unterhalb des Hohlraums angeordnet und mit dem "Substrat-Festland"
verbunden, so dass der Substratsockel festgelegt ist und eine gute Stützstelle für
das Stützelement und das Gegenelement bildet.
[0011] Vorteilhafterweise wird die Substratstruktur unterhalb des Hohlraums bzw. die von
der Substratstruktur begrenzte Durchgangsöffnung im Substrat so ausgelegt, dass die
Membran möglichst großflächig mit Schalldruck beaufschlagt werden kann. In diesem
Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Substratsockel über vergleichsweise
schmale Stege mit dem Substrat im Randbereich des Hohlraums verbunden ist. Die für
die Fixierung des Gegenelements erforderliche Stabilität der Substratstruktur kann
einfach dadurch erzielt werden, dass der Substratsockel und die Stege im wesentlichen
die Dicke des unstrukturierten Substrats aufweisen.
[0012] In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensorelements ist das
Gegenelement mit Perforationslöchern versehen, die eine Dämpfung der Membranschwingung
vermindern. Außerdem kann über diese Perforationslöcher ein Druckausgleich zwischen
dem Hohlraum über der Membran und der Umgebung stattfinden.
[0013] Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung können Schallwellen auch differentiell
erfasst werden. Dazu wird das erfindungsgemäße Sensorelement einfach mit einer weiteren
feststehenden Gegenelektrode ausgestattet, die im Substrat bzw. in der Substratstruktur
unterhalb der Membran realisiert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0014] Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die vorliegende
Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits
auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits
auf die nachfolgende Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
der Zeichnungen verwiesen.
- Fig. 1
- zeigt eine Schnittdarstellung durch den Schichtaufbau eines ersten erfindungsgemäßen
Sensorelements 10 im Bereich einer Stützstelle und
- Fig. 2
- zeigt eine entsprechende Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Sensorelements
20.
- Fig. 3a
- zeigt eine Draufsicht auf das Substrat eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
- Fig. 3b
- zeigt eine Draufsicht auf die Membran dieses Sensorelements und
- Fig. 3c
- zeigt eine Draufsicht auf das Gegenelement dieses Sensorelements.
- Fig. 4
- zeigt eine Schnittdarstellung durch den Schichtaufbau eines vierten erfindungsgemäßen
Sensorelements 40.
Ausführungsformen der Erfindung
[0015] Der Schichtaufbau des in
Fig. 1 dargestellten akustischen Sensorelements 10 umfasst ein Substrat 1, über dem eine
Membran 2 und ein feststehendes Gegenelement 3 ausgebildet sind. Die Membran 2 ist
in einem Hohlraum 4 zwischen dem Substrat 1 und dem Gegenelement 3 angeordnet und
fungiert als bewegliche Elektrode einer Kondensatoranordnung, während das Gegenelement
3 eine feststehende Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung bildet. Das Substrat
1 ist im Bereich 5 unterhalb des Hohlraums 4 strukturiert. Hier befinden sich Durchgangsöffnungen
zur Schalldruckbeaufschlagung der Membran 2, wie in Fig. 3a dargestellt. Das Gegenelement
3 ist über ein Stützelement 7 mit dem Substrat 1 verbunden. Das Stützelement 7 ist
im Bereich des Hohlraums 4 angeordnet und sitzt auf einem Substratsockel 8 auf, der
Teil der Substratstruktur unterhalb des Hohlraums 4 ist. Diese Substratstruktur umfasst
ferner Stege 9, über die der Substratsockel 8 mit dem "Substrat-Festland" 1 im Randbereich
des Hohlraums 4 verbunden ist. Der Substratsockel 8 so wie auch die Stege 9 sind in
der vollen Dicke des Substrats 1 ausgebildet. In der Membran 2 befindet sich eine
Öffnung 11 für das Stützelement 7, so dass die Membran 2 bei entsprechender Schalldruckbeaufschlagung
innerhalb des Hohlraums 4 frei schwingen kann. Das Gegenelement 3 ist im Bereich über
dem Hohlraum 4 mit Perforationslöchern 12 versehen. Zum elektrischen Anschluss des
als Festelektrode fungierenden Gegenelements 3 ist ein Kontaktanschluss 13 vorgesehen.
Die als bewegliche Elektrode fungierende Membran 2 ist über eine Leiterbahn 14, die
unter einer elektrisch isolierten Membraneinspannung 15 verläuft, an ein Anschlusspad
16 geführt.
[0016] Mikromechanische Bauelemente, wie das voranstehend beschriebene Sensorelement 10,
werden ausgehend von einem Halbleitersubstrat, wie z.B. einem Siliziumwafer, gefertigt.
Das als Festelektrode fungierende Gegenelement 3 des Sensorelements 10 wird beispielsweise
in einer PolySiliziumschicht mit einer Dicke von 0,5µm - 4µm ausgebildet. Diese Schicht
kann in einem einfachen Standard-LPCVD-Prozess hergestellt und dotiert werden. Die
Schichtspannung, die sich bei einem derartigen Prozess einstellt, liegt typischerweise
bei 10-100 mPa Druck. Da das Gegenelement 3 des Sensorelements 10 erfindungsgemäß
mit Hilfe des Stützelements 7 stabilisiert und fixiert wird, müssen keine besonderen
Maßnahmen zur Erhöhung oder Beeinflussung der Schichtspannung getroffen werden. Das
Stützelement 7 besteht vorteilhafterweise aus einem elektrisch isolierenden Material,
um das Substrat 1 und das Gegenelement 3 elektrisch zu entkoppeln. So kann das Stützelement
7 beispielsweise aus Oxid gebildet sein, das beim Opferschichtätzen zum Freilegen
der Membran 2 und Erzeugen des Hohlraums 4 als Restoxid kontrolliert stehen gelassen
wird. Es sind aber auch andere elektrisch isolierte Varianten möglich, wie z.B. ein
PolySilizium-Stützelement mit Nitrid-Isolation.
[0017] Das in
Fig. 2 dargestellte Sensorelement 20 weist die gleiche Bauelementstruktur auf wie das in
Fig. 1 dargestellte Sensorelement 10. Deshalb werden in Fig. 2 auch die gleichen Bezugszeichen
verwendet. Jedoch umfasst die Kondensatoranordnung des Sensorelements 20 im Unterschied
zum Sensorelement 10 zusätzliche Festelektroden 21, die im Bereich der Stege 9 im
Substrat 1 ausgebildet sind. Diese Festelektroden 21 ermöglichen eine differentielle
Erfassung der Kapazitätsschwankungen, die durch die Bewegungen der Membran 2 hervorgerufen
werden.
[0018] Der Schichtaufbau eines erfindungsgemäßen Sensorelements wird nachfolgend nochmals
anhand der Figuren 3a bis 3c erläutert. Dabei werden für die auch in Fig. 1 dargestellten
Strukturelemente die gleichen Bezugszeichen verwendet.
[0019] Fig. 3a zeigt die Draufsicht auf das Substrat 1 im Bereich der Kondensatoranordnung. Das
Substrat 1 ist in diesem Bereich mit Durchgangsöffnungen 6 zur Druckbeaufschlagung
einer Membran versehen, die als bewegliche Elektrode fungiert und über dem Substrat
1 angeordnet wird. Die Durchgangsöffnungen 6 sind hier kreissegmentförmig und durch
acht Stege 9 einer entsprechenden Substratstruktur voneinander getrennt. In der Mitte
der Substratstruktur am Schnittpunkt der acht Stege 9 und in der Mitte eines jeden
Stegs 9 zwischen dem Schnittpunkt und dem äußeren kreisförmigen Rand der Durchgangsöffnungen
6 sind Substratsockel 8 in der Substratstruktur ausgebildet. An dieser Stelle sei
angemerkt, dass die Form der Durchgangsöffnungen vorteilhafterweise an die Membranform
angepasst wird, um eine möglichst gute Schallbeaufschlagung der Membran zu erzielen.
Die Substratsockel 8 werden möglichst gleichmäßig über die Spannweite des abzustützenden
Gegenelements verteilt, um eine gute Fixierung der Festelektrode zu erreichen.
[0020] Fig. 3b zeigt das Substrat 1, nachdem eine kreisförmige Membran 2 über den Durchgangsöffnungen
6 und der diese begrenzenden Substratstruktur angeordnet worden ist. Wie bereits erwähnt,
fungiert die Membran 2 als bewegliche Elektrode der Kondensatoranordnung des Sensorelements.
Dazu wird die Membran 2 über die Leiterbahn 14, die in derselben Schicht wie die Membran
2 ausgebildet ist, elektrisch kontaktiert. Zudem verdeutlicht Fig. 3b, dass die Membran
2 im Bereich über den Substratsockeln 8 mit Öffnungen 11 versehen ist.
[0021] Fig. 3c zeigt schließlich noch eine Draufsicht auf den Schichtaufbau des Sensorelements,
nachdem das Gegenelement 3 über der Membran 2 erzeugt worden ist. Das Gegenelement
3 ist im Bereich über der Membran 2 und den Durchgangsöffnungen 6 im Substrat 1 mit
Perforationslöchern 12 versehen. Lediglich im Bereich über den Substratsockeln 8 ist
die Struktur des Gegenelements 3 unperforiert. Hier befinden sich Stützelemente 7,
über die das Gegenelement 3 mit den Substratsockeln 8 verbunden ist. Durch diese Stützenkonstruktion
verringert sich die freie Spannweite des Gegenelements 3 und damit auch die Auslenkung
des Gegenelements 3 beim Auftreten von Schallwellen.
[0022] In
Fig. 4 ist ein erfindungsgemäßes akustisches Sensorelement 40 dargestellt, das - wie im
Fall des Sensorelements 10 - ausgehend von einem Substrat 41 gefertigt wurde. In dem
Schichtaufbau über dem Substrat 41 sind eine Membran 42 und ein feststehendes Gegenelement
43 ausgebildet. Die Membran 42 ist in einem Hohlraum 44 zwischen dem Substrat 41 und
dem Gegenelement 43 angeordnet und fungiert als bewegliche Elektrode einer Kondensatoranordnung,
während das Gegenelement 43 eine feststehende Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung
bildet. Im Bereich unterhalb des Hohlraums 44 sind Durchgangsöffnungen im Substrat
41 ausgebildet, über die die Schalldruckbeaufschlagung der Membran 42 erfolgt. Diese
Durchgangsöffnungen sind in der Schnittdarstellung der Fig. 4 nicht wiedergegeben,
da die Schnittebene innerhalb der die Durchgangsöffnungen begrenzenden Substratstruktur
45 verläuft.
[0023] Die Sensorelemente 10 und 40 unterscheiden sich im Wesentlichen in der Realisierung
der Stützelemente 7 bzw. 47 für das Gegenelement 3 bzw. 43. Im Gegenelement 43 sind
drei Einstülpungen 47 ausgebildet, deren Bodenbereiche über eine Isolationsschicht
48 mit dem Substrat 41 bzw. der Substratstruktur 45 unterhalb des Hohlraums 44 verbunden
sind. Diese Einstülpungen 47 bilden Stützelemente für das Gegenelement 43, die im
Bereich des Hohlraums 44 angeordnet sind. In der Membran 42 befinden sich Öffnungen
49 für die Einstülpungen 47, so dass die Membran 42 bei entsprechender Schalldruckbeaufschlagung
innerhalb des Hohlraums 44 frei schwingen kann. Im Gegenelement 43 sind im Bereich
über dem Hohlraum 44 Perforationslöcher 50 ausgebildet.
1. Akustisches Sensorelement mit mindestens einer Membran (2) und mindestens einem feststehenden
Gegenelement (3),
- wobei die Membran (2) in einem Hohlraum (4) zwischen einem Substrat (1) und dem
Gegenelement (3) angeordnet ist und als bewegliche Elektrode einer Kondensatoranordnung
fungiert,
- wobei das Gegenelement (3) als erste feststehende Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung
fungiert und
- wobei im Substrat (1) mindestens eine Durchgangsöffnung (6) zur Schalldruckbeaufschlagung
der Membran (2) ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (3) über mindestens ein Stützelement (7) mit dem Substrat (1) verbunden
ist, dass das Stützelement (7) im Bereich des Hohlraums (4) angeordnet ist und dass
in der Membran (2) eine Öffnung (11) für das Stützelement (7) ausgebildet ist.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich unterhalb des Hohlraums (4) eine Substratstruktur (5) mit mindestens einem
Substratsockel (8) für das mindestens eine Stützelement (7) ausgebildet ist.
3. Sensorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratstruktur (5) Stege (9) umfasst, über die der Substratsockel (8) mit dem
Substrat (1) im Randbereich des Hohlraums (4) verbunden ist.
4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratsockel (8) und ggf. die Stege (9) im wesentlichen die Dicke des unstrukturierten
Substrats (1) aufweisen.
5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenelement (3) mit Perforationslöchern (12) versehen ist
6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Substrat (1) bzw. in der Substratstruktur (5) unterhalb der Membran (2) mindestens
eine weitere feststehende Gegenelektrode (21) der Kondensatoranordnung realisiert
ist.
1. Acoustic sensor element having at least one diaphragm (2) and at least one fixed opposing
element (3),
- wherein the diaphragm (2) is arranged in a cavity (4) between a substrate (1) and
the opposing element (3) and acts as a moving electrode in a capacitor arrangement,
- wherein the opposing element (3) acts as a first fixed opposing electrode in said
capacitor arrangement, and
- wherein the substrate (1) contains at least one through-opening (6) for applying
sound pressure to the diaphragm (2),
characterized in that the opposing element (3) is connected to the substrate (1) by means of at least one
support element (7),
in that the support element (7) is arranged in the region of the cavity (4), and
in that the diaphragm (2) contains an opening (11) for the support element (7).
2. Sensor element according to Claim 1, characterized in that the region beneath the cavity (4) contains a substrate structure (5) having at least
one substrate base (8) for the at least one support element (7).
3. Sensor element according to Claim 2, characterized in that the substrate structure (5) comprises webs (9) by means of which the substrate base
(8) is connected to the substrate (1) in the marginal region of the cavity (4).
4. Sensor element according to one of Claims 2 and 3, characterized in that the substrate base (8) and possibly the webs (9) essentially have the thickness of
the unpatterned substrate (1).
5. Sensor element according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the opposing element (3) is provided with perforation holes (12).
6. Sensor element according to one of Claims 1 to 5, characterized in that the substrate (1) or the substrate structure (5) beneath the diaphragm (2) contains
at least one further fixed opposing electrode (21) of the capacitor arrangement.
1. Elément de détection acoustique comprenant au moins une membrane (2) et au moins un
élément conjugué fixe (3),
- la membrane (2) étant disposée dans une cavité (4) entre un substrat (1) et l'élément
conjugué (3) et servant d'électrode mobile d'un agencement de condensateur,
- l'élément conjugué (3) servant de première électrode conjuguée fixe de cet agencement
de condensateur et
- au mois une ouverture de passage (6) étant réalisée dans le substrat (1) pour solliciter
la membrane (2) avec une pression sonore,
caractérisé en ce que l'élément conjugué (3) est connecté par le biais d'au moins un élément de support
(7) au substrat (1),
en ce que l'élément de support (7) est disposé dans la région de la cavité (4) et
en ce qu'une ouverture (11) pour l'élément de support (7) est réalisée dans la membrane (2).
2. Elément de détection selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans la région sous la cavité (4) est réalisée une structure de substrat (5) avec
au moins un socle de substrat (8) pour l'au moins un élément de support (7).
3. Elément de détection selon la revendication 2, caractérisé en ce que la structure de substrat (5) comprend des nervures (9) par le biais desquelles le
socle de substrat (8) est connecté au substrat (1) dans la région de bord de la cavité
(4).
4. Elément de détection selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le socle de substrat (8) et éventuellement les nervures (9) présentent essentiellement
l'épaisseur du substrat (1) non structuré.
5. Elément de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément conjugué (3) est pourvu de trous de perforation (12).
6. Elément de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins une autre électrode conjuguée fixe (21) de l'agencement de condensateur est
réalisée dans le substrat (1) ou dans la structure de substrat (5) en dessous de la
membrane (2).