[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen kapazitiven Schallwandler, welcher aus einer
Membraneinheit und mindestens einer feststehenden Gegenelektrodenstruktur aus halbleitenden
Material besteht. Der Wandler dient als Mikrofon der Umsetzung von Schalldruckänderungen
in elektrische Signale. Kapazitive Mikrofone nach dem bisherigen elektrostatischen
Prinzip bestehen aus einer Membran und zumindest einer feststehenden Gegenelektrode.
Die Membran besitzt eine bestimmte Zugspannung, mit der die akustischen Eigenschaften
der Mikrofonkapsel beeinflußt werden können. Die Gegenelektrode ist mit Kanälen und
Bohrungen versehen, einerseits, damit die Luft aus dem vom Membran und Gegenelektrode
begrenzten Luftspalt in ein Rückvolumen des Wandlers abströmen kann und andererseits,
um die Dämpfungsverluste im Luftspalt zu reduzieren, die die Empfindlichkeit des Mikrofons
herabsetzen und den Frequenzgang ungünstig beeinflussen. Die Signalwandlung geschieht
durch Auswertung der relativen Kapazitätsänderung des Wandlers.
[0002] Die neueren Verfahren der Halbleitertechnologie erlauben die Herstellung von Miniaturwandlern
auf mikromechanischem Wege, beispielsweise auf der Basis von Silizium. In der Literaturstelle
KAPAZITITVE SILIZIUMSENSOREN FÜR HÖRSCHALLANWENDUNGEN, erschienen 1986 im VDI-Verlag,
ISBN 3-18-14161o-9, wird der Aufbau eines Silizium-Mikrofones beschrieben. Dieser
auf mikromechanischem Wege hergestellte Wandler besitzt die Abmessungen von ca. 1,6
x 2 x o,6 mm³. Die aktive Membranfläche besteht aus einer mit einer Metallschicht
überzogenen Siliziumnitrid-Schicht, der, durch einen Luftspalt getrennt, eine ebenfalls
aus Silizium hergestellte Gegenelektrode gegenübersteht.
[0003] Bei halbleitertechnologisch hergestellten Miniaturmikrofonen ergeben sich besondere
Nachteile, die durch Dämpfungsverluste im sehr engen Luftspalt bedingt sind. Wird
die Membran von einem periodischen Wechseldruck zu Schwingungen angeregt, so bildet
sich im Luftspalt eine Strömung. Der Strömungswiderstand ist jedoch umso höher, je
schmaler der Luftspalt ist, da die Verluste in erster Linie durch Reibung an den Wänden
zustande kommen. Der Strömungswiderstand ist außerdem frequenzabhängig; er nimmt
mit steigenden Frequenzen zu, so daß die Empfindlichkeit zu höheren Frequenzen hin
stark absinkt. Da die Dämpfungsverluste nicht linear mit einer Spaltverengung zunehmen
sondern progressiv, so ist der negative Einfluß bei Mikrofonen der beschriebenen
Art besonders hoch. Die Möglichkeit, die Gegenelektrode zu durchlöchern ist wegen
ihrer geringen Größe und wegen fehlender Technologie zur Zeit nicht gegeben. Bei dem
in der Literaturstelle angegebenen Mikrofon sinkt daher die Empfindlichkeit aufgrund
von Luftspaltverlusten auf Werte unter -6o dB, bezogen auf 1V/Pa und der Frequenzgang
ist auf einige Kilohertz begrenzt.
[0004] Luftspaltdämpfungen, die zwischen Membran und Gegenelektrode auftreten, ließen sich
durch Verringerung der lateralen Abmessungen der Gegenelektrode verringern. Laterale
Abmessungen sind hier die Abmessungen senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft. Durch
solche Verkleinerungen sinkt jedoch auch die Ruhekapazität des Wandlers. Die untere
Grenze derselben liegt im Hinblick auf die Höhe des in einer Niederfrequenz-Schaltung
gewonnenen Signals bei etwa 1 pF. Eine Verkleinerung der Gegenelektrodenmaße, die
zu einer Verringerung des Strömungswiderstandes führen könnte, kommt daher bei dieser
geringen Ruhekapazität nicht mehr in Betracht.
[0005] Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein mit den Mitteln der Halbleitertechnologie
hergestelltes Miniaturmikrofon zu schaffen, bei welchem die aktive Fläche der Membran
hinsichtlich eines guten Wirkungsgrades wie bei bisher bekannten Mikrofonen erhalten
bleibt, die im Luftspalt auftretenden Dämpfungsverluste jedoch durch eine geeignete
Gestaltung der Gegenelektrode so verringert werden, daß die Nachteile bisher bekannter
Mikrofone vermieden werden. Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
[0006] Eine in ihren lateralen Abmessungen wesentlich verkleinerte Gegenelektrode, die
zwangsläufig auch zu geringeren Dämpfungsverlusten führt, kann verwendet werden, wenn
man davon abgeht, das Ausgangssignal des Wandlers durch die relative Änderung seiner
Ruhekapazität zu gewinnen. Erfindungsgemäß lassen sich daher kleinere Ruhekapazitäten
verwenden, wenn man durch die Bewegungen der Membran die Eingangskapazität eines aktiven
Elementes steuert.
[0007] Feldeffekttransistoren besitzen Gate-Kanal-Kapazitäten im Bereich von 1o⁻¹⁵F, also
von 1/1ooo der oben beispielsweise genannten Membran-Gegenelektrodenkapazität von
1 pF. Wird also die Drain-Kanal-Source-Struktur eines Feldeffekttransistors einer
Membran gegenüber angeordnet, so werden die Strömungsverluste aufgrund der benötigten
sehr geringen Abmessungen der Gegenelektrodenstruktur weitgehend eleminiert. Dieser
Effekt tritt bereits auf, wenn die Breite der Gegenelektrodenstruktur ungefähr ein
Zehntel der Abmessungen der aktiven Membranfläche beträgt.
[0008] Ein kapazitiver Schallwandler nach der Erfindung wird anhand einer Zeichnung nachfolgend
und beispielsweise beschrieben. Es zeigen
die Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines nach der Erfindung arbeitenden Schallwandlers,
die Fig. 2 ein Kleinsignal-Ersatzschaltbild
die Fig. 3 ein mechanisches Ersatzschaltbild
die Fig. 4 eine Frequenzgangdarstellung
die Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Schallwandlers nach der Erfindung
die Fig. 6 eine beispielweise Anordnung mehrerer Schallwandler auf einem Wafer.
[0009] Der prinzipielle Aufbau eines kapazitiven Schallwandlers nach der Erfindung, im
folgenden FET-Mikrofon genannt, ist in der Fig. 1 dargestellt. Eine beispielsweise
mit Aluminium metallisierte Membran befindet sich, getrennt durch einen Luftspalt
d
L über einer Drain-Kanal-Source-Struktur, die im folgenden Gegenelektrodenstruktur
genannt wird. Die Kanalzone dieser Struktur ist mit einer Oxid-Schutzschicht überzogen.
Ein schwach p-dotiertes Siliziumsubstrat bildet die Kanalzone L, die stark n-dotierten
Elektroden bilden Drain und Source des FETs. Es handelt sich hier beispielsweise um
einen N-Kanal-Anreicherungstyp. Die Spannung U
GS, angelegt zwischen der Membran und dem Source-Anschluß bestimmt den Arbeitspunkt
des Feldeffekttransistors.
[0010] Das FET-Mikrofon wird zweckmäßigerweise in einer Source-Schaltung betrieben. Diese
ist in der Figur 3 ebenso dargestellt, wie das dazugehörigende Kleinsignal-Ersatzschaltbild.
Die Betriebsspannung U
B wird dem Mikrofon über den Drain-Widerstand R
d zugeführt, der auf dem die Gegenelektrode bildenden Chip gleich integriert werden
kann. Am Drain-Anschluß wird die Mikrofonausgangsspannung U
a abgegriffen; die Membran ist gegenüber Source mit der Spannung U
GS vorgespannt. In der dargestellten Kleinsignalersatzschaltung der Fig. 3 wird die
Stromquelle mit der mechanisch-elektrischen Steilheit S
me durch die Membranauslenkung X gesteuert. Der eingeprägte Strom erzeugt im Drain-Widerstand
R
d einen Spannungsabfall, der der Ausgangsspannung U
a entspricht.
[0011] Zur Berechnung von Frequenzgang und Empfindlichkeit des FET-Mikrofons wird das in
Abb. 2 gezeigte mechanische Ersatzschaltbild zugrunde gelegt. R
S(w) und M
S(w) stellen die Strahlungsimpedanz Z
mS der Membran dar, M
M die Masse und C
M die Nachgiebigkeit der Membran, die mit der Schnelle v
m schwingt. Das rückwärtige Luftvolumen wird durch die Nachgiebigkeit C
V repräsentiert. Die Eingangskraft K = p x A setzt sich aus der Membranfläche A und
dem vor der Membran herrschenden Wechseldruck p zusammen.
[0012] Aufgrund der Frequenzabhängigkeit der Strahlungsimpedanz müssen für das Ersatzschaltbild
zwei Gültigkeitsbereiche unterschieden werden. Unterhalb von etwa 155 kHz gilt für
die Strahlungsimpedanz Z
mS:
Z
mS= R
S+jwM
S,
mit R
S = 2,245 x 1o⁻¹⁶kg sec x w² und M
S = 3,163 x 1o⁻¹⁰kg.
[0013] Oberhalb 155 kHz ergibt sich für die Strahlungsimpedanz:
Z
mS = R
S+jwM
S,
mit R
S = 2,84o x 1o⁻⁴kg/sec und M
S = (24o,5 kg/sec²) / w².
[0014] Die Membranelemente dynamische Masse M
M und Nachgiebigkeit C
M haben die Werte:
M
M = 7,384 x 1o⁻¹⁰ kg und
C
M = 1/3oT (Zugspannung T in N/m im Bereich 2o...2oo N/m).
[0015] Für die Nachgiebigkeit des rückwärtigen Luftvolumens V gilt:
C
V = V/ρ
OC²A
eff²·
[0016] Als effektive Querschnittsfläche A
eff wird die Membranfläche angesetzt, A
eff = a². Das Volumen ergibt sich durch die Waferdicke, die die Rückvolumenhöhe darstellt.
Sie beträgt 28o um. Somit folgt für C
V:
C
V = 2,866 x 1o⁻³ sec²/kg.
[0017] Masse, Nachgiebigkeit und Reibungsverluste der Luft im Luftspalt können vernachlässigt
werden, da die Breite des Luftspaltes, der Breite der Drain-Kanal-Source-Struktur
entsprechend wesentlich kleiner ist als die lateralen Abmessungen der Membran und
der Öffnungen des Rückvolumens.
[0018] Die Rückwirkung des elektrischen Teils des FET-Mikrofons auf seine mechanischen
Eigenschaften entfällt, da die Membran das elektrische Feld im Luftspalt durch die
Vorspannung U
GS niederohmig treibt. Bei herkömmlichen Kondensatormikrofonen in Niederfrequenzschaltung
kann jedoch die Wirkung der angeschlossenen Schaltung auf das mechanische Verhalten
des Wandlers nicht vernachlässigt werden. Eingangswiderstand und -kapazität des Vorverstärkers
erzeugen eine Dämpfung und eine transformierte "elektrische" Nachgiebigkeit, die in
das Schwingungsverhalten der Membran und damit in das Verhalten des gesamten Wandlers
eingehen.
[0019] Für die mechanische Impedanz Z
m folgt:
Z
m= K/v
m= Z
mS+jwM
M+1/jwC
ges,
wobei C
ges= (1/C
M+1/C
V)⁻¹.
[0020] Mit v
m= jwx und Membranfläche A folgt:
U
a=-S
mexR
D=-S
meR
DV
m/jw = -S
meR
DpA/jwZ
m.
[0021] Für die Mikrofonemepfindlichkeit M
e und ihren Freuquenzgang folgt daraus:
Me = U
a/p = -S
meR
DA/jwZ
m
= -S
meR
DAC
gesx 1/(1-w²M
MC
ges+jwZ
mSC
ges)
[0022] Man erkennt, daß die Mikrofonempfindlichkeit proportional mit der mechanisch-elektrischen
Steilheit S
me und dem Drainwiderstand R
D ansteigt. Diese lassen sich jedoch nicht beliebig vergrößern, da die verfügbare
Höhe der Betriebsspannung U
B und die maximal einstellbare elektrische Membranvorspannung U
GS (Durchschlagfeldstärke im Kanal) Obergrenzen darstellen. Eine große Gesamtnachgiebigkeit
C
ges bedingt eine "weiche" Membran (hohe Nachgiebigkeit C
M) und ein großes Rückvolumen (C
V). Auch hier sind gewisse Grenzen gesetzt. Die kleine Membranfläche A von Subminiaturwandlern
stellt ein inhärentes Problem dar.
[0023] Eine grafische Darstellung der Abhängigkeit der Empfindlichkeit M
e von der Frequenz zeigt die Abb. 4 für verschiedene mechanische Membranspannungen
und Rückvolumina.
[0024] Eine zweckmäßige Ausführungsform eines kapazitiven Schallwandlers nach der Erfindung
wird anhand der Fig. 5 beschrieben. Das FET-Mikrofon besteht aus zwei Chips, von
denen der obere als Membraneinheit 1 die Membran 2 trägt und der untere als Gegenelektrodenstruktur
3 die Drain-Kanal-Source-Struktur 8 des FETs trägt. Die Membran 2 besteht aus einer
15o nm starken Schicht 4 aus Siliziumnitrid, deren mechanische Spannungseigenschaften
durch Ionenimplantationen während des Herstellungsprozesses beeinflußt werden können.
Die Membran 2 wird von einem Stützrahmen 2.1 gehalten, welcher die Membran wallförmig
umgibt und aus dem halbleitenden Grundmaterial, vorzugsweise Silizium besteht. Sie
ist auf ihrer Unterseite mit einer 1oo nm-starken Aluminiumschicht 5 bedampft. Diese
Bedampfung stellt das Gate des FETs dar. In dem unteren Chip werden durch Plasmaätzen
zwei wannenförmige Gruben 6 und 7 eingebracht, die das Rückvolumen des Mikrofons bilden.
Zwischen den Gruben befindet sich ein 8oµm-breiter Steg 8, der die Drain-Kanal-Source-Struktur
9, 1o und 11 des FETs trägt. Der Abstand des Kanals 1o zur Aluminiumschicht der Membran
5 beträgt 2 µm. Auf der Gegenelektrodenstruktur 3 sind ferner drei nicht weiter im
einzelnen dargestellte Anschlußpads 11 für Drainkontakt, Sourcekontakt und die Aluminiumschicht
der Membran, welche den Gate-Kontakt darstellt, angebracht. Eine Ausgleichsbohrung
für den statischen Luftdruck befindet sich im Siliziumoxid-Rand 12 des Gegenelektrodenchips,
sofern die Mikrofonkapsel als Druckwandler mit akustisch abgeschlossenen Volumen arbeiten
soll.
[0025] Die Prozeßschritte zur Herstellung sowohl des Chips für die Membraneinheit als auch
des Chips für die Gegenelektrodenstruktur sind dem in der Halbleitertechnologie bewanderten
Fachmann bekannt und brauchen hier somit nicht weiter beschrieben zu werden. Um das
Zusammenfügen der beiden Halbleiterchips zu ermöglichen, wird noch auf die Siliziumoxidschicht
12 eine Aluminiumschicht 13 aufgebracht. Die beiden Chips werden nun durch Erwärmung
miteinander verbunden, wobei sich die gegenüberliegenden Aluminiumflächen der Membraneinheit
5 und der Gegenelektrodenstruktur 13 miteinander verschmelzen.
[0026] Der in Fig. 5 beschriebene Wandler kann auch zu einem Gegentaktwandler erweitert
werden, indem eine zweite Gegenelektrodenstruktur mit einem geeignet geformten Steg
ähnlich dem Steg 8 in der durch den Wall vorgegebenen Vertiefung der Membraneinheit
1 eingesetzt wird. In diesem Fall muß dann die Membran 2 auf beiden Seiten eine Metallisierung
erhalten. Soll der Wandler in der beschriebenen Weise als Gegentaktwandler arbeiten
oder gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausbildungsform eine Druckgradientencharakteristik
erhalten, so sind die vor beziehungsweise hinter der Membran liegenden Volumina über
Öffnungen mit dem äußeren Schallfeld zu verbinden. In der Fig. 5 sind solche Öffnungen
mit den Bezugsziffern 14 und 15 beispielsweise eingezeichnet.
[0027] Bei der beschriebenen Wandlerausführung ist zunächst in der Gegenelektrodenstruktur
für die Kanalzone das N- oder P-Kanal-Anreicherungsprinzip verwendet worden. In vorteilhafter
Weise kann jedoch auch für die Kanalzone das Verarmungsprinzip eingesetzt werden.
Da hier bereits ein Arbeitspunkt in der FET-Schaltung vorgeben ist, kann hier die
gesonderte Vorspannung für das Gate entfallen, da sie in bekannterweise über einen
im Source-Stromkreis eingesetzten Widerstand selbst erzeugt werden kann.
[0028] Wie aus den Herstellungsverfahren für integrierte Schaltungen bekannt geworden ist,
werden sehr viele einander gleiche Baueinheiten auf einem sogenannten Wafer gleichzeitig
hergestellt und nach abgeschlossenem Herstellungsverfahren auseinandergetrennt. Bei
der Herstellung von kapazitiven Schallwandlern nach der Erfindung ist es nun ebenfalls
möglich, sehr viele Kleinstmikrofone auf einem Wafer herzustellen, sie aber nicht
zu vereinzeln, sondern in besonders geformten Gruppen herauszutrennen. Durch die
Reihenanordnung mehrerer nebeneinanderliegender Mikrofonsysteme und deren elektrische
Zusammenschaltung ist es möglich, beispielsweise ein Interferenz-Richtmikrofon zu
erhalten.
[0029] Ein großer Vorteil bei einem kapazitiven Wandler nach der Erfindung liegt darin,
daß einer relativ großen aktiven Membranfläche, die für einen guten akustischen Wirkungsgrad
des Wandlers gefordert wird, nur ein kleiner Teil der Membranfläche einer Gegenelektrodenstruktur
gegenüber liegt und somit die Strömungsverluste vernachlässigbar klein werden. Daraus
ergibt sich ein großer linearer Übertragungsbereich bei sehr guter Empfindlichkeit,
wie aus der Fig. 4 zu erkennen ist. Weiterhin ist auch das Rauschverhalten des Wandlers
außerordentlich günstig, da der durch Dämpfungen im Luftspalt hervorgerufene Rauschanteil
prinzipbedingt sehr niedrig ausfällt. Kapazitive Wandler werden zumeist in der sogenannten
Niederfrequenzschaltung betrieben und benötigen daher einen Vorwiderstand, dessen
thermisches Rauschen ebenfalls mit wachsendem Widerstandswert zunimmt. Sinkende Wandlerruhekapazitäten
bei Miniaturmikrofonen bedingen bei gleicher unterere Grenzfrequenz jedoch größer
werdende Vorwiderstände, worin bei den bisherigen Ausführungen ein unlösbares Problem
bestand. Da das FET-Mikrofon keinen Vorwiderstand benötigt, ist damit ebenfalls der
Rauschanteil wesentlich verringert worden.
[0030] Das Rauschverhalten kann auch dadurch verbessert werden, daß mehrere auf dem Wafer
gemeinsam entstandene FET-Mikrofone parallel geschaltet als eine Mikrofoneinheit betrieben
werden.
1. Kapazitiver Schallwandler, bestehend aus mindestens zwei zusammengefügten Halbleiterchips,
welche eine Membraneinheit und eine feststehende Gegenelektrodenstruktur verkörpern
und mittels bekannter Methoden der Halbleitertechnologie hergestellt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß der akustisch aktive Teil der Membraneinheit mit mindestens einer Gegenelektrodenstruktur,
welche von der Membraneinheit durch einen Luftspalt getrennt ist, ein einem Feldeffekttransistor
vergleichbares System bildet derart, daß einerseits die aus halbleitendem Grundmaterial
gebildete Membraneinheit eine akustisch aktive Membranfläche umfaßt, deren der Gegenelektrodenstruktur
zugewandte Seite elektrisch leitend ist, und andererseits die Gegenelektrodenstruktur
aus einer aus halbleitenden Grundmaterial herausgearbeiteten, durch eine Source-Drain-Anordnung
begrenzten Kanalstrecke besteht, deren geometrische Breitenabmessung in der Größenordnung
von einem Zehntel der lateralen Abmessung der aktiven Membranfläche liegt.
2. Kapazitiver Schallwandler nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Grundmaterial für die Membraneinheit und die Gegenelektrodenstruktur Silizium
eingesetzt wird, und die aktive Fläche der Membraneinheit aus einer Siliziumnitrid-Schicht
besteht, welche mit Aluminium bedampft und deren mechanische Spannung durch Ionenimplantation
bestimmt ist.
3. Kapazitiver Schallwandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß nach Art eines Gegentaktwandlers beide Seiten der aktiven Fläche der Membran metallisiert
sind und jeder Seite eine Gegenelektrodenstruktur zugeordnet ist.
4. Kapazitiver Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Gegenelektrodenstruktur für die Kanalzone das N- oder P-Kanal-Anreicherungsprinzip
verwendet wird.
5. Kapazitiver Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in der Gegenelektrodenstruktur für die Kanalzone das N- oder P-Kanal-Verarmungsprinzip
verwendet wird.
6. Kapazitiver Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet
durch eine durch ein abgeschlossenes Volumen der Gegenelektrodenstruktur bedingte
Druckwandlercharakteristik.
7. Kapazitiver Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet
durch eine durch in der Gegenelektrodenstruktur außerhalb des Kanalbereichs angeordnete
Öffnungen bedingte Druckgradientencharakteristik.
8. Mehrfachwandler unter Verwendung von kapazitiven Schallwandlern nach einem der
vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet
durch die elektrische Zusammenschaltung mehrerer auf einem Wafer in Reihe angeordneter
und gleichzeitig hergestellter Wandler zu einem Interferenz-Richtmikrofon.
9. Mehrfachwandler unter Verwendung von kapazitiven Wandlern nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
gekennzeichnet
durch die elektrische Parallelschaltung mehrerer auf einem Wafer gemeinsam herausgetrennter
Wandlersysteme.
10. Kapazitiver Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Gegenelektrodenstruktur weitere, Verstärkerschaltungen bildende Bauelemente
integriert sind.