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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft elektroakustische Wandler, wie Mikrofone, und
insbesondere kapazitive elektroakustische Wandler, die in Stapeln
mit Hilfe eines Wafer-Herstellungsprozesses hergestellt werden.
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ZUGRUNDELIEGENDE TECHNIK
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Kapazitive
elektroakustische Wandler werden in einem weitverbreitenden Maß für die Messung von
statischen und dynamischen Drucken verwendet. Traditionell sind
diese kapazitiven Wandler, wie beispielsweise in einem Mikrofon
verwendet, in einer derartigen Weise hergestellt worden, dass eine
Elektrode eines Kondensatoraufbaus durch eine elektrisch leitende
Membran gebildet wird. Diese Membran ist angrenzend zu, aber isoliert
von, einer stationären
Elektrode, die die andere Elektrode des Kondensatoraufbaus bildet,
angeordnet. Die zwei Elektroden sind beabstandet voneinander mit
einem Luftspalt zwischen ihnen angeordnet. Eine relativ hohe DC
Vorspannung wird dann zwischen die Elektroden angelegt. Veränderungen
in dem Elektrodenabstand, verursacht durch Verbiegungen der Membran
im Ansprechen auf die Kraft einer akustischen Wellenenergie, die
auf die Membran einfällt,
erzeugen eine Änderung
in der Kapazität.
Ein Erfassungsnetz ist mit dem kapazitiven Wandler derart verbunden,
dass die Änderung
in der Kapazität
erfasst und in ein elektrisches Signal proportional zu der Kraft
der akustischen Wellenenergie, die auf die Membran angewendet wird,
transformiert wird. Ein Wandler dieses Typs ist in der US-A-4621171
offenbart.
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Die
Empfindlichkeit und das Betriebsverhalten eines kapazitiven elektroakustischen
Wandlers ist eng mit der Ruhe-Beabstandung zwischen der Membran
und der stationären
Elektrode verknüpft. Somit
muss diese Beabstandung (dieser Abstand) genau gesteuert werden.
Um eine genaue Steuerung zu erreichen, werden enge Bearbeitungstoleranzen für die Teile
benötigt,
die den Wandler bilden. Es kann extrem schwierig sein die benötigten Toleranzen
in der Herstellung einzuhalten. Infolgedessen werden diese Einrichtungen
oft per Hand aus bearbeiteten Teilen gebaut, in einer Anstrengung,
um das Ansprechverhalten und die Empfindlichkeits-Charakteristiken
zu erfüllen,
die von der bestimmten Anwendung auferlegt werden, in der der Wandler
verwendet werden soll. Somit neigt die manuelle Herstellung dazu,
die Kosten der Wandler zu erhöhen.
Zusätzlich zeigt
jeder Wandler, der so hergestellt wird, ein geringfügig anderes
Ansprechverhalten, in der Phase und in der Amplitude auf.
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Die
Empfindlichkeit und das Ansprechverhalten eines kapazitiven elektroakustischen
Wandlers ist auch eng mit seiner thermischen Stabilität verbunden.
Diese thermische Stabilität
hängt teilweise
von der Änderung
in der Trennung zwischen der Membran und der stationären Elektrode,
verursacht durch eine Ausdehnung oder Kontraktion der Wandlerkomponenten,
wenn sie sich ändernden
Temperaturen ausgesetzt werden, ab. Es ist schwierig gewesen, den
kritischen Elektrodenabstand in existierenden kapazitiven Wandlern über einer
sich stark ändernden
Temperaturumgebung aufrecht zu erhalten. Dies trifft insbesondere
zu, wenn die differenzielle axiale Ausdehnungslänge der Komponenten zunächst groß ist. Zum
Beispiel weisen viele existierende Wandler Expansionslängen in
der Größenordnung
von 6,4 mm (0,25 inch) auf. Größere Ausdehnungslängen bedeuten,
dass eine Expansion und Kontraktion der Wandlerelemente in dem Elektrodentrennungsabstand
erzeugen. Eine signifikante Änderung
in diesem Trennungsabstand verändert
das Ansprechverhalten des Wandlers. Zusätzlich beeinflussen auch Änderungen
in der Spannung auf der Membran, die sich aus unterschiedlichen
Ausdehnungsraten für das
Gehäuse
im Gegensatz zu der Membran ergeben, ebenfalls die thermische Stabilität des Wandlers.
Wenn der Spannung der Membran erlaubt wird sich mit der Temperatur
zu ändern,
dann wird die Empfindlichkeit des Wandlers geändert.
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Was
deshalb benötigt
wird ist ein kapazitiver elektroakustischer Wandler, der mit einem
konsistenten und reproduzierbaren Ansprechverhalten und Empfindlichkeits-Betriebsverhaltens-Charakteristiken
in Stapeln (als batch) erzeugt werden kann und der diese Charakteristiken
sogar über
einer sich stark ändernden
Temperaturumgebung aufrecht erhält.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die
Erfindung ist ein kapazitiver elektroakustischer Wandler, wie in
den Ansprüchen
1 und 10 beansprucht.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven elektroakustischen
Wandler bereitzustellen, der durch einen wiederholbaren Prozess
hergestellt wird, der einen gewünschten
Ruhe-Abstand zwischen
der Membran und planaren Elektroden des Wandlers ohne die Notwendigkeit
einer manuellen Herstellung erzeugt.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven
elektroakustischen Wandler bereitzustellen, der mit einem wiederholbaren
und konsistenten Ansprechverhalten und Empfindlichkeits-Betriebsverhaltens-Charakteristiken zwischen
den so hergestellten Wandlern stapelweise produziert werden kann.
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Es
ist auch eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen kapazitiven
elektroakustischen Wandler bereitzustellen, der konsistente Ansprechverhalten-
und Empfindlichkeitsverhalten-Charakteristiken über einer
sich stark ändernden Temperaturumgebung
aufrecht erhält.
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Die
voranstehenden Aufgaben werden durch einen kapazitiven elektroakustischen
Wandler gelöst, der
umfasst: ein elektrisch isolierendes Substrat, eine Schicht auf
einem leitenden Material, die auf einem Abschnitt einer oberen Oberfläche des
Substrats angeordnet ist, wobei eine erste Elektrode des Wandlers
gebildet wird, eine leitende Membran, die eine zweite Elektrode
des Wandlers bildet und die in Bezug auf die erste Elektrode verbiegbar
ist, und einen Aufbau zum elektrischen und physikalischen Trennen
der ersten und zweiten Elektrode in einer beabstandeten Beziehung,
um so einen Kondensator zu bilden. Diese elektrische und physikalische
Trennung ermöglicht
einem elektrischen Feld, dass zwischen der ersten und zweiten Elektrode
gebildet wird, sich in Bezug auf Verbiegungen der zweiten Elektrode
zu verändern,
um eine Umwandlung zwischen elektrischen und akustischen Signalen
zuzulassen.
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Zusätzlich kann
das Substrat und die erste Elektrode wenigstens ein Durchloch einschließen, um
zu ermöglichen,
dass Luft, die in den Raum eingefangen ist, der zwischen der Membran
und den oberen Oberflächen
des Substrats und der Elektrode gebildet ist, an einen Bereich entweicht,
der angrenzend zu einer hinteren Oberfläche des Substrats ist. Die
Anzahl und der Durchmesser von diesen Löchern bestimmt den Widerstand
gegenüber
dem voranstehend erwähnten
Schluss und bestimmt somit teilweise die Ansprechcharakteristiken
des Wandlers. Ferner umfasst die Membran ein Belüftungsloch zum Ausgleichen
eines relativen Drucks zwischen der Umgebungsluft außerhalb
der Membran und Luft innerhalb der Membran. Diese Ausgleichung wird
benötigt,
um stabile Wandlerbetriebsverhalten-Charakteristiken angesichts
von Änderungen
in dem externen Luftdruck bereitzustellen. Zusätzlich kann die Größe des Belüftungslochs
verändert
werden, um die Ansprechcharakteristiken des Wandlers abzustimmen.
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Der
Trennungsaufbau ist ein Membrananbringungsring, der um den Umfang
der oberen Oberfläche
des Substrats angeordnet und von der ersten Elektrode getrennt ist.
Der Ring ist dicker als die Elektrode um einen Betrag entsprechend
zu einer gewünschten
Trennung zwischen der Membran und der ersten Elektrode. Die Membran
ist auch umfangsmäßig an diesem
Membrananbringungsring gebondet. Zusätzlich ist ein Kompensationsring
auf einer gegenüberliegenden
Seite des Substrats in einem Gebiet entsprechend zu dem Membrananbringungsring auf
der oberen Oberfläche
des Substrats angeordnet. Dieser Kompensationsring weist die gleiche
physikalische Größe wie der
Membrananbringungsring auf und ist aus dem gleichen Material gebildet.
Der Zweck des Kompensationsrings besteht darin irgendwelche mechanischen
Spannungen auszugleichen, die in dem Substrat durch die thermische
Ausdehnung (Expansion) und Kontraktion des Membrananbringungsrings
verursacht wird. Ferner sind der Membrananbringungsring und der
Kompensationsring elektrisch leitend und können elektrisch verbunden werden,
wodurch eine Verbindung des Anbringungsrings mit Masse oder mit
elektronischen Komponenten von der Rückseite des Substrats erlaubt wird.
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Vorzugsweise
ist eine Schicht aus einem leitenden Material auf den Seiten der
Durchlöcher
und auf einer Bodenfläche
des Substrats angeordnet, um einen elektrischen Pfad zwischen der
ersten Elektrode und der Schicht des leitenden Materials auf der Bodenoberfläche des
Substrats bereitzustellen. Dieser Pfad ermöglicht die Verbindung der ersten
Elektrode mit der Elektronik des Wandlers.
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Der
voranstehend beschriebene Wandler zeigt einen hohen Grad einer thermischen
Stabilität auf.
Die Stabilität
ist teilweise die Folge davon, dass das Substrat und die Membran
aus Materialien gebildet sind, die eng angepasste thermische Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Dieses Merkmal stellt sicher, dass die mechanische Spannung
in der Membran sogar mit sich veränderten Temperaturen konstant
bleibt, wodurch eine konstante Wandlerempfindlichkeit aufrecht erhalten
wird. Vorzugsweise ist das Substrat aus einem FORSTERITE Keramikmaterial
gebildet und die Membran ist aus einer Titanfolie gebildet, die
eng angepasste thermische Expansionskoeffizienten aufweisen. Zusätzlich wird
der Abstand, der die erste und zweite Elektrode trennt, minimiert,
um so einen kurzen thermischen Expansionsweg zu schaffen. Diese
kurze Wegelänge,
minimiert Änderungen
in dem Ansprechverhalten des Wandlers als Folge von Veränderungen
in der Temperatur. Vorzugsweise ist der Abstand, der die erste und
zweite Elektrode trennt, ungefähr
0,025 mm (0,001 inch). Wenn bevorzugt wird, dass das Substrat und
die Membran aus Materialien gebildet sind, die unähnliche
thermische Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann jedoch ein anderes
Verfahren für eine
thermische Kompensation verwendet werden. Eine erste Schicht aus
einem thermisch kompensierenden Material wird zwischen der ersten
Elektrode und dem Substrat angeordnet und eine zweite Schicht aus
einem thermisch kompensierenden Material ist auf einer gegenüberliegenden
Seite des Substrats in einem Gebiet entsprechend zu der ersten Schicht
auf der oberen Oberfläche
des Substrats angeordnet. Das thermisch kompensierende Material weist
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, sodass das Substrat
veranlasst wird sich bei einer Rate, die im Wesentlichen ähnlich zu
derjenigen der Membran ist, auszudehnen und zusammenzuziehen. Somit
bleibt die Empfindlichkeit des Wandlers unter sich ändernden
Temperaturen konstant. Zusätzlich
kann eine dritte Schicht aus einem thermisch kompensierenden Material
zwischen dem Substrat und dem Membranabringungsring angeordnet werden und
eine vierte Schicht aus einem thermisch kompensierenden Material
kann auf der gegenüberliegenden
Seite des Substrats in einem Gebiet entsprechend zu dem Ort der
dritten Schicht auf der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet
werden. Diese zusätzliche
Anbringung eines thermisch kompensierenden Materials verbessert
erweitert den voranstehend erwähnten
Stabilisierungseffekt.
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Der
kapazitive elektroakustische Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung
wird durch ein Verfahren hergestellt, welches die folgenden Schritte einschließt: Bilden
des elektrisch isolierenden Substrats, Bilden der ersten Elektrode über einen
Teil einer oberen Oberfläche
des Substrats, Bilden der Struktur zum elektrischen und physikalischen
Trennen der ersten Elektrode von der Membran, und Anfängen der
Membran. Der Schritt zum Bilden des elektrisch isolierenden Substrats
umfasst ein Schneiden eines kreisförmigen Schlitzes durch einen
Wafer, der aus einem elektrisch isolierenden Material gebildet ist. Der
kreisförmige
Schlitz wird durch wenigstens zwei Ansätze unterbrochen, die einen
kreisförmigen
Bereich verbinden, der von dem kreisförmigen Schlitz umschlossen
wird und das Substrat bildet, mit dem Rest des Wafers. Diese Ansätze sind
brechbar, um so das Substrats von dem Rest des Wafers freizugeben.
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Der
Schritt zum Bilden der ersten Elektrode über einem Teil einer oberen
Oberfläche
des Substrats umfasst ein Ablagern einer Schicht aus Metall in einem
zentralen Bereich davon. In ähnlicher
Weise umfasst der Schritt zum Bilden der Struktur zum elektrischen
und physikalischen Trennen der ersten Elektrode von dem Membran
ein Ablagern einer Schicht aus Metall, um den Membrananbringungsring
zu bilden. Jedoch könnte
der Mittenleiter und der Membrananbringungsring alternativ dadurch
gebildet werden, dass zunächst
eine Schicht aus Metall über
der oberen Oberfläche
des Substrats abgelagert wird und dann das Metall geätzt wird,
um die erste Elektrode und den Membrananbringungsring zu bilden.
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Der
voranstehend erwähnte
Schritt zum Anbringen einer leitenden Membran beinhaltet vorzugsweise
ein Bonden des Umfangs der Membran an dem Membrananbringungsring
durch eine thermische Diffusion. Jedoch können, wenn gewünscht, herkömmliche
Klebemittel verwendet werden.
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Das
Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven elektroakustischen Wandlers
kann auch umfassen, dass die voranstehend erwähnten ein oder mehrere Löcher in
dem Substrat und der ersten Elektrode gebildet werden, um zu ermöglichen,
dass Luft, die in einem Raum zwischen der Membran und der oberen Oberfläche des
Substrats und der ersten Elektrode eingefangen ist, an einen Bereich
angrenzend zu einer hinteren Oberfläche des Substrats entweicht.
Zusätzlich
kann die voranstehend erwähnte
Schicht aus leitendem Material auf den Seiten der Durchlöcher und
auf einer Bodenfläche
des Substrats durch Ablagern von Metall auf diesen Oberflächen gebildet
werden. Ferner kann der Schutz zum bilden der Schicht aus leitendem
Material auf der Bodenoberfläche
des Substrats einbilden einer ersten Schicht aus Material in einem
zentralen Bereich des Substrats und einer zweiten Schicht aus Material,
die einen Kompensationsring bildet, einschließen. Der Kompensationsring ist
um den Umfang der Bodenoberfläche
des Substrats angeordnet und von der ersten Schicht getrennt. Zusätzlich kann
die erste Schicht die gleiche physikalische Größe wie die erste Elektrode
aufweisen und aus dem gleichen Material gebildet werden, und der Kompensationsring
weist die gleiche physikalische Größe wie der Membrananbringungsring
auf und ist aus dem gleichen Material. Der Membrananbringungsring
und der Kompensationsring können
auch elektrisch verbunden werden. Schließlich ist es möglich die
voranstehend erwähnten
Schichten auf einem thermisch kompensierenden Material auf dem Substrat
zu bilden, wenn das Substrat und die Membran aus Materialen gebildet
sind, die unähnliche thermische
Ausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Das
voranstehend erwähnte
Herstellungsverfahren ist nicht auf die Herstellung eines einzelnen Wandler
begrenzt. Das Verfahren ist vielmehr auf die Herstellung von vielen
Wandlern gleichzeitig anwendbar. Dies würde durch Bilden einer Vielzahl
von elektrisch isolierenden Substraten durch Schneiden einer Vielzahl
von kreisförmigen
Schlitzen durch einen größeren Wafer
erreicht. Jeder kreisförmige Schlitz
wird durch wenigstens zwei Ansätze
unterbrochen, wie zuvor. Dies erlaubt die Freigabe der Substrate
von dem Rest des Wafers durch Brechen der Ansätze. Zusätzlich wird eine Schicht aus
einem leitenden Material über
einem Teil einer oberen Oberfläche von
jedem Substrat gebildet, um die erste Elektrode jedes Wandlers zu
bilden. In ähnlicher
Weise wird die Struktur zum elektrischen und physikalischen Trennen
der ersten Elektrode von einer zweiten Elektrode über einem
Teil der oberen Oberfläche
von jedem Substrat durch Aufbringen einer Schicht aus Metall, um
den Membrananbringungsring zu bilden, gebildet. Als nächstes wird
die leitende Membran, die die zweite Elektrode des Wandlers bildet,
an jedem Membrananbringungsring angebracht. Dies wird erreicht,
indem eine einzelne Schicht aus einem Material, welches ein Material
umfasst, das die Membran ausmacht, auf eine gewünschte Spannung gedehnt wird
und dann die gedehnte Materialschicht auf dem Wafer platziert wird,
sodass Abschnitte der Schicht in Kontakt mit jedem der Membrananbringungsringe, die
auf dem Wafer angeordnet sind, kommen. Die Abschnitte der gedehnten
Materialschicht, die jeden Membrananbringungsring kontaktieren,
werden dann jeweils an jedem Ring gebondet. Schließlich werden die überschüssigen Abschnitte
der gedehnten Schicht, die außerhalb
einer äußeren Kante
von jedem Membranabringungsring existieren, weggeschnitten.
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Es
lässt sich
ersehen, dass sämtliche
angegebenen Zielrichtungen der Erfindung durch die voranstehend
beschriebene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erreicht worden sind. Zusätzlich werden
andere Ziele, Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung aus
der ausführlichen
nun folgenden Beschreibung ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit
den Zeichnungsfiguren genommen wird, die sie begleiten.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Merkmale, Aspekte, und Vorteile der vorliegenden Erfindung
lassen sich besser unter Bezug auf die folgende Beschreibung, die angehängten Ansprüche und
die beiliegenden Zeichnungen verstehen. In den Zeichnungen zeigen:
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1A eine
perspektivische Ansicht eines kapazitiven elektroakustischen Wandlers,
der die Merkmale der vorliegenden Erfindung beinhaltet;
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1B eine
Querschnittsansicht des Wandlers der 1A;
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2 eine
teilweise weggeschnittene Ansicht eines Mikrophons, in das der Wandler
der 1A eingebaut ist;
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3A–D perspektivische Ansichten des Wandlers
der 1A während
verschiedener Stufen der Herstellung in Übereinstimmung mit Verfahrensmerkmalen
der vorliegenden Erfindung;
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4A–B perspektivische Ansichten einer Vielzahl
der Wandler der 1A, die gleichzeitig in einer
Stapelverarbeitung hergestellt werden, und zwar während unterschiedlicher
Stufen der Herstellung in Übereinstimmung
mit Verfahrensmerkmalen der vorliegenden Erfindung;
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5 eine
Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform eines Wandlers in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, wobei Schichten aus einem thermisch
kompensierenden Material verwendet werden.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Die 1A–B zeigen einen kapazitiven elektroakustischen
Wandler 10 in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Wandler 10 umfasst ein
zylindrisches Substrat 12, das aus einem isolierendem Material
gebildet ist. Dieses isolierende Material ist vorzugsweise FORSTERITE
Keramik, und das Substrat 12 weist vorzugsweise einen Durchmesser
von ungefähr
7,6 mm (0,30 inch) und eine gleichförmige Dicke von ungefähr 0,64
mm (0,025 inch) auf. Der Mittenabschnitt des Substrats 12 ist
mit einer dünnen
leitenden Schicht abgedeckt, um eine Mittenelektrode 16 des
Wandlers 10 zu bilden. Vorzugsweise ist diese leitende
Schicht eine dünne
Schicht aus Gold mit einer Dicke in dem Bereich von ungefähr 1000
A – 0,01 mm
(0,5 Mils). Zusätzlich
wird bevorzugt, dass die Mittenelektrode 16 eine kreisförmige Form
mit einem Durchmesser von ungefähr
5 mm (0,2 inch) breit aufweist. Der Umfang des Substrats 12 ist
mit einer ringförmigen
leitenden Schicht abgedeckt, die den Membrananbringung Ring 18 bildet.
Vorzugsweise ist dieser Ring ebenfalls aus Gold gebildet. Der Ring 18 ist dicker
als die leitende Schicht der Mittenelektrode 16 und ist
davon durch einen ringförmigen
Raum 20, der vorzugsweise ungefähr 5 mm (0,2 inch) breit ist,
getrennt. Ferner ist ein Kompensationsring 17 auf der Seite
des Substrats 12 gegenüberliegend
zu dem Membrananbringungsring 18 angeordnet. Dieser Kompensationsring 17 weist
die gleichen physikalischen Dimensionen und Anordnung wie der Anbringungsring 18 auf
und ist aus dem gleichen Material (vorzugsweise Gold) gebildet.
Dieser Ring 17 wird verwendet, um potenzielle mechanische
Spannungen auszugleichen, die auf das Substrat 12 durch den
Anbringungsring 18 als Folge seiner thermischen Ausdehnung
oder Kontraktion ausgeübt
werden, wobei angenommen wird, dass das Substrat 12 und
der Anbringungsring 18 unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Es ist wünschenswert
die voranstehend erwähnte
mechanische Spannung auszugleichen, weil dies ein biegendes Substrat
verursachen und zu einer Änderung
in den Betriebscharakteristiken des Wandlers 10 führen könnte. Durch
Einbauen des Kompensationsringes 17 auf der gegenüberliegenden
Seite des Substrats 12 werden jedoch irgendwelche hervorgerufenen
mechanischen Spannungen ausgeglichen. Zusätzlich können der Anbringungsring 18 und
der Kompensationsring 17 über eine Metallisierungsschicht 19 um
die Kante des Substrats herum elektrisch verbunden werden. Diese
Metallisierungsschicht 19 ermöglicht, dass der Anbringungsring 18 mit
Masse oder mit elektronischen Komponenten von der Rückseite
des Wandlers 10 verbunden wird. Der Vorteil dieses rückseitigen
Verbindungsschemas wird nachstehend noch eingehend in Verbindung
mit einer Beschreibung der Verpackung des Wandlers in ein Mikrophon
diskutiert werden.
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Eine
dünne leitende
Membran 22 erstreckt sich über die Mittenelektrode 16 und
ist an ihren Kanten an dem Ring 18 angebracht, wie sich
am Besten in 1B ersehen lässt. Diese Membran 22 ist
vorzugsweise aus einer ungefähr
0,0025 mm (0,0001 inch) dicken Titanfolie gebildet. Eine Titanfolie
dieser Dicke wird die notwendige Empfindlichkeit für den akustischen
Eingang bereitstellen, während
gleichzeitig die mechanische Festigkeit bereitgestellt wird, die
benötigt
wird, um sicherzustellen, dass die Membran 22 vom Aufbau
her ausgereift ist.
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Der
Anbringungsring 18 ist dicker als die Mittenelektrode 16,
um zu bewirken, dass die Membran 22 über der Mittenelektrode 16 durch
einen Luftspalt 24 beabstandet ist. Dies erzeugt eine kapazitive Struktur,
wobei die Mittenelektrode 16 eine stationäre Elektrode
bildet und die Membran 22 eine bewegbare Elektrode bildet.
Der ringförmige
Raum 20 zwischen dem Membrananbringungsring 18 der
Mittenelektrode 16 bildet eine elektrische Oberflächenbarriere
zwischen den Elementen, um die kapazitive Struktur fertig zu stellen.
Vorzugsweise beträgt
der Abstand zwischen den zwei Elektroden 16, 22 ungefähr 0,025 mm
(0,001 inch). Somit ist der Anbringungsring 18 vorzugsweise
ungefähr
0,025 mm (0,001 inch) dicker als die Mittenelektrode 16.
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Zusätzlich ist
ein kleines Belüftungsloch 26 in der
Membran 22 gebildet, um den Druck zwischen der Umgebungsluft
außerhalb
der Membran 22 und dem Luftspalt 24 hinter der
Membran 22 auszugleichen. Dies vermeidet eine unerwünschte Verbiegung der
Membran 22 als Folge von Änderungen in dem Umgebungsdruck.
Zusätzlich
bestimmt der Durchmesser des Belüftungslochs 26 den
Niederfrequenz-Abschneidepunkt
in dem Ansprechverhalten des Wandlers. Es wird bevorzugt, dass dieses
Belüftungsloch 26 ungefähr 0,038
mm (0,0015 inch) im Durchmesser ist. Ein herkömmlicher Lasertrimmprozess
kann verwendet werden, um ein Loch 26 mit diesem Durchmesser
in der Membran 22 zu erzeugen.
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Es
gibt auch eine Reihe von gleichförmig
beabstandeten Löchern 14,
die durch das Substrat 12 und die darüber liegende Mittenelektrode 16 gebildet sind.
Die Anzahl von Löchern 14 und
deren jeweilige Durchmesser bestimmen teilweise das Ansprechverhalten
des Wandlers 10. Wenn unter der Annahme eines Lochdurchmessers
von ungefähr
0,64 mm (0,025 inch) eine große
Anzahl von Löchern 14 (d.
h. vorzugsweise 12) gebildet werden, besteht ein sehr geringer
Widerstand gegenüber
einer Bewegung von Luft von dem Raum, der zwischen der Membran 22 und
den oberen Oberflächen
des Substrats 12 und der Mittenelektrode 16 gebildet
wird. Dies führt
zu einem Wandleransprechverhalten mit einer im Wesentlichen konstanten
Phase, aber mit einer großen
Spitze in dem Ansprechverhalten bei einer Resonanz. Diese Charakteristiken
sind bei Anwendungen wünschenswert,
bei denen eine konstante Phase benötigt wird. Die Spannungsspitze
kann unter Verwendung einer Filterungselektronik geglättet werden. Wenn
jedoch weniger Löcher 14 verwendet
werden, nimmt der Widerstand gegenüber einer Bewegung von Luft
zu. Dieser höhere
Flusswiderstand glättet die
Spannungsspitze in dem Ansprechverhalten des Wandlers heraus, stellt
aber nicht die voranstehend erwähnte
Konstanteigenschaft in der Phase bereit. Die glatteren Ansprechverhaltens-Charakteristiken dieses
letzteren Ansatzes haben Vorteile in einigen Anwendungen.
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Der
voranstehend beschriebene kapazitive elektroakustische Wandler 10,
der die bevorzugte Dimensionen verwendet und zwölf durch Löcher 14 aufweist,
wird ein Ansprechverhalten in einem Bereich von ungefähr 5 Hz–10 KHz
aufweisen und wird eine Empfindlichkeit von ungefähr –40 Dbv aufweisen. Natürlich können diese Charakteristiken
des Betriebsverhaltens modifiziert werden, um der Anwendung angepasst
zu sein, indem unterschiedliche Wandlerdimensionen verwendet werden.
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Die
Löcher 14 und
die Oberfläche
des Substrats 12 gegenüberliegend
zu der Mittenelektrode 16 sind ebenfalls metallisiert,
um einen elektrischen Weg zwischen der Mittenelektrode 16 und
den Boden des Substrats 12 bereitzustellen. Dies erleichtert
die Verpackung des Wandlers 10 in einem Mikrophon, wie
beispielhaft in 2 dargestellt. Der Wandler 10 ist
in einem leitenden Gehäuse 28 installiert,
welches ebenfalls die elektronischen Komponenten 30 enthält, die
erforderlich sind, um Änderungen
in der Kapazität
des Wandlers 10, verursacht durch die Kraft der akustischen
Wellen, die auf die Membran 22 auftreffen, zu erfassen
und zu verarbeiten. Die Mittenelektrode ist mit der Elektronik 30 mit
Hilfe eines Federkontakts 32 verbunden, der die voranstehend
erwähnte
Metallisierung auf der gegenüberliegenden Seite
des Substrats 12 berührt.
Dem gegenüber
ist der elektrische Weg zwischen der Membran 22 und der
Elektronik 30 über
das leitende Gehäuse 28 oder den
voranstehend beschriebenen Kompensationsring bereitgestellt. Die
Membran 22 ist elektrisch mit dem Gehäuse 28 über einen
leitenden Abstandsring 34, der zwischen dem Gehäuse 28 und
dem Umfang der Membran 22 angeordnet ist, verbunden. Dieser Abstandsring 34 trennt
den Vibrationsabschnitt der Membran 22 zusätzlich von
dem oberen Teil des Gehäuses 28,
um eine Interferenz zwischen zwei Strukturen zu verhindern. Der
obere Teil des Gehäuses 28 ist
perforiert. Die Perforationen ermöglichen, dass die akustischen
Wellen da durch gehen und auf der Membran 22 auftreffen.
Der Boden des Gehäuses 28 ist
abgedichtet, um zu verhindern, dass Schallwellen eintreten und auf
der Rückseite
der Membran 22 auftreffen. Ohne eine derartige Vorkehrung
würde die Funktion
der Einrichtung zerstört
werden, da die Schallwellen, die auf der Vorderseite und Rückseite der
Membran 22 wirken, deren Vibration dämpfen oder reduzieren würden.
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Die 3A–D illustrieren die bevorzugte Sequenz zum
Herstellen eines kapazitiven elektroakustischen Wandlers in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Der Prozess beginnt mit einem Wafer 102.
Der Wafer 102 wird mit einem Laser bearbeitet, um die Durchlöcher 104 zu
erzeugen und die kreisförmige äußere Kante 106 des
Substrats 108 des Wandlers zu bilden, wie in 3A gezeigt.
Es lässt
sich ersehen, dass das Substrat 108 mit dem Rest des Wafers 102 über zwei
dünne Speichen 110 verbunden
ist, sodass es durch Brechen der Speichen 110, nachdem
die Herstellungsprozesse des Wandlers abgeschlossen sind, leicht
getrennt werden kann.
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Obwohl
zwei Speichen 110 bevorzugt sind, können weniger oder mehr verwendet
werden, wenn gewünscht.
Da der fertig gestellte Wandler mechanisch frei-gebrochen werden
kann, besteht keine Notwendigkeit den Wafer 102 zu sägen. Ein
Sägevorgang
würde erfordern,
dass der Wandler eine allgemein quadratische Form aufweist, anstelle
der praktischeren kreisförmigen
Form gemäß der vorliegenden
Erfindung. Zusätzlich
wird die Erzeugung von potenziell schädlichem Staub von dem Sägeprozess
beseitigt.
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3B zeigt
den ersten Metallisierungsschritt des Prozesses. In diesem Schritt
wird eine dünne
Metallschicht auf den oberen Teil des Substrats 108 abgelagert,
um die Mittenelektrode 112 und die Basis 114 des
Membrananbringungsringes zu bilden. Zusätzlich wird das Metall auf
den Seiten der Durchlöcher 104 und
auf den Boden des Substrats 108 gegenüberliegend zu der Mittenelektrode 112 aufgebracht.
Der zweite Metallisierungsschritt ist in 3C dargestellt.
In diesem Schritt wird Metall auf dem oberen Teil des in der Basis
des Membrananbringungsrings aufgebracht, um den Ring 116 aufzubauen.
Der aufgebaute Ring 116 wird dann vollständig gleichförmig in
der Höhe
gemacht, zum Beispiel dadurch, dass seine obere Oberfläche mit
einem Werkzeug geläppt
wird, das einen Diamantstop verwendet.
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Die
Membran 118 wird dann auf die gewünschte Spannung, vorzugsweise
ungefähr
1000 N/m gedehnt und an die obere Oberfläche des Membrananbringungsringes 116 gebondet,
wie in 3D gezeigt. Obwohl die Membran 118 an
den Ring 116 unter Verwendung von herkömmlichen Klebemitteln gebondet
werden könnte,
wird bevorzugt, dass ein thermischer Diffusionsprozess verwendet
wird. Irgendwelches überschüssiges Membranmaterial, welches
sich über
den Umfang des Rings 116 hinaus erstreckt, wird nach dem
Bonden entfernt, um ein Ablösen
während
einer nachfolgenden Verarbeitung zu verhindern.
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Obwohl
ein bevorzugter Dünnfilm-Ablagerungsprozess
voranstehend beschrieben wird, ist nicht beabsichtigt, dass die
Erfindung auf dieses Verfahren beschränkt ist. Anstelle davon können ähnliche
Ergebnisse erhalten werden, wenn Dickfilm-Prozesse verwendet werden,
wie Beispielsweise ein Siebdruck oder eine Elektroplattierung. Zusätzlich könnten subtraktive
Prozesse verwendet werden. In diesen subtraktiven Prozessen wird
eine dicke Schicht aus einem leitenden Material selektiv weggeätzt, um
die voranstehend beschriebene Wandlerstruktur zu erzeugen. Sämtliche
erwähnten
Prozesse sind in dem technischen Gebiet altbekannt und bilden keine
neuartigen Aspekte der Erfindung. Demzufolge wird eine ausführliche
Beschreibung jedes Verfahrens hier nicht vorgesehen.
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Durchschnittsfachleute
in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass die voranstehend
beschriebenen Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven elektroakustischen
Wandlers für
eine Staplerverarbeitung (Batch-Verarbeitung) geeignet sind. Wie
in 4A gezeigt werden einzelne Wandler 200, ohne
Membrane, einfach in einem nicht-überlappenden Muster auf dem
Wafer 202 gebildet. Eine Schicht aus einer Titanfolie,
die groß genug
ist, um den Wafer 202 zu bedecken, wird dann auf die gewünschte Spannung
gedehnt und über
den Wafer 202 aufgebracht, sodass sie in Kontakt mit jedem
der Membranabringungsringe ist. Die Folienschicht wird dann an die
Ringe gebunden (gebondet) und die überschüssige Folie außerhalb
der Kante von jedem Ring wird mit einem Laser geschlitzt, um zu
ermöglichen, dass
individuelle Wandlerelemente getrennt werden. Die Ergebnisse sind
die in 4B gezeigten fertig gestellten
Wandler 200. Der einzig verbleibende Vorgang ist die Ansätze zu brechen,
die jeden Wandler an den Wafer halten.
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In
einer getesteten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wurden dreiundzwanzig (23) Wandler gleichzeitig
auf einem 51 mm × 51
mm (2 × 2
inch) quadratischen Wafer gleichzeitig hergestellt. Ein 51 mm × 51 mm
(2 × 2
inch) Wafer wurde für
die getestete Ausführungsform
gewählt,
sodass eine kommerziell erhältliche
89 mm (3,5 inch) breite Schicht einer Titanfolie über den
Wafer gedehnt und an die einzelnen Membrananbringungsringe gebondet
werden konnten. Jedoch könnten
größere Wafer und
Titanfolienschichten je nach Verfügbarkeit verwendet werden,
um gleichzeitig weitaus mehr Wandler als in der voranstehend erwähnten getesteten Ausführungsform
zu erzeugen. Es wird vorhergesehen, dass 100 oder mehr Wandler auf
einem einzelnen Wafer mit geeigneter Größe erzeugt werden könnten. Diese
Stapelverarbeitung würde
zu beträchtlichen
Kosteneinsparungen gegenüber
den manuellen Herstellungsverfahren, die für den Stand der Technik typisch
sind, führen.
Wegen der Genauigkeit einer gegenwärtigen Laserbearbeitung und
von Metallablagerungs-/Ätzprozessen
wird zusätzlich
jeder der Wandler, die auf dem Wafer erzeugt werden, im Wesentlichen
identische strukturelle Dimensionen aufweisen. Demzufolge werden
die Charakteristiken des sich ergebenden Ansprechverhaltens und
des Empfindlichkeits-Betriebsverhaltens von jedem so erzeugten Wandler
diejenigen von jedem anderen Wandler von dem Wafer widerspiegeln.
Demzufolge können
die gleichen Charakteristiken von einem Wafer zu dem nächsten aufrecht
erhalten werden, sodass ermöglicht
wird Konsistentwandler mit wiederholbaren und vorgegebenen Charakteristiken
des Ansprechverhaltens und des Empfindlichkeits-Betriebsverhaltens zu erzeugen. Obwohl
die bevorzugten Materialien und dimensionsmäßigen Spezifikationen voranstehend
bereit gestellt wurden, sei darauf hingewiesen, dass diese leicht
modifiziert werden können,
um die Charakteristiken des Betriebsverhaltens des Wandlers zu verändern. Somit
ermöglichen Herstellungsverfahren
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zusätzlich die Charakteristik des
Betriebsverhaltens eines Wandlers mitwenig Schwierigkeiten kundenspezifisch
zuzuschneiden.
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Kapazitive
elektroakustische Wandler, die in Übereinstimmung mit dem bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, zeigen auch eine hervorragende
thermische Stabilität
auf. Wie voranstehend diskutiert ist die thermische Stabilität teilweise
unabhängig
von der Veränderung
in der Trennung zwischen der Membran und der stationären Elektrode,
verursacht durch die Expansion und Kontraktion der Wandlerkomponenten
als Folge einer Änderung
in der Temperatur. Je kleiner der Abstand (die Trennung) zwischen
der Membran und der Elektrode ist, desto relativ geringer werden
die Änderungen
sein, die als Folge der voranstehend erwähnten Expansion und Kontraktion
auftreten werden. Für
den Fall der bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist dieser Abstand oder die thermische
Expansionswegelänge
extrem kurz, d. h. nur ungefähr
0,025 mm (0,001 inch). Somit wird eine sehr geringe Änderung
in dem Ansprechverhalten des Wandlers als Folge der Expansion und
Kontraktion wahrgenommen, sogar in einer sich stark ändernden
Temperaturumgebung.
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Wie
voranstehend angegeben beeinflussen Änderungen in der Spannung der
Membran, die sich von unterschiedlichen Ausdehnungsraten der Membran
und des Substrats ergeben, ebenfalls die thermische Stabilität des Wandlers
dahingehend, dass dies die Empfindlichkeit der Einrichtung verändert. Jedoch
ist diese Quelle einer Instabilität im Wesentlichen in der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beseitigt worden. Thermische Expansionscharakteristiken
des bevorzugten FORSTERITE Keramiksubstrats und der Titanfolienmembran sind
eng angepasst worden, sodass sie sich bei der gleichen Rate ausdehnen
und zusammenziehen. Somit wird eine konstante Spannung auf der Membran aufrecht
erhalten. Der Ausdehnungskoeffizient für beide Materialien beträgt ungefähr 10,2 × 10–6 pro
C°.
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Obwohl
die voranstehend erwähnte
Anpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten das bevorzugte
Verfahren zum Aufrechterhalten einer konstanten Membranspannung
ist, könnte
anstelle davon ein anderes Verfahren verwendet werden. Dieses alternative
Verfahren beinhaltet die Aufbringung einer Schicht aus einem thermisch
kompensierenden Material auf dem Substrat, die die Ausdehnungsrate
des Elements modifiziert. Wenn zum Beispiel, wie in 5 gezeigt,
ein Substrat mit einem geringeren Ausdehnungskoeffizienten als der
Membran verwendet wird, könnte
eine Schicht aus einem thermisch kompensierenden Material 302,
das eine hohe Ausdehnungsrate aufzeigt, auf dem Substrat 304 unter
der Mittenelektrode 306 oder möglicherweise den Membrananbringungsring 308 und
auf entsprechenden Gebieten der gegenüberliegenden Seite des Substrats 304 aufgebracht
werden. Wenn es einer Temperaturänderung
ausgesetzt wird, veranlasst dieses hinzugefügte Material das darunter liegende Substratmaterial
sich bei einer schnelleren Rate auszudehnen oder zusammenzuziehen.
Das Material würde
so gewählt
werden, dass die Ausdehnungs- oder Kontraktionsrate so beschleunigt
wird, dass sie in derjenigen der Membran eng angepasst ist. Somit würde die
Spannung auf der Membran und somit die Empfindlichkeit des Wandlers
aufrecht erhalten werden. Es sei darauf hingewiesen, dass die Schicht
aus dem thermisch kompensierenden Material, die auf dem Boden des
Substrats aufgebracht wird, benötigt wird,
um die sich ergebende modifizierte Expansion und Kontraktion des
Substrats auszugleichen. Wenn das Material nur auf der Oberseite
platziert werden würde,
dann würde
die Expansion und Kontraktion des oberen Teils des Substrats sich
von derjenigen des unteren Teils unterscheiden. Dies würde bewirken,
dass sich das Substrat verformt und die Gleichförmigkeit des Abstands zwischen
der Mittenelektrode und der Membran beeinflusst.
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Während der
kapazitive elektroakustische Wandler hier in Verbindung mit der
Umwandlung eines akustischen Signals, das auf der Membran auftrifft,
in ein proportionales elektrisches Signal, wie in einem Mikrofon,
beschrieben wurde, könnte
eine Umkehrung genauso möglich
sein. Eins sich änderndes
elektrisches Signal könnte
auf eine feste DC Vorspannung auf den Elektroden des Wandlers (d.
h. der Mittenelektrode und der Membran) überlagert werden. Dies würde eine
Vibration der Membran als Folge der Veränderung des elektrischen Felds
zwischen den Elektroden verursachen. Ein akustisches Ausgangssignal
würde somit
erzeugt werden und der Wandler würde
als ein Lautsprecher arbeiten.