Silizium-Kondensatormikrofon (MEMS Kondensatormikrofon)

Silizium-Kondensatormikrofon (MEMS Kondensatormikrofon)

Fig.2: Single-chip silicon condenser microphone [5]
Fig.2: Single-chip silicon condenser microphone [5]

Siliziummikrofone werden auf Siliziumscheiben mit den Methoden der Mikromechanik hergestellt. Diese Methoden wurden für die Mikroelektronik entwickelt und bestehen aus Lithographietechniken, Dotierverfahren, Schichterzeugungsverfahren und Ätzprozessen. Mittels dieser Methoden können, wie Abb. 1 zeigt, eine große Zahl von Mikrofonen mit sehr reproduzierbaren Eigenschaften auf einer einzigen Siliziumscheibe hergestellt werden.

Fig.2: Single-chip silicon condenser microphone [5]
Fig.2: Single-chip silicon condenser microphone [5]

Eine ganze Reihe von Mikrofontypen, wie z.B. piezoelektrische und FET-modulierende Wandler, können auf Silizium gefertigt werden [1]. Die erfolgreichste Variante sind die Kondensatormikrofone, welche aus einer Membran und einer durch einen Luftspalt davon getrennten Gegenelektrode bestehen. Wird der Wandler durch eine kleine Gleichspannung polarisiert, so erzeugen Schwingungen der Membran ein elektrisches Ausgangssignal, welches proportional zum Schalldruck ist.

Derartige Silizium-Kondensatormikrofone wurden erstmals 1983 vorgeschlagen [2]. Sie wurden dann als Zwei-Chip-Sensoren, die aus einem Membran- und einem Gegenelektrodenchip bestehen [3] und später als Ein-Chip-Sensoren verwirklicht [4]. Die letzteren werden durch eine Opferschichttechnologie gefertigt, bei welcher der Luftspalt durch Wegätzen einer Oxidschicht (Opferschicht), die ursprünglich zwischen Membran und Gegenelektrode deponiert wurde, entsteht. Ein typisches Ein-Chip-Mikrofon zeigt Abb. 2 [5]. In neuerer Zeit wurden mehrere Variationen derartiger Wandler vorgestellt [6,7].

Abb. 2: Ein-Chip_Silizium-Kondensatormikrofon.

Typische Siliziummikrofone haben Membrangrößen von ca.1 mm2, Membrandicken von 0,2 bis 0,4 µm, Resonanzfrequenzen im oberen Hörschall- oder nahen Ultraschallbereich und Empfindlichkeiten von 10 mV/Pa. Sie sind außerdem unempfindlich gegen Stöße und Körperschall und können dauerhaft bei Temperaturen bis zu 100°C betrieben und kurzzeitig sogar einer Temperatur bis 260°C ausgesetzt werden. Daher sind sie als SMD-Komponenten zur Verwendung auf Platinen einsetzbar. Silizium-Kondensatormikrofone finden seit einigen Jahren vor allem Verwendung in Mobiltelefonen und werden bereits in Stückzahlen von etwa 300 Millionen jährlich hergestellt.

Literatur

  • [1] G. M. Sessler, J. Audio Engineer. Soc. 44, 16-22 (1996).
  • [2] D. Hohm and G. M. Sessler, in Proc. of the 11th Int. Congress on Accoustics (Paris, 1983), Vol. 6, pp. 29–32.
  • [3] D. Hohm, in Fortschritte der Akustik – DAGA 1985, pp. 847-850; D. Hohm and G. Hess, J. Acoust. Soc. Am. 85, 476-480 (1989).
  • [4] P. R. Scheeper, A. G. H. van der Donk, W. Olthuis, and P. Bergveld, J. Microelectromech. Systems 1, 147-154 (1992).
  • [5] C. Thielemann and G. M. Sessler, Acustica–acta acustica 83, 715–720 (1997).
  • [6] R. Kressmann, M. Klaiber, and G. Hess, Sensors and Actuators A 100, 301-309 (2002).
  • [7] M. Füldner, A. Dehé, and R. Lerch, IEEE Sensors Journal 5, 857-863 (2005).