DK172085B1 - Mikromekanisk mikrofon - Google Patents

Description

i DK 172085 B1

Den foreliggende opfindelse angår en mikromekanisk mikrofon omfattende et hus, hvori der er anbragt et transducerelement, og som har en lydtrykindgang på den ene side af transducerelementet, og et trykudligningshul på den 5 anden side, som har en ved audiofrekvenser høj akustisk impedans og befinder sig i et i øvrigt lukket bagkammer.

Transducerelementet består sædvanligvis af en membran, der udbøjer på grund af lydtrykket, og en anordning til at omsætte denne udbøjning til et elektrisk signal.

10 Kendte mikrofoner med små dimensioner, såsom af størrelsesordenen 3,5 ni x 3,5 mm x 2 mm, eksempelvis til anvendelse i høreapparater, bliver traditionelt fremstillet ved samling af en række enkeltdele, såsom plastfolier, metaldele, hybridforforstærker osv., i alt 12-15 dele.

15 Der har tidligere været fremstillet mange forskellige prototypemikrofoner ved hjælp af mikromekanik, ved hvilken der anvendes højt udviklet teknologi til fremstilling af integrerede elektroniske kredse på silicium (IC’er) til fremstilling af mekaniske komponenter. Fordel en ved 20 denne teknologi er, at der kan opnås en mikrofon med bedre egenskaber, og navnlig at der fås mulighed for "batch"-fabrikation, hvor hundredvis eller tusindvis af komponenter kan bearbejdes på én gang, således at produktionsomkostningerne derved reduceres betydeligt.

25 De hidtidige mikromekaniske mikrofoner har imidlertid ikke kunnet opfylde kravene til brug i høreapparater, navnlig fordi de har været alt for følsomme over for fugt, støv og snavs, som helt eller delvis har kunnet ødelægge mikrofonernes egenskaber.

30 Af kendt teknik inden for området, som kan anvendes til afhjælpning af nogle af de ovennævnte ulemper, kan nævnes US 2.086.107, som omhandler en kondensatormikrofon af DK 172085 B1 2 konventionel (dvs. ikke-mikromekanisk) udførelse, hvor transducerelementet på lydindgangssiden er forseglet af selve mikrofonmembranen, og hvor bagsiden er lukket af en gummimembran, som kan udvide sig og trække sig sammen ved 5 ændringer i barometertrykket, idet et rum på gummimembranens yderside står i forbindelse med omgivelserne gennem et trykudligningshul.

Denne tekniske løsning giver en forsegling, som er udmærket til sædvanlige mikrofoner som den ovenfor omhandlede 10 kondensatormikrofon, men giver en række ulemper ved små mikromekaniske mikrofoner. Dette skyldes, at membranerne får meget store statiske udbøjninger, når atmosfæretrykket og/eller temperaturen ændrer sig.

Membranens centerudbøjning er eksempelvis mere end dob-15 belt så stor som højden af det indesluttede volumen multipliceret med den relative trykændring og endnu større, hvis membranens areal er mindre end bagkammerets tværsnitsareal. Statiske trykvariationer på ±10 % er ikke urealistiske, dvs. at membranens statiske udbøjning kan 20 blive af størrelsesordenen 0,5 mm ved en højde på 2 mm. I en mikromekanisk mikrofon er dette uacceptabelt. For det første optager så store udbøjninger alt for meget plads, så at mikrofonen bliver betydeligt større end ellers nødvendigt eller ønskeligt. For det andet kræver det et me-25 get blødt membranmateriale, hvis membranen skal forblive akustisk transparent selv under så store statiske udbøjninger. Det er måske ikke umuligt at finde et materiale, der kan opfylde disse krav, men hvis det skal være kompatibelt med en mikromekanisk fremstillingsproces, begræn-30 ser det mulighederne drastisk, hvilket betyder, at man får en langt mere kompliceret fremstillingsproces.

En løsning ville være at udføre de forseglende membraner af et materiale med mikroskopiske porer, som tillader en DK 172085 B1 3 trykudligning at finde sted således som vist i US 5.222.050 og WO 95/21512. Det kan f.eks. være en porøs PTFE-film ("Teflon"), som bl.a. sælges under navnet "GORETEX". Dette materiale tillader ikke vand og støvpar-5 tikler større end porerne at passere, mens gasser diffun-derer uhindret igennem. Denne løsning er imidlertid ikke hensigtsmæssig, da der opstår problemer med tilstopning af porerne, og materialet er desuden vanskeligt at kombinere med mikromekanisk fremstillingsproces.

10 Det er formålet med den foreliggende opfindelse at afhjælpe de ovenfor diskuterede problemer, og ifølge opfindelsen opnås dette ved, at der findes en forseglende, akustisk transparent membran på hver side af transducerelementet i en afstand af strørrelsesordenen 1 pm el- 15 ler mindre fra dette.

Opfindelsen udnytter den gas-lov, der siger, at trykket p gange volumenet V divideret med den absolutte temperatur T er konstant = konstant (1)

T

20 Da membranerne skal være akustisk transparente, vil der kun skulle ligge en ubetydelig trykforskel over dem, for at de udbøjer. Trykket i det forseglede volumen kan derfor antages at være lig atmosfæretrykket udenfor. Dette betyder, at hvis temperaturen og/eller det statiske tryk 25 (atmosfæretrykket) ændrer sig, skal det indesluttede volumen ændre sig tilsvarende, for at udtrykket (1) kan være opfyldt, Den relative ændring ar det indesluttede volumen bliver: AV AT Ap

Vo ~ To po ^ 30 hvor begyndelsestryk, -temperatur og -volumen angives med indeks 0, og tilvæksten angives med Δ.

DK 172085 B1 4

Hvis det indesluttede volumen V er hele bagkammeret, som det er tilfældet i ovennævnte US-2.086.107, skal den absolutte volumenændring Δν og dermed membranudbøjningen være meget stor. Når de forseglende membraner i henhold 5 til opfindelsen derimod er anbragt tæt på tranducerele-mentet, bliver det indesluttede volumen lille og kræver derfor en lille absolut volumenændring og dermed en lille membranudbøj ning.

En stor udbøjning vil strække membranen, hvorved den bli-10 ver stivere. Når udbøjningerne er små, bliver der derfor stillet meget mindre krav til membranmaterialet, og det bliver derved lettere at tilvejebringe et materiale, der giver en akustisk transparent membran. Når membranernes udbøjninger er små, kræver de kun lille plads, hvorved 15 mikrofonen kan udføres med mindre dimensioner.

Hvis indkapslingen af det følsomme transducerelement er hermetisk, holdes vanddamp og støv helt ude på samme måde, som det er tilfældet ved den ovennævnte traditionelle kondensatormikrofon. Hvis de forseglende membraner deri-20 mod ikke er diffusionstætte for vanddamp, bliver den samlede mængde vanddamp, der kan fortættes, alligevel meget lille pga. det lille indesluttede volumen, og den mængde vand, der vil kunne kondensere, er derfor ubetydelig. Såfremt de forseglende membraner ikke er diffusionstætte, 25 opnås samtidigt, at langsomme variationer i det statiske tryk udlignes.

Begyndelsestrykket og luftarten i rummet mellem de forseglende membraner kan ifølge opfindelsen være kontrollerbare, hvilket med fordel kan opnås ved anvendelse af 30 mikromekanik til fremstillingen. Luftarten skal naturligvis indeholde så lidt vanddamp som muligt.

Den foreslåede mikrofon er ikke begrænset til en bestemt type transducerelement, og der kan således være tale om DK 172085 B1 5 f.eks. et kapacitivt transducerelement med ydre forspænding, et elektret-baseret transducerelement eller et tun-nelstrøm-baseret transducerelement, der alle normalt vil have en membran som en del af transducerelementet.

5 Ved en særlig udførelsesform for mikrofonen ifølge opfindelsen, hvor de to forseglende membraner er elektrisk ledende eller har et elektrisk ledende lag over dele af eller hele arealet, er de to forseglende membraner mekanisk forbundet med hinanden et antal steder på membranarealet.

10 Transducerelementet omfatter ved en sådan konstruktion en fast ledende elektrode, som sammen med de to forseglende membraner direkte danner en kapacitiv mikrofon. Den mekaniske forbindelse mellem membranerne tjener til at reducere indflydelsen af ændringer i det statiske tryk på mi-15 krofonens følsomhed for lydtrykket.

Forbindelsen mellem membranerne udgøres ifølge opfindelsen hensigtsmæssigt af søjler, som kan være bredere, end de er høje, og som strækker sig frit gennem åbninger i den faste elektrode mellem membranerne. Formålet med søj-20 lerne er navnlig at forhindre udbøjning af membranerne pga. ændringer i det statiske tryk. Selv om en sådan konstruktion umiddelbart er kompliceret, er det muligt at * udføre den i praksis med mikromekanik.

I en yderligere udførelsesform for mikrofonen er de yder-25 ste områder af de forseglende membraner uden indbyrdes mekanisk forbindelse ved hjælp af søjler. Disse randområder er herved i stand til at optage de statiske trykvariationer ved at udbøje, så at det forseglede volumen og dermed trykket i det ændres. Udbøjningen af det midterste 30 område af membranerne bliver meget lille på grund af forbindelsessøjlerne. Ved en yderligere udførelsesform er kun de centrale områder af de forseglende membraner elektrisk ledende. Herved opnås, at udbøjningen af de yderste DK 172085 B1 6 områder påvirker mikrofonens følsomhed overfor lydtryk væsentligt mindre, da signalet kun kommer fra elektroderne på de centrale områder, som ikke udbøjes ret meget af statiske tryk på grund af søjlerne og trykkompenseringen, 5 som udbøjningen af de ydre områder giver.

Ved endnu en udførelsesform ifølge opfindelsen er de ledende centrale områder af de forseglende membraner tykkere og stivere end randområderne. Dette bidrager yderligere til at gøre mikrofonens følsomhed uafhængig af det 10 statiske tryk.

Ved en udførelsesform ifølge opfindelsen kan den faste elektrode være forsynet med udskæringer i de yderste områder af sit areal. Membranerne kan så være ledende over det hele, medens signalet kun kommer fra det centrale om-15 råde, hvor midterelektroden er.

I henhold til et yderligere aspekt ved opfindelsen kan transducerelementet omfatte en membran og to med gennemgående huller forsynede faste ledende bagplader anbragt på hver sin side af membranen. Denne konstruktion udmær-20 ker sig især ved, at der opnås en særlig stor følsomhed over for lydtrykket, så at der til trods for den lille størrelse kan opnås et betydeligt elektrisk signal. Det kan være hensigtsmæssigt at forsyne membranen med et lille hul til trykudligning, idet det i så fald ikke er nød-25 vendigt, at konstruktionen er strengt symmetrisk. Hullet skal være så lille, at det har en høj akustisk impedans i audio-området.

En yderligere forbedring af mikrofonens egenskaber kan ifølge opfindelsen opnås, når et såkaldt "force- 30 balancing"-tilbagekoblingskredsløb modvirker udbøjningen af transducerelementets membran(er), typisk ved hjalp af elektrostatiske kræfter. Ved kapacitive transducerelementer opnås en højere følsomhed, idet der kan arbejdes med DK 172085 B1 7 en højere forspænding, uden at membranen bliver trukket ind til den ene bagplade. Dette gælder altså bl.a. for transducerelementet med to membraner, som samtidigt danner forseglingen, med en fast elektrode imellem og for 5 transducerelementet bestående af en membran og to bagpla-' der. Force-balancing kan i øvrigt ved d e fleste typer af transducerelementer medføre andre fordele, såsom en forøget båndbredde og bedre linearitet af mikrofonen samt en reduceret betydning af variationer i membranens og bag-10 kammerets stivhed.

Opfindelsen skal herefter forklares yderligere under henvisning til tegningen, hvor fig. 1 viser en mikrofon med en enkelt forseglende membran og forseglet bagkammer, hvor der efter udførelsen af 15 forseglingen er sket en statisk trykændring på ca. 10% fig. 2 en udførelsesform for en mikrofon ifølge opfindelsen med to forseglende membraner og ventilationshul i bagkammeret, fig. 3 en anden udførelsesform med en fast elektrode mel-20 lem de to membraner, som er forbundet med søjler, vist uden trykpåvirkning, fig. 4 samme som fig. 3 men med lydtrykpåvirkning, fig. 5 samme som fig. 3 og 4, men med påvirkning fra et statisk tryk, 25 fig. 6 en yderligere udførelsesform for en mikrofon ifølge opfindelsen, hvor transducerelementet består af to bagplader og en mellemliggende membran, vist uden trykpåvirkning, fig. 7 samme som fig. 6, men med lydtrykpåvirkning, DK 172085 B1 8 fig. 8 samme som fig. 6, men med påvirkning fra et statisk tryk, og fig. 9 samme som fig. 6, men med påvirkning af både et lydtryk og et statisk tryk.

5 Den i fig. 1 viste mikrofon har et hus 1, hvori der er anbragt et transducerelement 2, og som har en lydtrykindgang 3. Over transducerelementet 2 er der i et forkammer 9 anbragt en forseglende membran 5, der fortrinsvis er akustisk transparent, dvs. så blød at den ikke påvir-10 ker lydtrykket. Under transducerelementet 2 er der et tæt lukket bagkammer 8. Mikrofonen er vist ved en statisk trykændring på 10%, som har bevirket, at membranen er bøjet stærkt ud, så at volumenændringen af det hermetisk forseglede rum i hovedsagen ophæver virkningen af ændrin-15 gen i det statiske tryk, idet trykket i det forseglede rum falder, når volumenet øges. Det vil ses, at der med en sådan konstruktion kræves et forkammer af betydelig størrelse for at give plads til membranens store udbøj-ning.

20 I den i fig. 2 viste udførelsesform for en mikrofon ifølge opfindelsen er bagkammeret 8 forsynet med et udluftnings- eller trykudligningshul 4, og over transducerelementet 2 er anbragt en forseglende akustisk transparent membran 6, og under transducerelementet er der anbragt en 25 lignende forseglende og akustisk transparent membran 7. Membranerne 6 og 7 er med fordel, men ikke nødvendigvis anbragt tæt ved transducerelementet, hvorved det indesluttede volumen mellem membranerne bliver meget mindre, end hvis hele bagkammeret 8 indgår i det forseglede volu-30 men. De nødvendige udbøjninger af membranerne bliver herved også tilsvarende meget mindre. Det skal i denne forbindelse bemærkes, at store udbøjninger vil strække membranerne, så de bliver stivere, og dette bevirker igen, DK 172085 B1 9 at membranerne bliver mindre akustisk transparente. Med konstruktionen vist i fig. 2 er denne ulempe stærkt reduceret eller helt undgået.

I udførelsesformen vist i fig. 3, 4 og 5 består transdu-5 cerelementet 2 af en fast ledende elektrode 10 og to forseglende membraner 6 og 7, som er forbundet med hinanden ved hjælp af forbindelsessøjler 11, der strækker sig gennem huller 12 i elektroden 10. De forseglende membraner 6 og 7 er på deres centrale område 13 og 14 elektrisk le-10 dende, idet de eksempelvis er forsynet med elektrisk ledende belægninger, hvorved membranerne sammen med elektroden 10 danner en kapacitiv mikrofon, hvor bagkammeret 8 ligesom i udførelsesformen i fig. 2 kan være forsynet med et trykudligningshul 4. Den mekaniske forbindelse, 15 som etableres af søjlerne 11, der ikke berører midterelektroden 10 i åbningerne 12, tjener til at reducere indvirkningen af statiske trykændringer på mikrofonens følsomhed for det udefra kommende lydtryk.

I fig. 3 er mikrofonen vist uden trykpåvirkninger. Et 20 lydtryk gennem åbningen 3 vil udbøje begge membraner 6 og 7 i samme retning således som vist i fig. 4. Denne virkning vil fremkomme, uanset om membranerne 6 og 7 er forbundet med søjlerne 11 eller ikke. Udbøjningen ændrer de elektriske kapaciteter mellem de to membraner og midtere-25 lektroden 10, idet den ene forøges, og den anden formindskes .

I fig. 5 er vist det tilfælde, hvor det statiske tryk er faldet. De yderste områder 15 og 16 af membranerne, der ikke er forbundet med søjler, optager de statiske trykva-30 riationer ved at udbøjes, så at det forseglede volumen og dermed trykket deri ændres. Udbøjningen af det midterste område af membranerne er meget lille på grund af søjlerne 11. Hvis membranerne desuden er tykkere i det centrale DK 172085 B1 10 område 13 og 14 end i randområderne, er udbøj ningen hidrørende fra det statiske tryk yderligere reduceret. Ud-bøjningen af de yderste områder 15 og 16 påvirker ikke lydtrykmålingen væsentligt, da den sker ved hjælp af 5 elektroderne på det centrale område. I en yderligere udførelsesform (ikke vist) af denne konstruktion har den midterste, faste elektrode udskæringer i de yderste områder, hvor elektroden ikke har nogen elektrisk funktion. Dette kan bruges til at definere kondensatorarealet, hvis 10 membranerne er ledende over det hele, og arealet således ikke kan defineres af elektroder på membranerne. Det kan desuden benyttes til at opnå en lavere dæmpning og en højere følsomhed.

I den i fig. 6, 7, 8 og 9 viste udførelsesform for en mi-15 krofon ifølge opfindelsen er der anvendt de samme henvisningsbetegnelser for de samme dele som i de foregående figurer. Der er således i et hus 1 anbragt et transducerelement 2, og huset har en lydindgang 3 og et trykudligningshul 4 samt forseglende akustisk transparente mem-20 braner 6 og 7 anbragt i henholdsvis et forkammer 9 og et bagkammer 8. For at opnå en stor følsomhed er transducerelementet forsynet med to bagplader 17 og 18 anbragt på hver sin side af en membran 19, der bøjes ud af lydtrykket. Ved at anvende to bagplader til kapacitiv detek-25 tering opnås direkte en fordoblet følsomhed i forhold til kun at anvende én bagplade. Da de elektrostatiske kræfter ved udførelsen med to bagplader påvirker membranen fra begge sider, bliver det muligt at påtrykke en højere målespænding, uden at membranen bliver trukket ind til bag-30 pladen. Dette giver en yderligere forøgelse af følsomhe den. For denne type mikrofon kan der også anvendes udskæringer i bagpladerne eller elektroder på en ikke-ledende membran. Det kan give en øget følsomhed og/eller en lavere dæmpning.

DK 172085 B1 11 I fig. 6 er denne mikrofonudførelse vist uden trykbelastning, medens fig. 7 viser mikrofonen, når den udsættes for et lydtryk gennem lydindgangen 3. Fig. 8 viser mikrofonen udsat for et statisk tryk, jfr. udførelsesformen 5 vist i fig. 5, og fig. 9 viser mikrofonen, når den samtidig udsættes for et lydtryk og en statisk trykbelastning.

Det ovenfor omhandlede transducerelement vist i fig. 2-5 med en ledende midterelektrode 10 og to membraner 6 og 7, en på hver side af denne, og transducerelementet vist i 10 fig. 6-9 med en membran 19 og to bagplader 17 og 18 gør det på simpel måde muligt at tilvejebringe en tilbagekoblingssløjfe, der giver "force-balancing", ved hvilken membranen eller membranerne påvirkes af elektronisk styret tryk, som ideelt set ophæver det akustiske tryk på 15 den/dem, således at den/de holdes i sin/deres hvileposition. Dette reducerer følsomheden for variationer i stiv-heden af bagkammeret 8, som afhænger af det statiske tryk, og i stivheden af membranen/membranerne. Eksempelvis ved mikrofonudførelsen i fig. 6-9 med en bagplade 20 17,18 på hver side af membranen 19 kan der, ved at der f.eks. lægges en elektrisk spænding på membranen i forhold til bagpladerne, fås et elektrostatisk tryk på den, som er tilnærmelsesvis proportionalt med spændingen. Hvis der kun er én bagplade og én membran, bliver trykket pro-25 portionalt med kvadratet på spændingen, hvilket gør tilbagekoblingskredsløbet mere kompliceret. Samtidigt opstår der en statisk udbøjning af membranen. Force-balancing kan desuden generelt give bl.a. en forøget båndbredde og en bedre linearitet.

30 Det til force-balancing anvendte tilbagekoblingskredsløb kan være opbygget som en ΣΔ-konverter. Mikrofonen kan i så fald indgå som en del af konverteren, idet der i denne udføres to integrationer. Disse kan udgøres af mikrofonens 2. ordens flanke ved frekvenser over resonansfre DK 172085 B1 12 kvensen, hvor mikrofonen tilnærmet opfører sig som en dobbeltintegrator.

Ved de heri omhandlede mikrofoner i miniatureudførelse, såsom til anvendelse i høreapparater, arbejdes der med 5 batterispændinger af størrelsesordenen 1 V. For at kunne lave elektrostatisk feedback til force-balancing og/eller for opnåelse af en god følsomhed af mikrofoner med kapacitivt transducerelement ved den lave til rådighed værende spænding kræves det, at afstanden mellem transdu-10 cerelementets membran (er) 6 og 7 henholdsvis 19 og bagplade (r) 10 henholdsvis 17 og 18 er meget lille, såsom under 1 μιη. Eksempelvis skal luftspalten maksimalt være ca. 0,5 μπι, for at et lydtryk på 10 Pa kan ophæves med en spænding på 1 V. Så små luftspalter kan i dag kun laves 15 med mikromekanik. Når luftspalten er så lille, er det, for at undgå at luftstrømningen i luftspalten frembyder en for stor akustisk modstand, nødvendigt, at bagpladerne forsynes med et meget stort antal lufthuller 12 henholdsvis 20. Afstanden mellem hullerne kan være under 10 μια, 20 hvilket er muligt ved anvendelse af mikromekanik, men vanskeligt med traditionel teknologi. Det er altså nødvendigt at have meget små luftspalter og huller, som imidlertid gør mikrofonerne følsomme for støv og fugt og derfor nødvendiggør forsegling.

Claims (12)

1. Mikromekanisk mikrofon omfattende et hus (1), hvori der er anbragt et transducerelement (2), og som har en lydtrykindgang (3) på den ene side af transducerelementet (2) og et hul (4) til statisk trykudligning på den anden side af transducerelementet (2), kendeteg-10 net ved, at der findes en forseglende, akustisk transparent membran (6, 7) på hver side af transducerelementet (2) i en afstand af størrelsesordenen 1 μιη eller mindre.

2. Mikrofon ifølge krav 1, kendetegnet ved, 15 at begyndelsestrykket og luftarten i rummet mellem de forseglende membraner (6,7) er kontrollerbare.

3. Mikrofon ifølge krav 1, og hvor de to forseglende membraner (6,7) er elektrisk ledende eller har et elektrisk ledende lag over dele af eller hele arealet, k e n - 20 detegnet ved, at membranerne er mekanisk forbundet med hinanden et antal steder på membranarealet, og at der mellem de to membraner (6,7) findes en fast elektrode (10) .

4. Mikrofon ifølge krav 3, kendetegnet ved, 25 at forbindelsen mellem membranerne (6,7) udgøres af søjler (11), som strækker sig frit gennem åbninger (12) i den faste elektrode (10).

5. Mikrofon ifølge krav 4, kendetegnet ved, at de yderste områder (15,16) af de forseglende membraner 30 (6,7) er uden indbyrdes mekanisk forbindelse ved hjælp af søjler. DK 172085 B1 14

6. Mikrofon ifølge krav 4, kendetegnet ved, at kun de centrale områder (13,14) af de forseglende membraner (6,7) er elektrisk ledende.

7. Mikrofon ifølge krav 6, kendetegnet ved, 5 at de ledende centrale områder (13,14) af de forseglende membraner (6,7) er tykkere og stivere end randområderne (15,16) .

8. Mikrofon ifølge krav 3, kendetegnet ved, at den faste elektrode (10) er forsynet med udskæringer i 10 de yderste områder af sit areal.

9. Mikrofon ifølge krav 1, kendetegnet ved, at transducerelementet (2) omfatter en trykfølsom membran (19), som er elektrisk ledende lag over hele eller dele af arealet, og to med gennemgående huller (20) forsynede 15 faste ledende bagplader (17, 18) anbragt på hver sin side af membranen.

10. Mikrofon ifølge krav 9, kendetegnet ved, at de faste bagplader (17,18) er forsynet med udskæringer fordelt over deres areal.

11. Mikrofon ifølge et hvilket som helst af kravene 4-10, kendetegnet ved, at et såkaldt "force-ba-lancering"-tilbagekoblingskredsløb er indrettet til at påvirke transducerelementets membran (19) med en kraft/-tryk modsat rettet lydtrykket.

12. Mikrofon ifølge krav 11, kendetegnet ved, at tilbagekoblingskredsløbet er opbygget som en ΣΔ-konverter, hvor mikrofonen indgår som en del af konverteren.