Silizium-Kondensatormikrofon (MEMS Kondensatormikrofon)

Silizium-Kondensatormikrofon (MEMS Kondensatormikrofon)

Abb.1: Silizium-Scheibe mit MEMS Kondensatormikrofonen
Abb.1: Silizium-Scheibe mit MEMS Kondensatormikrofonen

Siliziummikrofone werden auf Siliziumscheiben mit den Methoden der Mikromechanik hergestellt. Für derartige Wandler ist auch die Bezeichnung „MEMS Mikrofone“, für Micro Electro Mechanical Systems, gebräuchlich. Die Herstellungsmethoden wurden für die Mikroelektronik entwickelt und bestehen aus Lithographietechniken, Dotierverfahren, Schichterzeugungsverfahren und Ätzprozessen. Damit können, wie Abb. 1 zeigt, eine große Zahl von Mikrofonen mit sehr reproduzierbaren Eigenschaften auf einer einzigen Siliziumscheibe hergestellt werden.

Abb.2: Schematischer Aufbau eines MEMS Ein Chip Kondensatormikrofons [5]
Abb.2: Schematischer Aufbau eines MEMS Ein Chip Kondensatormikrofons [5]

Eine ganze Reihe von Mikrofontypen, wie z.B. piezoelektrische und FET-modulierende Wandler, wurden auf Silizium gefertigt [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] und 1985 als Zwei-Chip Mikrofone verwirklicht [3]. Ein-Chip Wandler wurden dann in Opferschichttechnologie gefertigt, bei welcher der Luftspalt durch Wegätzen einer Oxidschicht (Opferschicht), die ursprünglich zwischen Membran und Gegenelektrode deponiert wurde, entsteht [4]. Ein derartiges Mikrofon zeigt Abb. 2 [5].

Typische MEMS Mikrofone haben Membrangrößen von ca.1 mm2, Membrandicken von 0,2 bis 0,4 µm, Resonanzfrequenzen im oberen Hörschall- oder nahen Ultraschallbereich und Empfindlichkeiten von ca. 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 [6,7]. Daher sind sie als SMD-Komponenten zur Verwendung auf Platinen einsetzbar. MEMS-Kondensatormikrofone werden kommerziell seit 2002 hergestellt und finden vor allem Verwendung in Mobiltelefonen. Heutzutage werden diese Mikrofone in Stückzahlen von mehreren Milliarden jährlich produziert.

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 Acoustics (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] G. W. Elko and K. P. Harney, Acoustics Today, 5 (issue 2), 4 – 13 (2009).
  • [7] J. Czarny, HAL archives-ouvertes (tel-01247487) (2015).