RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 209935 (21) Numer zgłoszenia: 354095 (22) Data zgłoszenia: 06.09.2000 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 06.09.2000, PCT/DK00/000491 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 15.03.2001, WO01/19134 (13) B1 (51) Int.Cl. H04R 19/04 (2006.01) H04R 19/00 (2006.01) (54) Układ czujnika na bazie krzemu do mikrofonu (30) Pierwszeństwo: 06.09.1999, DK, PA1999/01254 07.09.1999, US, 09/391,628 12.05.2000, US, 09/570,434 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 29.12.2003 BUP 26/03 (73) Uprawniony z patentu: SONIONMEMS A/S, Kongens Lyngby, DK (72) Twórca(y) wynalazku: MATTHIAS MÜLLENBORN, Lyngby, DK PETER U. SCHEEL, Gentofte, DK JOCHEN F. KUHMANN, Kopenhaga, DK (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.11.2011 WUP 11/11 (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Anna Słomińska-Dziubek PL 209935 B1
2 PL 209 935 B1 Opis wynalazku Niniejszy wynalazek odnosi się do układu czujnika na bazie krzemu do mikrofonu. Niniejszy wynalazek odnosi się w szczególności do układu mikrofonu pojemnościowego, montowanego przy użyciu technologii montażu piętrowego. Niniejszy wynalazek odnosi się również do układów mikrofonów pojemnościowych przystosowanych do montażu powierzchniowego, np. na płytkach drukowanych (PCB). W aparacie słuchowym i w przemyśle układów do komunikacji mobilnej, jednym z głównych dążeń jest wykonywanie elementów o małych rozmiarach, ale zachowujących dobre właściwości elektroakustyczne i użytkowe, dzięki którym są przyjazne dla użytkowników i dają im odpowiednią satysfakcję. Dane techniczne obejmują czułość, szum, stabilność, zwartość, odporność na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) i inne zewnętrzne i środowiskowe warunki. W przeszłości podjęto kilka prób zmniejszenia układów mikrofonowych, przy zachowaniu lub poprawieniu ich parametrów technicznych. Innym dążeniem w branży tych elementów jest uzyskanie łatwej integracji w kompletny układ. EP 561 566 opisuje mikrofon pojemnościowy w postaci stałej, zawierający obwód tranzystora polowego (FET) i wnękę lub wlot dźwięku na tym samym chipie. Techniki i procesy wytwarzania obwodu FET są zupełnie inne niż techniki i procesy stosowane przy wytwarzaniu elementów przetwornika. W konsekwencji, opisane w EP 561 566 przetwornik i obwód FET wymagają dwóch (a być może więcej) oddzielnych etapów produkcji, co z natury bardzo komplikuje produkcję, a przez to bardzo ją podraża. Hybrydowe układy mikro-elektromechaniczne (MEMS) zostały znacznie rozwinięte w ostatnich latach. Ma to głównie związek z rozwojem odpowiednich technik wytwarzania takich układów. Jedną z zalet układów hybrydowych są rozmiary, w jakich mogą być wykonywane stosunkowo skomplikowane układy, zawierające mechaniczne mikro-przetworniki i specjalistyczna elektronika. US 5,889,872 opisuje układ hybrydowy, zawierający mikrofon krzemowy i zamontowany na nim chip układu scalonego przy użyciu łączenia drutowego w celu uzyskania połączeń elektrycznych. Rozwiązanie to ma tę niedogodność, że wymaga dodatkowej ochrony i przestrzeni dla kontaktowych drutów. US 5,856,914 opisuje mikro-mechaniczne urządzenia zamontowane piętrowo, na przykład mikrofon pojemnościowy, zawierające element nośny, przetwornik i urządzenie elektroniczne. Część elementu nośnego, na którym jest zamontowane mikro-urządzenie, tworzy część końcowego układu. Niedogodnością tego układu jest to, że mikro-mechaniczne urządzenie nie może być testowane przed zamontowaniem na elemencie nośnym. Inna niedogodność opisanego układu odnosi się do wybranych materiałów. Mikro-mechaniczne urządzenie zawiera krzem, podczas gdy człon nośny jest wykonany z PCB lub materiału ceramicznego. Różnice współczynników rozszerzalności cieplnej mogą łatwo skomplikować integrację tak różnych materiałów. Artykuł The first silicon-based micro-microphone (Pierwszy miniaturowy mikrofon krzemowy), opublikowany w duńskim czasopiśmie Elektronik og Data, Nr 3, str. 4-8, 1998 r., opisuje jak można projektować i wykonywać krzemowe układy mikrofonowe. Artykuł opisuje trzywarstwowy układ mikrofonu, w którym przetwornik jest zamontowany za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, na pośredniej warstwie, łączącej przetwornik z urządzeniem elektronicznym, na przykład układem scalonym dostosowanym do zastosowania (ASIC). Przetwornik zawiera ruchomą diafragmę i w zasadzie sztywną płytę tylną. Po przeciwnej stronie przetwornika zamontowana jest krzemowa struktura, tworząca tylną komorę. Warto zauważyć, że aby połączyć elektrycznie układ mikrofonowy z otoczeniem, wymagane jest łączenie drutowe lub bezpośrednie lutowanie. Celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie układu czujnika, w którym różne elementy, tworzące układ czujnika są montowane za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, przy użyciu standardowych technik wsadowych. Celem niniejszego wynalazku jest również zapewnienie w pełni funkcjonalnego i obudowanego układu czujnika, który może działać niezależnie od jego końcowego położenia, np. na PCB. Jeszcze innym celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie w pełni funkcjonalnego i obudowanego układu czujnika, który może być testowany przed końcowym montażem. Jeszcze innym celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie układu czujnika, odpowiedniego do montażu na np. PCB przy użyciu technologii montażu za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip- -chip, lub montażu powierzchniowego, a zatem unikając łączenia drutowego lub skomplikowanej obróbki pojedynczego układu scalonego.
PL 209 935 B1 3 Jeszcze innym celem niniejszego wynalazku jest zapewnienie układu czujnika, w którym odległość między przetwornikiem a obwodem elektronicznym jest zmniejszona tak, że są zredukowane zakłócenia i zajmowana przestrzeń. Według wynalazku, układ czujnika na bazie krzemu do mikrofonu, zawierający człon nośny mający dwie przeciwległe powierzchnie pierwszą i drugą, gdzie na pierwszej powierzchni są osadzone dwie grupy elementów kontaktowych pierwsza i druga, i zawierający przetwornik ciśnienia z zespołem aktywnym do pomiaru zmian ciśnienia, który to zespół aktywny jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym elementem kontaktowym przetwornika ciśnienia, oraz zawierający chip układu scalonego z zintegrowanym obwodem mającym przynajmniej jeden element kontaktowy, charakteryzuje się tym, że przetwornik ciśnienia jest zamontowany na członie nośnym za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, a przynajmniej jeden element kontaktowy przetwornika ciśnienia jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych pierwszej grupy elementów kontaktowych członu nośnego z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym przetwornika ciśnienia a członem nośnym, natomiast chip układu scalonego jest zamontowany na członie nośnym za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, przy czym przynajmniej jeden element kontaktowy chipu układu scalonego jest elektrycznie połączony z jednym elementem kontaktowym drugiej grupy elementów kontaktowych członu nośnego, a przy tym przetwornik ciśnienia i chip układu scalonego są usytuowane jeden w sąsiedztwie drugiego na pierwszej powierzchni członu nośnego z utworzeniem elektrycznego kontaktu między zintegrowanym obwodem a członem nośnym, a ponadto przynajmniej jeden z elementów kontaktowych pierwszej grupy elementów kontaktowych jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym z elementów kontaktowych drugiej grupy elementów kontaktowych z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym przetwornika ciśnienia i chipem układu scalonego. Na drugiej powierzchni członu nośnego korzystnie są osadzone elementy kontaktowe, przy czym przynajmniej jeden z elementów kontaktowych pierwszej lub drugiej grupy elementów kontaktowych pierwszej powierzchni jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych osadzonych na drugiej powierzchni członu nośnego. Powierzchnie pierwsza i druga członu nośnego są w zasadzie równoległe i usytuowane jedna naprzeciw drugiej. Człon nośny może być członem nośnym na bazie krzemu. Człon nośny korzystnie posiada wycięcie, które jest usytuowane naprzeciw zespołu aktywnego przetwornika ciśnienia. Przetwornik ciśnienia zawiera wnękę, a zespołem aktywnym jest dno tej wnęki. Między drugą powierzchnią członu nośnego a wycięciem korzystnie jest ukształtowany otwór. Przetwornik ciśnienia jest na bazie krzemu. Człon nośny, przetwornik ciśnienia i chip układu scalonego są na bazie krzemu. Zespół aktywny przetwornika ciśnienia korzystnie stanowi kondensator, przy czym kondensator jest utworzony przez elastyczną diafragmę i w zasadzie sztywną płytę tylną. Przetwornik ciśnienia może zawierać osłonę, przy czym osłona i zespół aktywny przetwornika ciśnienia tworzą ograniczenia górne i dolne wnęki. Na przynajmniej części zewnętrznej powierzchni układu czujnika jest nałożona warstwa przewodząca. Korzystnie warstwę przewodzącą stanowi warstwa metalu. Warstwę przewodzącą stanowi warstwa przewodzącego polimeru. Elementy kontaktowe może stanowić materiał lutowniczy, zwłaszcza Sn, SnAg, SnAu lub SnPb. Przetwornik ciśnienia korzystnie jest hermetycznie uszczelniony za pomocą środka uszczelniającego. W innej odmianie wynalazku układ czujnika na bazie krzemu do mikrofonu, zawierający człon nośny mający dwie przeciwległe powierzchnie pierwszą i drugą, gdzie na pierwszej powierzchni są osadzone trzy grupy elementów kontaktowych pierwsza, druga i trzecia, i zawierający pierwszy przetwornik ciśnienia z zespołem aktywnym do pomiaru zmian ciśnienia, który to zespół aktywny jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym elementem kontaktowym pierwszego przetwornika ciśnienia, drugi przetwornik ciśnienia tego samego typu, z zespołem aktywnym do pomiaru zmian ciśnienia, który to zespół aktywny jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym elementem kontaktowym drugiego przetwornika ciśnienia, oraz zawierający chip układu scalonego z zintegrowanym obwodem mającym przynajmniej jeden element kontaktowy, charakteryzuje się tym, że pierwszy przetwornik
4 PL 209 935 B1 ciśnienia jest zamontowany na członie nośnym za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, a przynajmniej jeden element kontaktowy pierwszego przetwornika ciśnienia jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych pierwszej grupy elementów kontaktowych członu nośnego z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym pierwszego przetwornika ciśnienia i członem nośnym, a drugi przetwornik ciśnienia jest zamontowany na członie nośnym za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, a przynajmniej jeden element kontaktowy drugiego przetwornika ciśnienia jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych drugiej grupy elementów kontaktowych członu nośnego z usytuowaniem przetworników ciśnienia pierwszego i drugiego obok siebie na pierwszej powierzchni członu nośnego i z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym drugiego przetwornika ciśnienia i członem nośnym, natomiast chip układu scalonego jest zamontowany na członie nośnym za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, przy czym przynajmniej jeden element kontaktowy chipu układu scalonego jest połączony elektrycznie z jednym z elementów kontaktowych trzeciej grupy elementów kontaktowych członu nośnego, a przy tym chip układu scalonego jest usytuowany obok przetworników ciśnienia pierwszego i drugiego na pierwszej powierzchni członu nośnego z utworzeniem elektrycznego kontaktu między zintegrowanym obwodem a członem nośnym, a ponadto przynajmniej jeden z elementów kontaktowych pierwszej grupy elementów kontaktowych jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym z elementów kontaktowych trzeciej grupy elementów kontaktowych i przynajmniej jeden z elementów kontaktowych drugiej grupy elementów kontaktowych jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym z elementów kontaktowych trzeciej grupy elementów kontaktowych z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym pierwszego przetwornika ciśnienia i zintegrowanym obwodem oraz pomiędzy zespołem aktywnym drugiego przetwornika ciśnienia i zintegrowanym obwodem. Korzystnie, na drugiej powierzchni członu nośnego są osadzone elementy kontaktowe, przy czym przynajmniej jeden z elementów kontaktowych pierwszej, drugiej lub trzeciej grupy elementów kontaktowych jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych osadzonych na drugiej powierzchni członu nośnego. Powierzchnie pierwsza i druga członu nośnego są w zasadzie równoległe i usytuowane jedna naprzeciw drugiej. Człon nośny może być członem nośnym na bazie krzemu. Korzystnie, człon nośny posiada wycięcia pierwsze i drugie, przy czym pierwsze wycięcie jest usytuowane naprzeciw zespołu aktywnego pierwszego przetwornika ciśnienia, a drugie wycięcie jest usytuowane naprzeciw zespołu aktywnego drugiego przetwornika ciśnienia. Każdy z przetworników ciśnienia, pierwszego i drugiego, zawiera wnękę, przy czym zespół aktywny przetworników ciśnienia, pierwszego i drugiego tworzy dno tej wnęki. Przetworniki ciśnienia, pierwszy i drugi, mogą być na bazie krzemu. Korzystnie, człon nośny, przetworniki ciśnienia, pierwszy i drugi, i chip układu scalonego są na bazie krzemu. Zespół aktywny każdego przetwornika ciśnienia, pierwszego i drugiego, korzystnie stanowi kondensator, przy czym kondensator jest utworzony przez zestaw elastycznej diafragmy i w zasadzie sztywnej płyty tylnej. Przetworniki ciśnienia, pierwszy i drugi, mogą zawierać osłonę, przy czym osłona i zespoły aktywne przetworników ciśnienia, pierwszego i drugiego, tworzą ograniczenia górne i dolne odpowiednich wnęk. Na przynajmniej części zewnętrznej powierzchni układu czujnika może być nałożona warstwa przewodząca. Korzystnie, warstwę przewodzącą stanowi warstwa metalu. Warstwę przewodzącą może stanowić warstwa przewodzącego polimeru. Elementy kontaktowe może stanowić materiał lutowniczy, zwłaszcza Sn, SnAg, SnAu lub SnPb. Osłona zewnętrznej powierzchni czujnika zapewnia ochronę przetwornika np. przed cząsteczkami lub wilgocią. Osłona i zespół aktywny przetwornika mogą tworzyć górne i dolne ograniczenie wnęki, odpowiednio. Ponadto, przynajmniej jedna powierzchnia zewnętrzna układu czujnika może zawierać warstwę przewodzącą. Układ krzemowego czujnika do mikrofonów według wynalazku, jest odpowiedni do produkcji masowej. Kombinacja różnych elementów układu czujnika tworzących mikrofon jest bardziej elastyczna niż dowolny inny układ opisany dotychczas. Niniejszy wynalazek umożliwia bardzo dobry interfejs z otoczeniem, np. przez otwór w jednym boku układu. Otwór może zostać przykryty przez membranę
PL 209 935 B1 5 lub filtr, chroniący przed zanieczyszczeniem lub pogorszeniem charakterystyk mikrofonu przez kurz, wilgoć i inne zanieczyszczenia. Elektryczne połączenia między różnymi elementami układu czujnika mikrofonowego są ustalane ekonomicznie i niezawodnie przez krzemowy człon nośny przy użyciu technologii montażu za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip. Niniejszy wynalazek wykorzystuje chip elektroniczny układu scalonego, korzystnie typu ASIC, który może zostać zaprojektowany i wykonany oddzielnie i niezależnie od projektowania i produkcji przetwornika mikrofonu. Jest to korzystne, ponieważ techniki i procesy wytwarzania chipów elektronicznych układów scalonych są inne niż stosowane przy wytwarzaniu elementów przetwarzających i każdy etap produkcji może zostać w ten sposób niezależnie zoptymalizowany. Ponadto, testowanie elementów przetwarzających i układów typu ASIC może być wykonywane na poziomie chipu. Kompletny układ czujnika może zostać elektrycznie połączony z zewnętrznym podłożem przy pomocy technologii montażu powierzchniowego, z kontaktami zwróconymi w jedną stronę układu, to jest nie wprowadzającymi zakłóceń we wspomnianym interfejsie z otoczeniem. Pozwala to użytkownikowi zastosować proste i wydajne techniki montażu powierzchniowego do montażu całego układu. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia ogólną konstrukcję układu czujnika krzemowego. Fig. 2 przedstawia ogólną konstrukcję układu czujnika krzemowego z osłoną. Fig. 3 przedstawia konstrukcję mikrofonu opartą na układzie czujnika krzemowego. Fig. 4 przedstawia obudowaną konstrukcję mikrofonu. Fig. 5 przedstawia powiększenie bocznego doprowadzenia i pierścienia uszczelniającego. Fig. 6 przedstawia konstrukcję mikrofonu kierunkowego opartą na układzie czujnika krzemowego, zaś Fig. 7 przedstawia konstrukcję drugiego mikrofonu kierunkowego, opartą na układzie czujnika krzemowego. Proces użyty do wytwarzania różnych elementów układu czujnika krzemowego obejmuje głównie znane technologie w dziedzinie mikrotechnologii. Na Fig. 1 pokazano krzemowy człon nośny 2, zawierający jeden lub więcej wytrawionych, pionowych otworów przelotowych 20. Człon nośny 2, który jest krzemem krystalicznym, ma elementy kontaktowe w postaci punktów lutowniczych 8 na jego pierwszej powierzchni i elementy kontaktowe w postaci punktów lutowniczych 22 na jego drugiej powierzchni. Sygnał elektryczny jest przesyłany z pierwszej powierzchni do drugiej powierzchni przez linie doprowadzające 23 w pionie. Na członie nośnym 2, na jego pierwszej powierzchni, jest zamontowany za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, co najmniej jeden przetwornik ciśnienia 1 zamocowany i połączony swoimi stykami z pierwszą grupą elementów kontaktowych w postaci punktów lutowniczych 8. Również na pierwszej powierzchni jest zamontowane za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, na krzemowym członie nośnym 2 co najmniej jedno urządzenie elektroniczne, takie jak chipy układów scalonych 3, połączone i zamocowane za pomocą drugiej grupy elementów kontaktowych, takich jak punkty lutownicze 8. Materiałem punktów lutowniczych 8 jest zwykle Sn, SnAg, SnAu lub SnPb, ale inne metale mogą zostać również zastosowane. Lutowniczy pierścień uszczelniający 9 zapewnia uszczelnienia dla przetwornika 1. W tym przypadku, pionowe linie doprowadzające 23 są używane do przenoszenia sygnałów elektrycznych od przetwornika 1, pod pierścieniem uszczelniającym 9, do urządzenia elektronicznego w postaci chipa układu scalonego 3. Jest to pokazane dokładniej na Fig. 5. Sygnał może być również przenoszony do obwodu elektronicznego innymi ścieżkami przewodzącymi. Przewodzące elektryczność ścieżki są również tworzone wewnątrz członu nośnego, np. przez wytrawienie otworów 20, a następnie ich metalizację. Trawienie można wykonać techniką mokrego trawienia chemicznego lub suchego trawienia plazmowego. Ścieżka jest zwana pionowym doprowadzeniem i może być używana do przekazywania sygnału elektrycznego albo od przetwornika 1, albo urządzenia elektronicznego w postaci chipa układu scalonego 3, do drugiej powierzchni członu nośnego. Druga powierzchnia jest wyposażona w elementy kontaktowe w postaci punktów lutowniczych 22 do montażu powierzchniowego np. na PCB lub innym członie nośnym. Fig. 2 przedstawia układ jak na Fig. 1, ale w tym przykładzie wykonania urządzenie elektroniczne na przykład w postaci chipa układu scalonego 3 zostało połączone i zamocowane przez jedną grupę elementów kontaktowych w postaci punktów lutowniczych 8, jak również inne środki, na przykład wypełnienie lub klej 21. Ponadto, układ jest chroniony przez osłonę 5, która jest przymocowana do zamontowanego piętrowo przetwornika 1 lub urządzenia elektronicznego w postaci chipa układu scalonego 3 lub obu. Osłona 5 ma otwór 4, dostarczający dobre połączenie z otoczeniem, np. siatka przenosząca dźwięk lub filtr, jako ochrona mikrofonu przed cząsteczkami lub wilgocią. Osłona 5 może
6 PL 209 935 B1 zostać wykonana oddzielnie, np. z metalu lub polimeru, przez wytłaczanie lub formowanie wtryskowe, odpowiednio. Na Fig. 3 i 4 pokazana jest konstrukcja mikrofonu. W tych przykładach wykonania, przetwornik 1 jest mikrofonem, zaś w członie nośnym 2 jest wytrawione wycięcie 11 tworzące komorę tylną została. Wycięcie 11 jest wytrawione w krzemowym członie nośnym w procesie mokrego trawienia, przy użyciu takich reagentów jak KOH, TMAH lub EDP lub w procesie suchego trawienia, takim jak trawienie biernymi jonami. Wycięcie 11 może być trawione w tym samym etapie, co otwory 20. Różnica między Fig. 3 i 4 polega na tym, że konstrukcja na Fig. 4 zawiera osłonę 5 w postaci filtra i posiada warstwę przewodzącą 16 w celu dostarczenia ekranowania EMI. Tworząca ekran warstwa przewodząca 16 jest warstwą przewodzącego polimeru, taką jak srebrna żywica epoksydowa lub warstwa metalu, na przykład nałożona galwanicznie lub naparowana warstwa Cu lub Au. Ponadto, urządzenie elektroniczne w postaci chipa układu scalonego 3 i osłona 5 na Fig. 4 zostały połączone i przymocowane przy pomocy dodatkowych środków, takich jak wypełnienie lub klej 21. Działanie mikrofonu jest następujące. Otwór 4 działa jako wlot dźwięku i ciśnienie dźwięku z otoczenia dostaje się przez filtr osłony 5, przykrywającej otwór 4 do wnęki 10, działającej jak przednia komora dla mikrofonu. Ciśnienie dźwięku odchyla diafragmę 12, która powoduje ucieczkę powietrza spomiędzy diafragmy 12 i płyty tylnej 13 przez perforacje 19. Diafragma 12 może zostać skonstruowana i wykonana w różny sposób. Dla przykładu, diafragma 12 może zostać skonstruowana jako struktura trójwarstwowa, mająca dwie zewnętrzne warstwy zawierające azotek krzemu i pośrednią warstwę zawierającą krzem polikrystaliczny. Polikrystaliczny krzem zawarty w warstwie pośredniej jest domieszkowany borem (B) lub fosforem (P). Płyta tylna 13 również zawiera azotek krzemu i krzem polikrystaliczny domieszkowany borem lub fosforem. Wycięcie 11 działa jako tylna komora mikrofonu. Kiedy diafragma 12 jest odchylana w odpowiedzi na odbierane ciśnienie dźwięku, pojemność elektryczna elektrycznego kondensatora utworzonego przez diafragmę 12 i płytę tylną 13 zmienia się w odpowiedzi na ciśnienie odbieranego dźwięku. Obwód na chipie układu scalonego 3 urządzenia elektronicznego jest elektrycznie połączony z diafragmą 12 i płytą tylną 13 przez punkty lutownicze 8. Obwód jest przystosowany do wykrywania zmian pojemności elektrycznej kondensatora utworzonego przez diafragmę 12 i płytę tylną 13. Obwód ma połączenia elektryczne przez punkty lutownicze 8 i pionowe linie doprowadzające 23 z punktami lutowniczymi 22 w celu elektrycznego połączenia go z zasilaniem i innymi obwodami elektronicznymi w na przykład aparacie słuchowym. Podczas pracy kondensatora utworzonego przez diafragmę 12 i płytę tylną 13, płyta tylna 13 jest połączona ze stałym napięciem zasilającym w celu polaryzacji płyty tylnej 13. Kiedy pojemność zmienia się w wyniku zmian odległości między diafragmą 12 a płytą tylną 13 w odpowiedzi na zmienne ciśnienie dźwięku, na dostarczane napięcie stałe jest nakładane napięcie zmienne. Amplituda napięcia zmiennego jest miarą zmiany pojemności, a zatem również miarą ciśnienia dźwięku na diafragmie. Fig. 5 przedstawia powiększenie bocznej linii doprowadzającej 24 i pierścienia uszczelniającego 9. Boczna linia doprowadzająca 24 jest elektrycznie izolowana od pierścienia uszczelniającego 9 i członu nośnego 2 przez warstwy izolujące 25. Warstwy izolujące 25 podobnie izolują punkty lutownicze 8 przetwornika 1 od członu nośnego 2. Punkty lutownicze 8 przetwornika 1 i punkty lutownicze 8 chipu urządzenia elektronicznego 3 są elektrycznie połączone boczną linią doprowadzającą 24. Fig. 6 przedstawia mikrofon podobny do mikrofonu przedstawionego na Fig. 3. Jednakże w wycięciu 11 został utworzony otwór 26. Otwór 26 powoduje odchylenie membrany, które odzwierciedla gradient ciśnienia na diafragmie, zapewniając czułość kierunkową mikrofonu. Fig. 7 przedstawia mikrofon podobny do mikrofonu przedstawionego na Fig. 3. Jednakże dodany został dodatkowy przetwornik tak, że mikrofon posiada teraz dwa przetworniki 1, przy czym oba zawierają diafragmę 12 i płytę tylną 13. Oba przetworniki 1 są połączone z krzemowym członem nośnym 2 przez punkty lutownicze 8 i pierścień uszczelniający 9 poprzez wycięcie 11 dla każdego przetwornika 1. Oba przetworniki 1 umożliwiają pomiar różnicy fazy odbieranej fali akustycznej, dzięki czemu uzyskuje się kierunkową czułość mikrofonu. Jest oczywiste dla specjalisty, że można zwiększyć liczbę czujników z dwóch (jak pokazano na Fig. 7) do dowolnej liczby czujników - na przykład rozmieszczonych w układzie kolumn i rzędów.
PL 209 935 B1 7 Zastrzeżenia patentowe 1. Układ czujnika na bazie krzemu do mikrofonu, zawierający człon nośny mający dwie przeciwległe powierzchnie pierwszą i drugą, gdzie na pierwszej powierzchni są osadzone dwie grupy elementów kontaktowych pierwsza i druga, i zawierający przetwornik ciśnienia z zespołem aktywnym do pomiaru zmian ciśnienia, który to zespół aktywny jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym elementem kontaktowym przetwornika ciśnienia, oraz zawierający chip układu scalonego z zintegrowanym obwodem mającym przynajmniej jeden element kontaktowy, znamienny tym, że przetwornik ciśnienia (1) jest zamontowany na członie nośnym (2) za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip- -chip, a przynajmniej jeden element kontaktowy przetwornika ciśnienia (1) jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych pierwszej grupy elementów kontaktowych członu nośnego (2) z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym przetwornika ciśnienia (1) a członem nośnym (2), natomiast chip układu scalonego (3) jest zamontowany na członie nośnym (2) za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, przy czym przynajmniej jeden element kontaktowy chipu układu scalonego (3) jest elektrycznie połączony z jednym elementem kontaktowym drugiej grupy elementów kontaktowych członu nośnego (2), a przy tym przetwornik ciśnienia (1) i chip układu scalonego (3) są usytuowane jeden w sąsiedztwie drugiego na pierwszej powierzchni członu nośnego (2) z utworzeniem elektrycznego kontaktu między zintegrowanym obwodem a członem nośnym, a ponadto przynajmniej jeden z elementów kontaktowych pierwszej grupy elementów kontaktowych jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym z elementów kontaktowych drugiej grupy elementów kontaktowych z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym przetwornika ciśnienia (1) i chipem układu scalonego (3). 2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że na drugiej powierzchni członu nośnego (2) są osadzone elementy kontaktowe, przy czym przynajmniej jeden z elementów kontaktowych pierwszej lub drugiej grupy elementów kontaktowych pierwszej powierzchni jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych osadzonych na drugiej powierzchni członu nośnego (2). 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że powierzchnie pierwsza i druga członu nośnego (2) są w zasadzie równoległe i usytuowane jedna naprzeciw drugiej. 4. Układ według zastrz. 3, znamienny tym, że człon nośny (2) jest członem nośnym na bazie krzemu. 5. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że człon nośny (2) posiada wycięcie (11), które jest usytuowane naprzeciw zespołu aktywnego przetwornika ciśnienia (1). 6. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik ciśnienia (1) zawiera wnękę (10), a zespołem aktywnym jest dno tej wnęki (10). 7. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że między drugą powierzchnią członu nośnego (2) a wycięciem (11) jest ukształtowany otwór (26). 8. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że przetwornik ciśnienia (1) jest na bazie krzemu. 9. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że człon nośny (2), przetwornik ciśnienia (1) i chip układu scalonego (3) są na bazie krzemu. 10. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zespół aktywny przetwornika ciśnienia (1) stanowi kondensator, przy czym kondensator jest utworzony przez elastyczną diafragmę (12) i w zasadzie sztywną płytę tylną (13). 11. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że przetwornik ciśnienia (1) zawiera osłonę (5), przy czym osłona (5) i zespół aktywny przetwornika ciśnienia (1) tworzą ograniczenia górne i dolne wnęki (10). 12. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że na przynajmniej części zewnętrznej powierzchni układu czujnika jest nałożona warstwa przewodząca (16). 13. Układ według zastrz. 12, znamienny tym, że warstwę przewodzącą (16) stanowi warstwa metalu. 14. Układ według zastrz. 12, znamienny tym, że warstwę przewodzącą (16) stanowi warstwa przewodzącego polimeru. 15. Układ czujnika według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy kontaktowe stanowi materiał lutowniczy, zwłaszcza Sn, SnAg, SnAu lub SnPb. 16. Układ według zastrz. 6, znamienny tym, że przetwornik ciśnienia (1) jest hermetycznie uszczelniony za pomocą środka uszczelniającego.
8 PL 209 935 B1 17. Układ czujnika na bazie krzemu do mikrofonu, zawierający człon nośny mający dwie przeciwległe powierzchnie pierwszą i drugą, gdzie na pierwszej powierzchni są osadzone trzy grupy elementów kontaktowych pierwsza, druga i trzecia, i zawierający pierwszy przetwornik ciśnienia z zespołem aktywnym do pomiaru zmian ciśnienia, który to zespół aktywny jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym elementem kontaktowym pierwszego przetwornika ciśnienia, drugi przetwornik ciśnienia tego samego typu, z zespołem aktywnym do pomiaru zmian ciśnienia, który to zespół aktywny jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym elementem kontaktowym drugiego przetwornika ciśnienia, oraz zawierający chip układu scalonego z zintegrowanym obwodem mającym przynajmniej jeden element kontaktowy, znamienny tym, że pierwszy przetwornik ciśnienia (1) jest zamontowany na członie nośnym (2) za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, a przynajmniej jeden element kontaktowy pierwszego przetwornika ciśnienia (1) jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych pierwszej grupy elementów kontaktowych członu nośnego (2) z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym pierwszego przetwornika ciśnienia (1) i członem nośnym (2), a drugi przetwornik ciśnienia jest zamontowany na członie nośnym (2) za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, a przynajmniej jeden element kontaktowy drugiego przetwornika ciśnienia (1) jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych drugiej grupy elementów kontaktowych członu nośnego (2) z usytuowaniem przetworników ciśnienia pierwszego (1) i drugiego obok siebie na pierwszej powierzchni członu nośnego (2) i z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym drugiego przetwornika ciśnienia i członem nośnym (2), natomiast chip układu scalonego (3) jest zamontowany na członie nośnym (2) za pomocą kontaktów sferycznych, typu flip-chip, przy czym przynajmniej jeden element kontaktowy chipu układu scalonego (3) jest połączony elektrycznie z jednym z elementów kontaktowych trzeciej grupy elementów kontaktowych członu nośnego (2), a przy tym chip układu scalonego (3) jest usytuowany obok przetworników ciśnienia pierwszego (1) i drugiego na pierwszej powierzchni członu nośnego (2) z utworzeniem elektrycznego kontaktu między zintegrowanym obwodem a członem nośnym (2), a ponadto przynajmniej jeden z elementów kontaktowych pierwszej grupy elementów kontaktowych jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym z elementów kontaktowych trzeciej grupy elementów kontaktowych i przynajmniej jeden z elementów kontaktowych drugiej grupy elementów kontaktowych jest elektrycznie połączony z przynajmniej jednym z elementów kontaktowych trzeciej grupy elementów kontaktowych z utworzeniem elektrycznego kontaktu pomiędzy zespołem aktywnym pierwszego przetwornika ciśnienia (1) i zintegrowanym obwodem oraz pomiędzy zespołem aktywnym drugiego przetwornika ciśnienia (1) i zintegrowanym obwodem. 18. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że na drugiej powierzchni członu nośnego (2) są osadzone elementy kontaktowe, przy czym przynajmniej jeden z elementów kontaktowych pierwszej, drugiej lub trzeciej grupy elementów kontaktowych jest elektrycznie połączony z jednym z elementów kontaktowych osadzonych na drugiej powierzchni członu nośnego (2). 19. Układ według zastrz. 18, znamienny tym, że powierzchnie pierwsza i druga członu nośnego (2) są w zasadzie równoległe i usytuowane jedna naprzeciw drugiej. 20. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że człon nośny (2) jest członem nośnym na bazie krzemu. 21. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że człon nośny (2) posiada wycięcia pierwsze (11) i drugie, przy czym pierwsze wycięcie (11) jest usytuowane naprzeciw zespołu aktywnego pierwszego przetwornika ciśnienia (1), a drugie wycięcie jest usytuowane naprzeciw zespołu aktywnego drugiego przetwornika ciśnienia (1). 22. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że każdy z przetworników ciśnienia (1), pierwszego i drugiego, zawiera wnękę (10), przy czym zespół aktywny przetworników ciśnienia (1), pierwszego i drugiego tworzy dno tej wnęki (10). 23. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że przetworniki ciśnienia (1), pierwszy i drugi, są na bazie krzemu. 24. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że człon nośny (2), przetworniki ciśnienia (1), pierwszy i drugi, i chip układu scalonego (3) są na bazie krzemu. 25. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że zespół aktywny każdego przetwornika ciśnienia (1), pierwszego i drugiego, stanowi kondensator, przy czym kondensator jest utworzony przez zestaw elastycznej diafragmy (12) i w zasadzie sztywnej płyty tylnej (13). 26. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że przetworniki ciśnienia (1), pierwszy i drugi, zawierają osłonę (5), przy czym osłona (5) i zespoły aktywne przetworników ciśnienia (1), pierwszego i drugiego, tworzą ograniczenia górne i dolne odpowiednich wnęk (10).
PL 209 935 B1 9 27. Układ według zastrz. 26, znamienny tym, że na przynajmniej części zewnętrznej powierzchni układu czujnika jest nałożona warstwa przewodząca (16). 28. Układ według zastrz. 27, znamienny tym, że warstwę przewodzącą (16) stanowi warstwa metalu. 29. Układ według zastrz. 27, znamienny tym, że warstwę przewodzącą (16) stanowi warstwa przewodzącego polimeru. 30. Układ według zastrz. 17, znamienny tym, że elementy kontaktowe stanowi materiał lutowniczy, zwłaszcza Sn, SnAg, SnAu lub SnPb. Rysunki
10 PL 209 935 B1
PL 209 935 B1 11
12 PL 209 935 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 4,92 zł (w tym 23% VAT)