Konstruktionsprinzipien von MEMS-Mikrofonen: Klein und trotzdem gut

Die Gehäuse von MEMS-Mikrofonen

MEMS-Mikrofone haben ein hohles Gehäuse, bestehend aus einem Sub­strat, dessen Pads auf eine starre oder flexible Leiterplatte gelötet werden können, und einem Deckel. Im entstehenden Hohlraum werden der Akustiksensor und das ASIC platziert. Die meisten MEMS-Mikrofone enthalten separate Chips für den eigentlichen MEMS-Sensor und das Interface-ASIC (Bild 4). Hierdurch ist es möglich, den MEMS-Prozess gezielt für das Herstellen der beweglichen Strukturen zu optimieren, während sich für das ASIC ein herkömmlicher CMOS-Prozess einsetzen lässt. Das ASIC wird mit Hilfe von Bonddrähten mit dem Sensor und dem Substrat verbunden, bevor der Deckel aufgelegt und mit dem Substrat versiegelt wird.

MEMS-Mikrofone benötigen in ihrem Gehäuse eine Öffnung, damit die Schallwellen zum Akustiksensor gelangen können. Der Schalleinlass kann sich entweder im Deckel befinden (Top-Port-Ausführung) oder an der Unterseite in der Nähe der Lötflächen (Bottom-Port-Ausführung). Bottom-Port-Mikrofone erfordern zusätzlich eine Öffnung in der Leiterplatte, auf der sie montiert werden, denn nur so ist für Schallwellen der Weg zum Akustiksensor frei. Ob ein Top-Port- oder ein Bottom-Port-Mikrofon bevorzugt wird, richtet sich meist nach Faktoren wie der Anordnung des Mikrofons im Produkt sowie nach Fertigungsgesichtspunkten, um nur zwei Beispiele zu geben. Auch die Leistungsfähigkeit kann bei dieser Entscheidung maßgeblich mitwirken, da Top-Port-Mikrofone in der Vergangenheit stets weniger leistungsfähig waren als Bottom-Port-Versionen. Die Einführung hochleistungsfähiger Top-Port-Mikrofone wie des MP34DT01 von STMicroelectronics belegt jedoch, dass diese Einschränkung nicht unbedingt mehr gültig ist.

Die Membran des Akustiksensors unterteilt das Innere des MEMS-Mikrofons in zwei Bereiche. Der Abschnitt zwischen der Schalleintrittsöffnung und der Sensormembran wird allgemein als Vorkammer bezeichnet, der Abschnitt auf der anderen Seite der Membran dagegen als Rückkammer (Bild 5). In Bottom-Port-Mikrofonen wird der Sensor meist direkt über der Schalleintritts­öffnung angeordet, was eine Reihe von Vorteilen bietet.

Die Empfindlichkeit der meisten MEMS-Mikrofone nimmt bei höheren Frequenzen zu. Ursache hierfür sind Wechselwirkungen zwischen der Luft im Schalleinlass und der Luft in der Vorkammer des Mikrofons. Diese Interaktion bewirkt eine Helmholtz-Resonanz und damit das gleiche Phänomen, das beim Blasen über die Öffnung einer Flasche einen Ton erzeugt. Ebenso wie bei Flaschen ergibt auch hier ein kleineres Luftvolumen eine höhere Resonanzfrequenz, während ein größeres Luftvolumen die Resonanzfrequenz reduziert. Der Mikrofonsensor befindet sich bei den meisten Bottom-Port-Mikrofonen unmittelbar über dem Schalleinlass, was eine relativ kleine Vorkammer ergibt. Dementsprechend hoch ist die Mittenfrequenz der Helmholtz-Resonanz. Da die Helmholtz-Resonanz normalerweise im oberen Teil des jeweiligen Frequenz-Bands angesiedelt ist, führt ein Anheben der Resonanzfrequenz zu einem flacheren Frequenzgang.

Die Platzierung des Sensors direkt über der Schalleintrittsöffnung hat außerdem zur Folge, dass die Rückkammer relativ groß ausfällt. Ein großes Luftvolumen in der Rückkammer erleichtert es der Membran, sich unter dem Einfluss der Schallwellen zu bewegen. Dies wiederum verbessert die Empfindlichkeit und den Signal-Rausch-Abstand des Mikrofons. Von einer großen Rückkammer profitiert auch das Ansprechverhalten des Mikrofons auf niedrige Frequenzen.

Die Konstruktionsweise von Top-Port-Mikrofonen (Bild 6) hatte schon immer große Ähnlichkeit mit derjenigen von Bottom-Port-Versionen. Sensor und Interface-IC befanden sich auf dem Substrat und wurden von einem hohlen Gehäuse umschlossen. Der einzige wirkliche Unterschied zwischen beiden Ausführungen ist, dass sich der Schalleinlass bei den Top-Port-Mikrofonen nicht im Substrat, sondern im Deckel befindet, wodurch die einstige Rückkammer zur Vorkammer wird und die bisherige Vorkammer nun als Rückkammer fungiert.

Das kleinere Luftvolumen in der Rückkammer traditioneller Top-Port-MEMS-Mikrofone macht es für die Membran schwieriger, sich zu bewegen. Dies beeinträchtigt einerseits die Empfindlichkeit des Sensors und reduziert andererseits den Signal-Rausch-Abstand. Das größere Luftvolumen in der Vorkammer zwischen Schalleintrittsöffnung und Membran wiederum senkt die Resonanzfrequenz, was dem Ansprechverhalten des Mikrofons auf hohe Frequenzen schadet. Der reduzierte Signal-Rausch-Abstand in Verbindung mit dem schlechteren Frequenzgang des Mikrofons bei niedrigen und hohen Frequenzen ist der Grund dafür, dass die meisten Top-Port-Mikrofone weniger leistungsfähig sind als entsprechende Bottom-Port-Versionen.

Eine Ausnahme von dieser Regel stellt das digitale Top-Port-MEMS-Mikro­fon MP34DT01 von STMicroelectronics dar. Die proprietäre Gehäusetechnologie des Unternehmens macht es möglich, den MEMS-Sensor und das Interface-IC an der Unterseite des Deckels des MP34DT01 und damit direkt unter dem Schalleinlass zu platzieren (Bild 7 und Bild 8). Dies ergibt eine kleine Vorkammer und eine große Rückkammer und verleiht dem MP34DT01 die gleiche Leistungsfähigkeit wie der Bottom-Port-Version MP34DB01 dieses Mikrofons.