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Mikro-Mikrophone

Schall-Sensoren aus Silicium für den Massenmarkt


Winzige Mikrophone am Revers von Fernsehmoderatoren sind ein vertrautes Bild, und doch geht es noch kleiner: Mikrophone aus Silicium, mit den Verfahren der Halbleiterindustrie gefertigt, so klein und auch so billig wie ein Chip. Die Entwicklungen sind mittlerweile weit gediehen. Auf einer gemeinsamen Konferenz der Europäischen und der Amerikanischen Gesellschaften für Akustik im März dieses Jahres in Berlin wurden besonders erfolgversprechende Mikro-Mikrophone vorgestellt, wie sie vielleicht bald in fast nicht sichtbaren Hörhilfen oder zur Turbulenzmessung an Flugzeugflügeln Dienst tun werden.

Ein Großteil dieser Systeme arbeitet nach denselben Prinzipien wie ihre großen Verwandten, insbesondere verwandeln sie die Luftschwingungen des Schalls über Membranen in ein elektrisches Signal. Beim Kondensatormikrophon bildet die Membran gemeinsam mit einer Elektrode einen Kondensator, dessen Kapazität sich mit beider Abstand ändert. Dazu legt man entweder eine Vorspannung an oder bringt Ladung auf einen der beiden Partner auf.

Der wichtigste Unterschied zum konventionellen Vorbild: Membranen und Gegenelektroden werden lithographisch aus Silicium gebaut. Ihre Dimensionen: Gerade mal ein Millimeter Kantenlänge und rund ein Mikrometer Dicke. Am Institut für Übertragungstechnik und Elektroakustik der Technischen Universität Darmstadt beispielsweise gelang es, solche Systeme mit Oxid-Nitrid-Doppelschichtmembranen von nur 0,3 Mikrometer Stärke zu fertigen. Auf einem Wafer ließen sich Tausende davon gleichzeitig integrieren – das Mikrophon als Massenprodukt à la Chip.

Gleiches gilt auch für Feldeffektmikrophone, bei denen die Membran selbst elektrisch geladen wird. Das Feld, das sie erzeugt, steuert die Leitfähigkeit eines Halbleiterkanals, der zwei elektrische Kontakte verbindet.

Des weiteren tragen einige Entwicklergruppen piezoelektrische und piezoresistive Materialien auf der Membran auf. Diese reagieren auf Formänderungen mit elektrischen Spannungen beziehungsweise Änderungen ihrer Leitfähigkeit.

Optische Mikrophone sind ebenfalls eine Variante der Membrantechnik. So leiten Forscher am Ames Research Center der NASA in Moffet Field (Kalifornien) rotes Laserlicht durch eine optische Faser zu einer mit Gold beschichteten Siliciumnitrid-Membran, wo es wieder in die Faser zurückreflektiert wird. Auch wenn die Membran nur um eine Atomweite schwingt, verändert sie das Lichtsignal. Das System sei sehr empfindlich und rauscharm, außerdem eignet es sich aufgrund seiner geringen Größe gut für die Montage auf Modellen von Flug- oder Raumfahrzeugen bei Turbulenzmessungen im Windkanal. Ingenieure der Universität Boston hoffen mit einem vergleichbaren System ein Raster von etwa 10000 optischen Mikro-Mikrophonen auf einem Chip zu integrieren – die amerikanische Marine will mit solchen Wandlern Unterwasserminen auch bei schlechter Sicht und sogar bei turbulenten Strömungen ausfindig machen.

Ein noch ganz anderes Prinzip nutzte Hans-Elias de Bree während seines Studiums an der Universität Twente im niederländischen Enschede. Bei seinem "Microflown" überspannen zwei elektrisch leitende Brücken aus Platin und Siliciumnitrid, jeweils etwa zehn Mikrometer breit, einen Kanal in der Oberfläche eines Silicium-Wafers. Heizt man diese "Drähte" auf, trägt die mit den Schallwellen einhergehende Luftbewegung Wärme von einer zur anderen Brücke und verändert damit ihren elektrischen Widerstand. Der Effekt ist zwar winzig klein, doch groß genug, um ihn sicher zu messen – zumindest im Bereich von 20 Hertz bis zehn Kilohertz. Damit eignet sich Microflown zum Beispiel für die Detektion seismischer Wellen, aber auch für die Erkennung von Sprache. Problematisch ist der Stromverbrauch für die Heizung der Mikrodrähte. Das Unternehmen Sennheiser in Wedemark bei Hannover will dieses Prinzip dennoch für Mobiltelephone weiterentwickeln


Aus: Spektrum der Wissenschaft 7 / 1999, Seite 90
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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