Entwicklung von Halbleiter-Mikrophonen
| 22. November 2011 | Veröffentlicht von admin unter Berichte |
Kommentare deaktiviert
|
Immer wieder interessant finde ich, was in den Forschungslaboratorien der japanischen Rundfunkanstalt NHK so alles entwickelt wird und so stellt das vier Mal im Jahr erscheinende Broadcast Technology Bulletin immer eine höchst abwechslungsreiche Lektüre für mich dar. Man kann es in Papier bekommen (ISSN 1345-4099) oder aber auch im Internet lesen. In der Herbstausgabe No. 46 findet sich ein recht langer Artikel über „Trends bei der Digitalen Übertragung für Kabelfernsehen“ und ein meine Kenntnisse etwas überfordernder Artikel über „Trends in der Audioforschung, basierend auf physikalischen Akustik-Modellen“ Um so mehr habe ich den Artikel über „Programm-Anwendungen von Silizium-Mikrophonen“ gelesen, da mich dieses Thema schon länger interessiert, aber man nicht viel darüber findet und reale Ausführungen bislang wohl nicht groß in der Praxis zum Tragen kamen. Das liegt wie ich dem Artikel entnehmen konnte daran, dass man bislang mit polykristallinem Silizium arbeitete, das zwar für Solarelemente preiswerter in der Herstellung ist, aber bei Mikrophonen doch wohl zahlreiche Einschränkungen hatte.
Die japanische NHK forscht und entwickelt nun Silizium-Mikrophone auf der Basis von chemisch inertem monokristallinem (also extrem feinen und reinen) Silizium für künftige Mikrophone. Das Material hat eine besonders hohe mechanische Robustheit sowie Hitze und Feuchtigkeit abweisende Eigenschaften, sodass derartige Mikrophone in der Lage sind, hervorragende Tonaufnahmen selbst im Hochtemperaturbereich, bei hoher Feuchtigkeit, in saurer Umgebung und anderen rauen Umweltbedingungen zu erstellen und somit gleichzeitig neue und neuartigen Einsatzfälle zu finden, die für normale Mikrophone große Probleme bedeuten würden oder überhaupt nicht realisierbar sind.
Von Mikrophonen, die heute im Broadcastbereich eingesetzt werden, erwartet man exzellente akustische Eigenschaften einschließlich hoher Empfindlichkeit, großer Bandbreite und einem großen Dynamikumfang. Es sind hochkomplexe Geräte, die aus vielen präzisen Kunststoff- und Metallteilen gefertigt sind und deshalb höchst empfindlich auf Hitze, Feuchtigkeit und Stoß reagieren. Im Gegensatz dazu sind die von NHK entwickelten Silizium-Mikrophone in einem Halbleiter-Fertigungsverfahren hergestellt, das gegenüber mechanischer Herstellung eine unvergleichbar höhere Präzision bietet. Und sie sind enorm resistenter gegenüber Umwelteinflüssen.
Querschnitt durch das Silizium-Mikrophon (Copyright NHK)
Das von NHK entwickelte Silizium-Kondensator-Mikrophon hat eine Breite von 5,7 mm, ist 13 mm lang und 3 mm dick. Es besteht aus einer dünnen Membran aus monokristallinem Silizium und einer rückseitigen Platte aus dem gleichen Material. Zwischen ihnen liegt ein winziger Isolator, der die beiden Teile elektrisch voneinander trennt. Die Membran wird durch den ankommenden Schalldruck abgelenkt und verändert somit den Abstand zur Rückplatte. Rückplatte und Membran wirken zusammen wie ein paralleler Plattenkondensator, dessen Kapazität abhängig ist vom Abstand der Membran zur Rückplatte. Eine 48-Volt-Vorspannung wird zwischen Membran und Rückplatte angelegt, so dass die Kapazitätswechsel als Spannungsänderungen abgegriffen werden können.
Die Anordnung führt zu exzellenten akustischen Eigenschaften. Die Frequenzwiedergabe ist recht geradlinig über den gesamten Audio-Frequenzbereich (20…20.000 Hz) bei einer Empfindlichkeit von -42 dB bei 1 kHz. Besonders bemerkenswert ist die hohe Linearität bei geringen bis extrem hohen Tondrücken bis etwa 100 Pa oder größer, vergleichbar mit dem Lärm eines startenden Jets, und das alles ohne Verzerrungen.
Das neu entwickelte Silizium-Mikrophon wurde bereits für die unterschiedlichsten Programme benutzt. So wurde es beispielsweise in einem „aktiven“ Kochtopf platziert, um die Kochgeräusche im Detail aufzunehmen, und zwar mitten im Kochgut, das nicht mit der bloßen Hand berührt werden konnte. Jedes andere Mikrophon wäre sofort zerstört worden. Ein anderer Einsatzfall war der Tonaufnahme von Kalkstein in Hydrochlorid-Säure. Mit dem Mikrofon konnte klar das Aufplatzen der dabei entstehenden kleinen Bläschen aufgenommen werden. Das wäre mit konventionellen Mikrophonen überhaupt nicht möglich gewesen, so dass sich auch vollkommen neue Einsatzfälle erschließen. Ein anderes Mal wurde ein Siliziummikrophon am Sprungbrett in einem Schwimmbad platziert und nahm die Tauch- und Atemgeräusche des Schwimmers auf. Das Spritzwasser führte zu keinen Problemen. Diese Mikrophone wurden laut NHK auch benutzt, um zum Beispiel das Flügelschlagen wilder Vögel im Regenwald aufzunehmen.
Als Handicap wird von der NHK zur Zeit noch gesehen, dass die angelegte 48-V-Vorspannung im Betrieb gewisse Einschränkungen hinsichtlich des Anbringungsorts und vor allem hinsichtlich der Portabilität des Mikrophons mit sich bringt. Um dieses Problem zu überwinden, arbeitet man jetzt an der Entwicklung eines Silizium-Elektret-Kondensator-Mikrophons, das keine Vorspannung benötigt. Als Elektret kommt ein plastisches Material für die Membran infrage und eine Trennschicht, das die Ladung semipermanent speichern kann. Es bietet aber nicht die gleiche exzellente akustische Leistung wie das vorangegangene Mikrophon mit monokristallinem Silizium und ist darüber hinaus auch nicht resistent gegenüber hohen Temperaturen. Zurzeit laufen Versuche mit einem anorganischen Elektret und Vorbehandlung des Materials mit weichen Röntgenstrahlen.
Ein Silizium-Mikrophon bietet aufgrund der Herstellungsweise wie ein Halbleiterchip große Vorteile bei der Fertigung bei gleichzeitig extremer Herstellungspräzision. Wahrscheinlich wird bei einer Serienentwicklung auch der Preis eines solchen Mikrophons deutlich geringer als heutige Hochleistungsmikrophone werden können, sodass der Einsatz nicht nur Spezialfällen vorbehalten bleibt, sondern sie die herkömmlichen Mikrophone ablösen können. Umgekehrt bieten sie aber neue Möglichkeiten auch außerhalb des Rundfunkbereichs, zum Beispiel können sie bei industriellen Herstellungsprozessen unter extremen Bedingungen eingesetzt werden oder auch bei medizinischen Anwendungen, vielleicht sogar als Implantate im Körper. Ob und wie schnell die Entwicklung vorangehen wird, kann man dem Forschungsbericht aber nicht entnehmen.
N. Bolewski
Nach einem Bericht von Yoshinori Iguchi im STRL Bulletin Broadcast Technology No. 46, siehe auch http://www.nhk.or.jp/strl/publica/bt/en/frm-set-fe464.html
Die Zeichnung stammt aus dem Originalbeitrag, Copyright NHK
.
-- Download Entwicklung von Halbleiter-Mikrophonen as PDF --