Pedersen presenteert het in zijn proefschrift ietwat eufemistisch als een 'condensatormicrofoon in silicium, waarbij de elektrische schakeling voor het uitlezen van het meetsignaal geïntegreerd is'. Maar het is weinig minder dan een technische doorbraak: de eerste werkelijk geïntegreerde microfoon-versterker op één minuscule silicium-chip.
Pedersen (1969) studeerde af aan de Technische Universiteit van Denemarken in Lyngby. Hij kwam in 1993 naar Twente om als STW-onderzoeker-in-opleiding onder leiding van promotor prof.dr.ir. Piet Bergveld (Bio-Informatica, EL) te werken aan de ontwikkeling van de geïntegreerde silicium-microfoon. Daarbij kon Pedersen voortbouwen op het werk van drie voorgangers.
Het basisidee was dat een microfoon-versterker combinatie op één siliciumchip voor gevoelige toepassingen een forse stap voorwaarts zou zijn. De verbinding tussen microfoon en versterker is namelijk uiterst kritisch: ze werkt als een soort antenne en dat leidt tot storing van het onversterkte microfoonsignaal. Dus: hoe korter de verbinding, hoe minder ruis.
Dat integreren van microfoon en versterker bleek een bottle-neck. 'Je moet in de cleanroom twee processen combineren: je moet zowel een membraan maken (het vliesje dat de geluidstrillingen registreert) als de elektrische schakelingen voor de versterker aanbrengen. Het probleem is dat die technieken elkaar in de weg zitten: de etsmiddelen en hoge temperaturen bij het maken van de microfoon maken de gevoelige schakelingen kapot.'
Plastic
De ontwerpbenaderingen van Pedersens voorgangers waren niet helemaal bevredigend uitgepakt; een membraan van silicium-nitride kon niet op de siliciumplak worden aangebracht zonder de schakelingen te vernielen, en een ander membraan van 'mylar', een speciaal soort polyester, bleek alleen achteraf tegen de silicium-chip te kunnen worden aangeplakt.
Pedersen vond de oplossing door toepassing van een alternatief materiaal: plastic, om precies te zijn polyimide, dat chemisch en thermisch zeer stabiel is (onoplosbaar en onsmeltbaar tot 400 graden Celsius) en bij lage temperaturen tot een rekbaar vlies te maken. Het polymeer werd eerder gebruikt voor het afmonteren van chemische sensoren en het maken van printplaten en hittewerende kleding, maar nooit eerder voor microfoons.
Het fabricageproces begint eerst met het maken van de versterker. Daartoe worden elektrische schakelingen op een siliciumschijf aangebracht. Tevens worden uitsparingen in het silicium geëtst waarin het microfoon-membraan vrij kan trillen. Omdat normale etsmiddelen zoals kaliumhydroxide de schakelingen kunnen vernielen, koos Pedersen voor droog-etsen, een nog relatief nieuwe techniek waarvoor MESA pas een klein jaar de apparatuur in huis heeft, en waarvan Pedersen dus dankbaar gebruik kon maken.
De tweede stap is het maken van de microfoon. Om het membraan te maken stopt Pedersen de bewerkte siliciumplak in een centrifuge, om er vervolgens bij vierduizend toeren per minuut enkele druppels vloeibaar polyimide op te laten vallen. Zo ontstaat een laagje polyimide van 0,5 micron dik. De plak wordt daarna bij 300 graden Celsius afgebakken, waardoor via een polymerisatieproces het onverwoestbare eigenlijke polyimide ontstaat.
Theeschoteltje
Pedersen: 'Het is een heel flexibele fabricagetechniek omdat zij bestaat uit twee processen (het maken van versterker en van de microfoon) die gecombineerd kunnen worden maar toch van elkaar onafhankelijk zijn.' Op een plak silicium ter grootte van een theeschoteltje kunnen zo op eenvoudige, relatief goedkope wijze honderden microfoon-versterker combinaties worden gemaakt van elk een paar vierkante millimeter groot.
De polyimide-technologie bleek een ware vondst. Pedersens geluidstests toonden aan dat het apparaatje prima functioneert in de 'audio-range' van 100 tot 15 duizend Herz. 'We maten een hoge gevoeligheid en een vlakke frequentierespons, met andere woorden een constante gevoeligheid over een breed frequentiegebied', zegt Pedersen. Hifi-kwaliteit, kortom.
'Het probleem van eerdere silicium-microfoons was altijd dat de kwaliteit onvoldoende was om ze concurrerend te maken met goede conventionele microfoons. Mijn microfoon-versterkertje is echter voor het eerst kwalitatief met zulke gewone microfoons vergelijkbaar.' Daarbij komt dat het ontwerp klein en solide is en goedkoop te maken. Een ware doorbraak.
Pedersen ziet allerlei toepassingen in het verschiet. De geïntegreerde microfoon is bij uitstek geschikt voor hoorapparaten. Op termijn, denkt hij, is een hoorapparaat denkbaar dat uit één chip bestaat, waarbij ook de luidspreker in polyimide wordt uitgevoerd. Het microfoontje kan goed gebruikt worden in mobiele telefoons en audio-apparatuur.
Octrooi
Toch staan fabrikanten niet in de rij. Zo is de STW-gebruikerscommissie voor Pedersens project nooit bijeen geweest. De deelnemers hadden blijkbaar nog geen interesse voor productontwikkeling. 'Silicium-microfoons blijven een dure technologie, tenzij je op massale schaal gaat produceren, bijvoorbeeld voor draagbare telefoons. Het probleem is dat de huidige microfoons zo goedkoop zijn dat daar amper tegen te concurreren valt.'
Lucratiever lijkt de door Pedersen ontwikkelde polyimide-techniek, waarvoor inmiddels via STW ook een octrooi-aanvraag is gedaan. 'Het is een relatief simpele technologie waarvoor je maar een paar cleanroom-apparaten nodig hebt. Bovendien gaat het om twee onafhankelijke processen. Een fabrikant kan daardoor bijvoorbeeld het maken van de IC-tjes uitbesteden.'
Er zijn inmiddels vergevorderde gesprekken met een bedrijf voor het inzetten van de techniek bij het maken van druksensoren (Pedersen maakte al een druksensor en een versnellingssensor). Pedersen zelf vertrekt met zijn microfoon-expertise binnenkort naar Chicago, waar hij bij fabrikant Knowles aan de slag gaat als researcher. Naar Denemarken wil hij voorlopig niet terug, want dan roepen ze hem subiet onder de wapenen.
Michael Pedersen.
