CN109319727B - Mems传感器以及提供和运行mems传感器的方法 - Google Patents

Mems传感器以及提供和运行mems传感器的方法 Download PDF

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Abstract

MEMS传感器包括具有可移动电极和定子电极的MEMS装置，定子电极与可移动电极相对地布置。MEMS传感器包括连接到定子电极的第一偏置电压源，第一偏置电压源被配置为将第一偏置电压施加到定子电极。MEMS传感器还包括通过电容耦合连接到定子电极的共模读出电路，共模读出电路包括第二偏置电压源，第二偏置电压源被选择为将第二偏置电压施加到电容耦合的背离定子电极的一侧。

Description

MEMS传感器以及提供和运行MEMS传感器的方法
技术领域
本公开涉及MEMS传感器，特别是用于与流体相互作用的MEMS传感器，例如MEMS麦克风或MEMS压力传感器。本公开还涉及提供这种MEMS传感器的方法以及运行MEMS传感器的方法。本公开还描述了MEMS麦克风的鲁棒读出。
背景技术
MEMS传感器可以使用不同的物理效应来执行传感测量。这种情况的一个例子是膜的偏移，例如通过与流体即液体和/或气体接触。这种MEMS传感器可以基于半导体技术形成，即，它们可以包括诸如硅和/或砷化镓的半导体材料。而且，其他材料可以被布置，其允许适当的功能化和/或钝化，例如导电材料，例如金属和/或钝化材料，例如氧化硅和/或氮化硅。
期望具有对使用MEMS传感器的周围环境鲁棒的MEMS传感器。
发明内容
实施例提供一种具有MEMS装置的MEMS传感器，MEMS装置具有可移动电极。与可移动电极相对布置有定子电极。MEMS传感器具有连接到定子电极的第一偏置电压源，第一偏置电压源被配置为将第一偏置电压施加到定子电极。MEMS传感器具有通过电容耦合连接到定子电极的共模读出电路，共模读出电路包括第二偏置电压源，第二偏置电压源被设计为将第二偏置电压施加到电容耦合的背离定子电极的一侧。
根据一个实施例，可移动电极是第一可移动电极。MEMS传感器包括第二可移动电极，第二可移动电极与第一可移动电极相对第布置，其中定子电极布置在第一和第二可移动电极之间。由此与共模读出电路一起实现的是，彼此相向或彼此远离移动的可移动电极分别提供对从共模读出电路获得的测量信号的附加贡献，与相互补偿的贡献相反。这使得可以获得鲁棒的MEMS传感器。
另一个实施例提供了具有MEMS装置的MEMS传感器，MEMS装置包括第一可移动电极、第二可移动电极和定子电极，第二可移动电极与第一可移动电极相对地布置，定子电极布置于第一和第二可移动电极之间。MEMS传感器被构造成，第一可移动电极在空闲状态中以第一距离相对于定子电极布置，并且第二电极在空闲状态中以第二距离相对于定子电极布置，该第二距离与第一距离不同。这导致在第一可移动电极和定子电极之间的或第二可移动电极和定子电极之间的电容变化的不同贡献，因此MEMS传感器受到外部干扰的影响，例如不同部分测量中的颗粒、压力或变化的温度引起不同的变化并且基于此获得了高的对干扰不敏感性，这也实现了鲁棒的MEMS传感器。
另一个实施例提供了一种用于提供MEMS传感器的方法。所述方法包括提供MEMS装置，该MEMS装置具有第一可移动电极、第二可移动电极和定子电极，第二可移动电极与第一可移动电极相对地布置，定子电极布置于第一和第二可移动电极之间。该方法包括将第一偏置电压源连接到定子电极，使得第一偏置电压源被配置为将第一偏置电压施加到定子电极。所述方法包括将具有第二偏置电压源的共模读出电路通过电容耦合连接到所述定子电极，使得所述第二偏置电压源被构造成将第二偏置电压施加到所述电容耦合的背离所述定子电极的一侧。
另一个实施例提供了另一种用于提供MEMS传感器的方法。所述方法包括提供MEMS装置，该MEMS装置包括第一可移动电极、第二可移动电极和定子电极，第二可移动电极与第一可移动电极相对地布置，定子电极布置于第一和第二可移动电极之间。提供MEMS装置被实现为，使得第一可移动电极在空闲状态中以第一距离相对于定子电极布置，并且第二电极在空闲状态中以第二距离相对于定子电极布置，该第二距离与第一距离不同。
另一个实施例提供了一种用于控制MEMS传感器的方法，所述MEMS传感器具有第一可移动电极、第二可移动电极和定子电极，第二可移动电极与第一可移动电极相对地布置，定子电极布置于第一和第二可移动电极之间。该方法包括将第一偏置电压施加到定子电极，并且将第二偏置电压通过与所述定子电极的电容耦合并且在所述电容耦合的背离所述定子电极的一侧施加到所述定子电极。
附图说明
在下文参考附图阐释实施例。图示：
图1A示出了根据一个实施例的包括可移动电极的MEMS传感器的示意性侧剖视图；
图1B示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图，其与图1A的MEMS传感器类似地构造并且包括第二可移动电极；
图2示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性框图，其中可移动电极连接到参考电位；
图3示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性框图，其中可移动电极相对于定子电极具有彼此不同的距离；
图4示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性框图，其中与图3中的MEMS传感器相比较仅布置可移动膜中的一个可移动膜；
图5示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性框图，其中与图2中的MEMS传感器相比，可移动电极可以以相互不同的电位连接。
图6示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性框图，其中定子电极具有第一定子电极元件和第二定子电极元件；
图7示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图，其被设计为所谓的顶部端口麦克风；
图8示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图，其与图7的MEMS传感器相比被设计为底部端口麦克风。
图9示出了根据一个实施例的MEMS传感器的示意性侧剖视图，其中电连接被集成在电板中；
图10示出了根据一个实施例的用于控制MEMS传感器的方法的示意性流程图；
图11示出了根据一个实施例的用于提供MEMS传感器的方法的示意流程图；并且
图12示出了根据一个实施例的用于提供MEMS传感器的另一种方法的示意流程图。
具体实施方式
在下面具体参考附图更详细地解释实施例之前，要指出的是，在不同附图中的相同的、功能相同的或作用相同的元件、对象和/或结构设有相同的附图标记，因此在不同实施例中所示出的这些元件的描述是可互换的或者可以应用到彼此。
以下实施例涉及MEMS传感器，特别是那些可以与流体接触的传感器，例如用于检测流体的压力和/或压力变化曲线，即涉及MEMS麦克风和MEMS压力传感器。随后的一些实施例还涉及这样的MEMS传感器，其具有相对不可移动的定子电极，即被设计成使得该定子电极实施与其他电极相比较小的行程。定子电极布置于第一和第二可移动电极之间，使得第一可移动电极相对于定子电极的移动和第二可移动电极相对于定子电极的移动导致相应电极对之间的电容值的变化。
在可移动电极之间可以布置有环境流体，例如空气。备选地，可能的是，在两个可移动电极之间存在闭合的体积，在该体积中例如布置有参考流体，参考压力和/或真空。可移动电极可以经由支撑结构彼此机械连接，以便例如通过外部压力等减小在两个可移动电极之间的距离的变化。
例如，用于定子电极和/或可移动电极的材料可以是诸如硅的掺杂半导体材料。作为掺杂材料，可以使用任意的适合于此的材料，例如硼或磷。备选地或附加地，还可以在可能不导电的半导体材料上施加导电涂层，例如通过金属材料的沉积或气相沉积。类似地，可以形成定子电极，其中，该定子电极可以通过具有小移动性的结构措施、例如厚度增加形成。在两个彼此相关的电极之间，即第一可移动电极与定子电极之间以及第二可移动电极与定子电极之间，能够分别布置有绝缘层，该绝缘层在机械接触的情况下避免短路。这种绝缘层能够包括例如氧化硅材料或氮化硅材料。
图1A示出了根据一个实施例的MEMS传感器10的示意性侧剖视图。MEMS传感器10包括MEMS装置12，该MEMS装置具有可移动电极14和定子电极16。定子电极16可以与可移动电极相对地布置。可移动电极14可以沿方向z在其正和/或负方向上偏移，并且从而接近或远离定子电极16，这样就获得了根据可变平板电容器并根据麦克风或压力传感器的功能。
可移动电极14的移动或偏移由设有附图标记14'和14”的虚线表示，其中，14'可以指示可移动电极14远离定子电极16的运动，而附图标记14”可以指示朝向定子电极16的运动。
可移动电极14和/或定子电极16可以由衬底17彼此保持和/或与该衬底机械固定连接。衬底17可以包括例如半导体材料。
MEMS传感器10包括偏置电压源18，该偏置电压源连接到定子电极16并且被配置为将第一偏置电压U1施加到定子电极16。
MEMS传感器10还包括共模读出电路22，该共模读出电路也经由电容耦合24电连接到定子电极16。尽管定子电极16被示出为使得偏置电压源18和共模读出电路22在不同的位置电连接到定子电极16，但是可能也在空间上与偏置电压源18相邻地实现电容耦合，例如通过在偏置电压源18和定子电极16之间的路径中的电容耦合24的连接，以及共模读出电路22通过电容耦合布置到定子电极16处。共模读出电路22可以包括第二偏置电压源26，第二偏置电压源被配置为经由电容耦合24将偏置电压U2施加到定子电极16。为此，偏置电压源26在电容耦合24的背离定子电极16的一侧与电容耦合24连接。共模读出电路22可以配置成提供测量信号28，该测量信号说明关于可移动电极14相对于定子电极16的移动的信息。
与差分读出电路相比，可以例如在测量信号28中确定与运动14”2同时发生的运动14”1，因为可移动电极141与定子电极16之间的以及可移动电极142与定子电极16之间的电容变化相加。这通过电容C1表示，该电容实现的是，在可移动电极141和定子电极16之间的距离的变化引起测量信号28处的电压变化。共模读出电路22能够被配置成通过测量信号28检测在可移动电极141与定子电极16之间的与此相关联的第一电容值以及可移动电极142与定子电极之间的第二电容值。
MEMS传感器10也能够由此使用在变化的环境条件中，其中例如外部压力或温度变化导致的是，可移动电极141和142同时向着定子16移动或远离定子16移动，这将难以或不可能用差分读出电路检测到。
图1B示出了根据一个实施例的MEMS传感器10'的示意性侧剖视图，该MEMS传感器与MEMS传感器10类似构造并且包括第二可移动电极142。可移动电极141可以对应于图1A的可移动电极14。可移动电极142可以与可移动电极141相同地实现并且被布置成使得可移动电极141与可移动电极142相对布置，并且在可移动电极141和142之间布置有定子电极16。
可移动电极141和142可以两个都沿z方向在其相应的正和/或负方向上偏移。例如，可移动电极141和142可以至少近似相同或同步地移动，例如同时执行运动14'1和14”2或14”1和14'2，或者朝向彼此移动或远离彼此移动。可移动电极141和/或142的移动或偏移与图1A一致通过虚线表示，该虚线设有附图标记14'1和14'2。在这里，14'1和14'2能够表示相应的可移动电极141或142离开定子电极16的移动，而附图标记14”1和14”2能够表示向着定子电极16的移动。
根据一个实施例，可移动电极141和142可以穿过定子电极16的平面彼此机械连接，并且被构造成执行同时移动。为此，定子电极16可以具有开口或留空部，穿过支撑元件伸出，该支撑元件将可移动电极141和142彼此连接。
可移动电极141和/或142也可以连接到电位和/或可以单独地或共同地连接到另一个电位，该另一个电位在可移动电极141和142之间可以彼此相同或不同。因此，与参考电位的连接也可以单独地或共同地发生，即，可移动电极141和142可以具有共同的或相互不同的电位。例如，可移动电极141和142可以连接到参考电位或具有参考电位，以在外部组件与可移动电极接触或接近时相对于外部组件具有低的干扰敏感性。
如对于图1A中的可移动电极14所述，关于可移动电极142，在可移动电极142和定子电极16之间的电容C2也能够起作用，从而由共模读出电路提供的测量信号28可以指示与可移动电极141和/或142相对于定子电极16的移动有关的信息。可移动电极141和142的每个单独运动可以提供对测量信号28的贡献。
换句话说，可以通过一种装置(该装置将两个膜拉到相同的电位上并且因此能够被称为短路的膜，并且该装置也与MEMS衬底具有相同的电位、例如GND)实现的是，在MEMS的两侧上是鲁棒的，特别是对于前侧和背侧的体积是鲁棒的。这种MEMS可以容易地制造，因为可以省去两个可移动膜之间的绝缘。对于短路膜，可以使用根据所述实施例的读出电路。在所示的配置中，通过上膜141的位移获得的电信号可以与由下膜142产生的信号成反比，以便声学信号被补偿或消除或至少衰减。根据图2的实施方案实现了可以衰减或消除声信号的鲁棒拓扑，因此作为压力传感器的高效率是可能的。特别地，作为环境压力传感器的使用是可能的。
图2示出了根据一个实施例的MEMS传感器20的示意性框图。MEMS装置12的可移动电极141和142可以连接到参考电位Uref，例如，0伏或接地(地GND)或其他电位。备选地或附加地，衬底17可以连接到参考电位Uref。可移动膜141和/或142的联接/连接和/或衬底17与参考电位Uref的联接能够实现MEMS装置12相对于泄漏电流的高不敏感性，例如当污染物或颗粒接触相应的组件和/或与其他导电部件建立电气连接或机械连接时。定子电极16可以相对于衬底17电绝缘，例如通过使用绝缘层等。这使得可以减少或甚至防止在定子电极16与衬底17之间的泄漏电流等。这种泄漏电流的可能原因可以是例如进入到MEMS传感器中的导电颗粒。可移动电极141和142与定子电极的距离能够例如至少是0.5μm并且至多10μm，至少1μm和至多5μm或至少1.5μm和至多4μm，大约2μm。适当尺寸的颗粒可以建立机械连接和可能的电连接。
尽管衬底17被示出为使得该衬底与可移动电极141和142处于共同的参考电位Uref上，备选地也可以施加相互不同的电位。可移动电极141和142中的至少一个可移动电极可以与衬底17的周围环境电绝缘。
在偏置电压源18和定子电极16之间可以布置滤波器装置32，滤波器装置被设计为过滤由偏置电压源18所提供的相对于所述定子电极16的电压U1，以及相对于偏置电压源18过滤通过可移动电极141和/或142的运动而造成的在定子电极16处的电压变化。例如滤波器32可以形成为低通滤波器，并且具有欧姆电阻R1以及电容C3。其他欧姆电阻可以布置在滤波器32和MEMS装置12之间，如通过R2所示。例如，其在这里可以是导线电阻和/或电阻元件。
共模读出电路22也可以具有欧姆电阻，如通过R3所示。在这里其(与R2能够相当)可以是导线电阻和/或欧姆电阻元件。此外，共模读出电路22可以具有放大器元件34，放大器元件可以被构造为放大从电容耦合24和偏置电压源26所接收的信号以提供测量信号28。放大器元件34能够例如是运算放大器。备选地还可以布置其他或另外的放大器元件，例如管放大器等。
如图1中已经显而易见的，偏置电压源18可以被构造成向MEMS装置12提供偏置电压，使得电压U1也可以称为MEMS偏置电压(MEMS偏压)。备选地或附加地，偏置电压源26可以被构造成向共模读出电路提供偏置电压，即电压U2。共模读出电路22可以是用于控制和/或评估MEMS传感器20的控制电路的一部分。这种控制电路可以例如被形成为专用集成电路(ASIC)，从而电压U2可以是ASIC偏置电压(ASIC偏压)。MEMS或MEMS装置12和ASIC能够以不同的电压电平或电位值运行。两个能够彼此分离控制的偏置电压源18和26的布置使得MEMS装置12以及共模读出电路22可以被提供适合于该目的的电压。偏置电压源18可以被构造成施加电压U1，使得该电压具有至少3伏的电位。根据一个实施例，电位U1具有至少3伏并且至多15伏，至少4伏且至多13伏或至少5伏且至多10伏的值。相反，电压U2或相关电位可以具有至多2.5伏的值。根据一个实施例，电压U2的值是至少0伏且至多2.5伏，至少0.1伏且至多1.5伏，或至少0.2伏且至多1伏的值。根据一个实施例，电压U1和U2可以是直流电压。
尽管可移动电极141和142被显示为它们连接到参考电位Uref，但是电极也可以连接到其它的共同电位。定子电极16连接到与其不同的电位。
图3示出了根据一个实施例的MEMS传感器30的示意性框图，其中可移动电极141和142相对于定子电极16具有彼此不同的距离361或362。距离362可以在结合图2所提到的范围内并且例如可以是2μm。另一方面，相对于此所增加的距离361可以是至少2μm且至多20μm，至少3μm且至多15μm，至少5μm并且至多12μm，约10μm的值。虽然距离361和362被描述成距离361大于距离362，但是备选地也可以是距离362大于距离361。
可移动膜141和142具有共同的参考电位Uref，使得可移动电极141和142中的相同的运动幅度基于与定子电极16的相互不同的距离361和362，在相应的可移动电极141或142与定子电极16之间的电容值的变化中引起不同效果。这实现了在测量信号28中叠加可以通过相应的读出电路或评估电路来识别和评估的电压变化的不同值范围。这意味着，通过设定在可移动电极141和142与定子电极36之间的有意识彼此不同的距离，可以减少或取消例如与用作麦克风的用途关联的可移动电极141和142的运动的补偿。距离361和362的商可以具有至少1.1的值。备选地也可以选择距离361和362，使得该值至少为2，至少为5或至少为10，其中，这可以在假设较大距离在分数的分子中并且较小距离在分数的分母中的情况下完成。
不同距离361和362的方面也可以独立于MEMS传感器与共模读出电路22的连接来进行。这意味着，实施例可以参考具有MEMS装置12的MEMS传感器，即可移动电极141和142，定子电极16布置在可移动电极之间，其中可移动电极141在空闲状态中，即在未偏移或未加载压力或电压的状态中，被布置成与定子电极16具有距离为361，并且可移动电极142在空闲状态中被布置成与定子电极具有距离362，其中，距离361和362如所述彼此不同。
图4示出了MEMS传感器40的示意性框图，其中，与MEMS传感器30比较仅可移动膜中的一个可移动膜被布置，即，可以实现不存在第二可移动膜。共模读出电路22可以基于可偏移膜14的移动而没有限制地获得测量信号28。
MEMS传感器40可以被理解为MEMS传感器30的极端情况，其中距离361例如是无限的。然而，如果结合图3描述的商超过值10，即距离361比距离362大至少10倍，则已经可以做出这样的假设，从而可偏移膜141和定子电极16之间的作用能力的影响变小到可以忽略不计。这可以被认为好像不存在电极中的一个电极，这与根据图1A的实施例一致。
换句话说，为了获得相对于声波的敏感度以及为了运行作为麦克风的MEMS传感器30或40，可以在MEMS传感器中实现不对称性，因此，在可移动电极和定子电极之间的距离通过设计即有意地彼此不同和/或不存在可移动电极中的一个可移动电极。由于获得的机械不对称性，可以获得具有不同幅度的信号。由此，可以减少或防止相互消除的效果。例如，信号的主要部分可以来自可移动电极142，因为更近的电容器携带更多的电荷。通过具有较少量电荷载体的电容器的信号，即可移动膜141，可以减少其信号分量。
图5示出了根据一个实施例的MEMS传感器50的示意性框图，其中与MEMS传感器20相比，可移动电极141和142能够以相互不同的电位连接。因此，可移动电极141可以通过具有第一电位的电压U3和具有电压U4的可移动电极142提升到第二电位。由电压U3和U4引起的电位可以与参考电位Uref不同。可移动电极141和142可以与衬底电绝缘，其中，衬底17可以电连接到参考电位Uref。
这两个电压U3和U4分别可以实现获得与参考电位Uref不同的电位，即，电压U3和U4可以不同于零。备选地同样可能的是，电压U3或U4中的一个电压具有零值，从而相应的可移动电极141或142电连接到参考电位及具有其电位。如果电压U3和U4都设置为零，则可以获得根据MEMS传感器20的配置。在这种情况下，也可以省略对可移动电极141和142的隔离。
如果电压U3或U4中的至少一个电压不同于零，因此可以补偿在可移动电极141和定子电极16之间与在可移动电极142和定子电极16之间的相互不同的距离。例如，其可以是制造公差，该制造公差导致可能无意地彼此不同的距离。在相互不同的距离中，在可移动电极141和142处的相等电位导致在测量信号28的振幅中的相互不同的幅度，这可以通过与相互不同的距离成比例地调节电压U3和U4来平衡或补偿。这意味着，向电极141和142施加不同的电位实现了MEMS传感器的高鲁棒性。
此处要指出的是，在不同的可移动电极141和142处设定不同电位例如也可以被使用在根据图1B的配置和/或根据图3的配置中，例如为了通过电不对称性获得与如实现根据图3的机械不对称性那样的类似效果。也就是说，彼此不同的电压U3和U4可以实现相应的可移动电极141和142的相应移动的不同的敏感度。
图6示出了根据一个实施例的MEMS传感器60的示意性框图，其中定子电极具有第一定子电极元件16a和第二定子电极元件16b。第一定子电极元件16a是面向可移动电极141布置的。定子电极元件16b相对于定子电极元件16a布置并且面向可移动电极142布置。MEMS传感器60被构造成利用相互不同的电位加载第一定子电极元件16a和第二定子电极元件16b。为此，MEMS传感器60可以具有偏置电压源181，偏置电压源可以对应于例如图1中的偏置电压源18。偏置电压源181可以被构造成将电位U1施加到定子电极元件16a。另外，MEMS传感器60可以具有偏置电压源182，偏置电压源被构造成基于电压U5将相应的电位施加到定子电极元件16b。电压U5的绝对值可以在±50％，±20％，±10％或±5％的公差范围内等于电压U1，并且可以例如具有不同的极性。这意味着，基于电压U1和U2获得的电位相对于参考电位Uref可以具有彼此不同的正负号。
定子电极元件16a和16b也可以被理解为定子电极的双重实施方案，其中，定子电极元件16a和16b中的各一个定子电极元件与可移动电极141或142中的一个可移动电极被形成为电容耦合。通过相互不同的电位，也可以获得高测量灵敏度。每个定子电极元件16a和16b可以分别经由电容耦合241或242连接到共同偏置电压源26。
备选于电压U5与电压U1的绝对值相等的实施方案(然而这可能导致定子电极元件16a和16b处的绝对值相同但正负号反转的电位)，也可以施加正负号相同的电位U1和U5和/或绝对值相同的电位U1和U5。如果电位U1和U5的正负号和绝对值都相同，则MEMS传感器60可以例如表现出如结合图2所述的特性。
通过定子电极的以定子电极元件16a和16b的形式的实施方案，该MEMS传感器60可以被构造成检测可移动电极141相对于定子电极元件16a的第一移动以及可移动电极142相对于定子电极元件142的移动。这些可以是例如在测量信号28中的基本彼此独立构造的两个组件。从而例如可以在测量信号28中识别作用在两个可移动电极141或142中的仅一个可移动电极上的外部压力。
此外，在同时利用参考电位加载可移动电极的情况下，可以彼此分开地被产生和/或调节的电压U1和U2实现补偿制造公差。有意或无意地，这意味着基于制造公差，在控制电极元件16a和可移动电极141之间的距离381和在控制电极元件16b和可移动电极142之间的距离382可以彼此不同。MEMS传感器60可以被构造成由距离381和距离382形成的比值在±33％、±20％或±15％的公差范围内对应于在电压U3和U5之间或从中获得的电位之间的绝对值比值。这特别适用于正负号反转的电压U2和U5，其中要考虑各个电压的绝对值。
根据图6的配置实现具有双定子电极的鲁棒的读出。MEMS传感器的外部面或外表面可以大部分或完全连接到参考电位，即，被执行屏蔽。
换句话说，图6示出了鲁棒读出电路的另一种配置。背板，即定子，设计有两个彼此隔离的电极。每个定子电极16a和16b以相互独立的直流电压偏置。直流电压，例如电压U1可以具有正号，从而获得正电压。诸如电压U5的另一电压可以是具有负号的负电压。当一个电压为正并且另一个电压为负或电压U1和U5的几何平均值，可以利用平均偏置电压(例如地)加载可移动电极141和142和/或衬底17。图6的实施方案也可以称为单端的读出电路(英语：单端的读出)。
图7示出了根据一个实施例的MEMS传感器70的示意性侧剖视图，MEMS传感器例如被设计为所谓的“顶部端口”麦克风(具有上部布置的声音开口的麦克风)。尽管MEMS传感器70被显示成该MEMS传感器具有两个可移动电极141和142，也可以是可移动电极中的一个可移动电极被布置。定子电极16可以被构造成被穿孔，即具有孔，从而布置在可移动电极141和142之间的流体的具有只是很小阻力的移动是可能的。MEMS传感器70可以具有ASIC 42，该ASIC可以至少包括共模读出电路22的功能。ASIC 42还可以提供偏置电压源18的功能。衬底17可以机械连接到电板(印刷电路板PCB)或布置在该电板处。ASIC 42可以与其相邻布置并且经由电连接46连接到可移动电极141和/或142和/或定子电极16中的至少一个。
该装置可以最大部分地由壳体48包围，其中，开口52实现了流体交换和/或进入壳体48的内部，从而可以由MEMS传感器70检测流体声音和/或压力。
换句话说，根据图1至图6的读出电路可以使用在顶部端口麦克风中。在这种情况下，该电路可以被修改成膜141和142被连接。
图8示出根据一个实施例的MEMS传感器80的侧剖视图，该MEMS传感器与图7中的MEMS传感器70相比被构造为底部端口麦克风(布置在下部的开口)。例如，开口52可以布置在衬底中并且实现声音和/或压力穿过电板44的平面至少到达可移动电极142。壳体48还可以具有可选的通风口54，该通风口也可以例如布置在MEMS传感器70的电板44中，并且实现例如由于温度梯度而变化的压力能够通过流体的交换而补偿。
在实施例中，读出电路可以与MEMS设计进行组合，在不存在通风口的情况下实现该MEMS设计。这实现的是，可以减少或防止可能进入背侧体积的污染。取代该方案，可以通过壳体盖48中的小开口实现通风。这实现的是，仅将声音端口，即开口52，暴露给环境条件。
图9示出了根据一个实施例的MEMS传感器90的示意性侧剖视图，其中，与电连接46能够是悬臂式构造的图7和8中不同，电连接46被实现在电板44内部或作为其上的导体线路，这可以称为旋转芯片布置(倒装芯片组件)。这意味着，在图8中朝向ASIC 42的通风口54的一侧可以在图9的实施方式中被布置成面向电板44。
可移动电极141和142可以与定子16同样具有开口，例如以便实现通风口的功能。从而可能造成的是，例如，一个以大约大于1.5巴、大于2巴、大于3巴或大于5巴的特定压力穿过电极141和142进入背侧体积56。在这里，其可以是例如水等。在这里所描述的实施例实现的是，检测这种压力并且在背侧体积56中存在这种流体导致对MEMS传感器的测量精度没有影响或至多轻微影响。可选地，通风口54可以被布置。
不可移动的组件诸如ASIC 42可以由可能的电绝缘材料包围，该电绝缘材料减少或防止与相应结构组和布置在背侧体积56中的流体接触。在这里可以是例如粘接剂、树脂或塑料。材料58可以用作GEOTOP(英语：Globtop)。备选地或附加地，衬底17的部分也可以被利用材料58覆盖。
换句话说，可以以倒装芯片技术实现MEMS和/或ASIC。在相应的组件之间，即在衬底17和/或ASIC 42和电板44之间可以布置有下部填料。这实现进一步保护MEMS-ASIC接口。
当MEMS传感器与颗粒、蒸汽或流体污染物相关联时，本文描述的实施例实现了MEMS传感器，尤其是MEMS麦克风的高性能。因此可移动膜14、141和/或142的连接实现了减少或防止泄漏电流。
本文描述的一些实施例包括具有双膜的MEMS和特殊的非常规读出结构组，或者鲁棒地构造MEMS传感器的读出架构。双膜，即可移动电极141和142的存在可以减少或防止机械污染，例如堵塞。所描述的读出电路实现了相对于泄漏电流的高鲁棒性。
图10示出了根据一个实施例的用于控制MEMS传感器的方法100的示意性流程图。受控的MEMS传感器可以是根据一个实施例的任何MEMS传感器，例如MEMS传感器10、10'，20、30、40、50、60、70、80和/或90。步骤110包括将第一偏置电压施加到MEMS传感器的定子电极，例如定子电极16。步骤120包括将第二偏置电压通过与所述定子电极的电容耦合并且在所述电容耦合的背离所述定子电极的一侧施加到所述定子电极。
图11示出了根据一个实施例的方法200的示意性流程图，用于提供MEMS传感器，如MEMS传感器10、10'，20、30、40、50、60、70、80和/或90。步骤210包括提供MEMS装置，其包括可移动电极和定子电极，定子电极与可移动电极相对地布置。步骤220包括将第一偏置电压源连接到定子电极，使得第一偏置电压源被配置为将第一偏置电压施加到定子电极。步骤230包括将具有第二偏置电压源的共模读出电路通过电容耦合连接到所述定子电极，使得所述第二偏置电压源被构造成将第二偏置电压施加到所述电容耦合的背离所述定子电极的一侧。
图12示出了根据一个实施例的用于提供MEMS传感器、如MEMS传感器30的方法300的示意性流程图。所述方法300包括步骤310，在该步骤中实现提供MEMS装置，该MEMS装置包括第一可移动电极、第二可移动电极和定子电极，第二可移动电极与第一可移动电极相对布置，定子电极布置于第一和第二可移动电极之间。该提供如此进行，即，第一可移动电极在空闲状态中以第一距离相对于定子电极布置，并且第二电极在空闲状态中以第二距离相对于定子电极布置，该第二距离与第一距离不同。
实施例描述了MEMS传感器，其中不同的可移动电极被利用不同的电位加载，例如结合图5。其他实施例描述了实施方案，其中不同的可移动电极与定子电极具有不同距离，例如结合图3。其他实施例涉及MEMS传感器，其中定子电极被双重构造或具有两个定子电极元件，例如结合图6。尽管结合不同的MEMS传感器解释了这些实施方案，所提到的方面可以相互组合或单独执行。
描述了可以单独使用或与本文描述的特征和功能组合使用的本发明的另外的实施例和方面。
根据第一方面，MEMS传感器10；10'；20；30；40；50；60；70；80；90具有以下特征：MEMS装置12；12'，包括：可移动电极14；141、142，定子电极16，其与可移动电极14；141、142相对地布置；与定子电极16；16a、16b连接的第一偏置电压源18；181、182，其被配置成将第一偏置电压V1、V5施加到定子电极16、16a、16b；和通过电容耦合24连接到所述定子电极16；16a、16b的共模读出电路22，共模读出电路包括第二偏置电压源26，所述第二偏置电压源被设计为将第二偏置电压U2施加到所述电容耦合24的背离所述定子电极16；16a、16b的一侧。
根据与参考第一方面的第二方面，在MEMS传感器中，所述可移动电极是第一可移动电极141，并且所述MEMS传感器还包括第二可移动电极142，所述第二可移动电极与所述第一可移动电极141相对地布置，其中所述定子电极16；16a、16b布置在所述第一可移动电极141和所述第二可移动电极142之间。
根据参考第二方面的第三方面，在MEMS传感器中，所述第一可移动电极141和第二可移动电极142可以被配置为连接到共同的第一电位Uref，并且其中所述定子电极16；16a、16b被配置为连接到不同于所述第一电位的第二电位U1。
根据参考第三方面的第四方面，在MEMS传感器中，第一电位Uref可以是MEMS传感器的参考电位。
根据参考第二方面的第五方面，在MEMS传感器中，所述第一可移动电极141和第二可移动电极142能够沿相同方向z移动。
根据参考第二方面的第六方面，在MEMS传感器中所述第一可移动电极141和第二可移动电极142可以穿过所述定子电极16；16a、16b的平面彼此机械连接，并且被构造成执行同时的移动。
根据参考第二方面的第七方面，在MEMS传感器中所述共模读出电路22可以被构造成检测所述第一可移动电极141与所述定子电极16；16a、16b之间的第一电容值C1和所述第二可移动电极142与所述定子电极16；16a、16b之间的第二电容值C2。
根据参考第一方面的第八方面，在MEMS传感器中，所述可移动电极14；141、142和所述定子电极16；16A、16B中的至少一个可以被衬底17保持，所述衬底被配置为与所述MEMS传感器的参考电位Uref连接。
根据参考第一方面的第九方面，在MEMS传感器中所述可移动电极14；141、142和所述定子电极16；16a、16b中的至少一个可以被衬底17保持，其中所述衬底与所述可移动电极14；141、142和所述衬底17的周围环境电绝缘。
根据参考第一方面的第十方面，在MEMS传感器中所述第一偏置电压源18；181、182可以被构造成施加具有至少3V电位的第一偏置电压U1、U5，并且所述第二偏置电压源26被构造成施加具有至多2.5V的第二偏置电压U2。
根据参考第一方面的第十一方面，在MEMS传感器中所述第一偏置电压U1、U5和所述第二偏置电压U2可以是直流电压。
根据参考第一方面的第十二方面，在MEMS传感器中，所述可移动电极可以是第一可移动电极141，并且所述MEMS传感器还包括第二可移动电极142，所述第二可移动电极与所述第一可移动电极141相对地布置，其中所述定子电极16；16a、16b布置在所述第一第一可移动电极141和第二可移动电极142之间；其中所述第一可移动电极141在空闲状态中以第一距离361相对于所述定子电极16；16a、16b布置，并且所述第二可移动电极142在所述空闲状态中以第二距离362相对于所述定子电极16；16a、16b布置，所述第二距离与所述第一距离361不同。
根据参考第十一方面的第十三方面，在MEMS传感器中，所述第一距离361和第二距离362的商可以具有至少1.1的值。
根据参考第一方面的第十四方面，在MEMS传感器中，所述可移动电极可以是第一可移动电极141，并且所述MEMS传感器还包括第二可移动电极142，所述第二可移动电极与所述第一可移动电极141相对地布置，其中所述定子电极16；16a、16b布置在所述第一可移动电极141和第二可移动电极142之间；其中所述定子电极具有第一定子电极元件16a和相对的第二定子电极元件16b，所述第一定子电极元件面向所述第一可移动电极141布置，所述第二定子电极元件面向所述第二可移动电极142布置，其中所述MEMS传感器被构造成以相互不同的电位U1、U5加载所述第一定子电极元件16a和所述第二定子电极元件16b。
根据参考第十四方面的第十五方面，所述MEMS传感器可以被构造成检测所述第一可移动电极141相对于所述第一定子电极元件16a的第一移动和所述第二可移动电极142相对于所述第二定子电极元件16b的第二移动。
根据参考第十四方面的第十六方面，在MEMS传感器中，所述第一电位U1和所述第二电位U5可以相对于参考电位Uref具有相互不同的正负号。
根据参考第十四方面的第十七方面，在MEMS传感器中，所述第一电位U1和所述第二电位U5可以是直流电压电位，并且在50％的公差范围内绝对值相等。
根据参考第十四方面的第十八方面，在MEMS传感器中，在所述第一定子电极元件16a与所述第一可移动电极141之间的第一距离381和在所述第二定子电极元件16b与所述第二可移动电极142之间的第二距离382的比值可以在33％的公差范围内对应于在所述第一电位U1和所述第二电位U5之间的绝对值比值。
根据第十九方面，MEMS传感器30可以具有以下方面：MEMS装置12，包括：第一可移动电极141；第二可移动电极142，其与所述第一可移动电极141相对地布置；和定子电极16，其布置在所述第一可移动电极141和第二可移动电极142之间；其中所述第一可移动电极141在空闲状态中以第一距离361相对于所述定子电极16布置，并且所述第二电极142在所述空闲状态中以第二距离362相对于所述定子电极16布置，所述第二距离与所述第一距离361不同。
根据参考第十九方面的第二十方面，其中MEMS传感器还可以包括下述特征：连接到所述定子电极16的第一偏置电压源18，所述第一偏置电压源被配置为将第一偏置电压U1施加到所述定子电极16；和通过电容耦合24；241、242连接到所述定子电极16的共模读出电路22，所述共模读出电路包括第二偏置电压源26，所述第二偏置电压源被构造为将第二偏置电压U2施加到所述电容耦合24的背离所述定子电极16的一侧。
根据第二十一方面，用于控制MEMS传感器的方法100，所述MEMS传感器具有：第一可移动电极；第二可移动电极，所述第二可移动电极与所述第一可移动电极相对地布置；以及定子电极，所述定子电极布置在所述第一和第二可移动电极之间，所述方法具有以下步骤：将第一偏压施加110到所述定子电极；和将第二偏置电压通过与所述定子电极的电容耦合并且在所述电容耦合的背离所述定子电极的一侧施加120到所述定子电极。
根据第二十二方面，用于提供MEMS传感器的方法200可以具有以下步骤：提供210MEMS装置，MEMS装置包括：可移动电极；定子电极，所述定子电极与所述可移动电极相对地布置；将第一偏置电压源连接220到所述定子电极，使得所述第一偏置电压源被配置为将第一偏置电压施加到所述定子电极；并且将包括第二偏置电压源的共模读出电路通过电容耦合连接230到所述定子电极，使得所述第二偏置电压源被构造成将第二偏置电压施加到所述电容耦合的背离所述定子电极的一侧。
根据第二十三方面，用于提供MEMS传感器的方法300可以具有以下步骤：提供310MEMS装置，MEMS装置包括：第一可移动电极；第二可移动电极，其与所述第一可移动电极相对地布置；和定子电极，其布置在所述第一可移动电极和第二可移动电极之间；使得所述第一可移动电极在空闲状态中以第一距离相对于所述定子电极布置，并且第二电极在空闲状态中以第二距离相对于定子电极布置，该第二距离与第一距离不同。
尽管已经结合装置描述了一些方面，但显然的是，这些方面也表明对相应方法的描述，因此框或装置的结构元件也被理解为相应的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，结合方法步骤或作为方法步骤被描述的方面也表示相应装置的相应块或具体情况或特征的描述。
根据特定的实现要求，本发明的实施例能够以硬件或软件实现。该实现可以使用数字存储介质，如软盘、DVD、蓝光盘、CD、ROM、PROM、EPROM以及EEPROM或FLASH存储器、硬盘或其它磁存储器或光存储器来执行，电子可读控制信号存储在该数字存储介质上，电子可读控制信号与可编程计算机系统能够配合作用或配合作用，使得执行相应的方法。因此，数字存储介质可以是计算机可读的。因此，根据本发明的一些实施例包括数据载体，数据载体具有能够与可编程计算机系统进行交互的电子可读控制信号，以便执行这里描述的方法中的一种方法。
通常，本发明的实施例可以实现为具有程序代码的计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，程序代码可以有效地执行所述方法之一。程序代码也能够例如存储在能够机读的载体上。
其他实施例包括用于执行这里所述的方法之一的计算机程序，其中，计算机程序存储在计算机可读载体上。
换句话说，根据本发明的方法的实施例因此是计算机程序，该计算机程序具有当该计算机程序在计算机上运行时用于执行本文所描述的方法之一的程序代码。因此，根据本发明的方法的另一个实施例是数据载体(或数字存储介质或计算机可读介质)，在该数据载体上记录有用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。
因此，根据本发明方法的另一个实施例是数据流或信号序列，该数据流或信号序列表示用于执行本文描述的方法之一的计算机程序。该数据流或信号序列例如可以被配置为通过数据通信连接(例如通过互联网)得以传送。
另一个实施例包括处理设备，诸如计算机或可编程逻辑结构元件，处理设备被配置成或匹配于执行本文描述的方法之一。
另一个实施例包括计算机，在该计算机上安装有计算机程序以执行这里描述的方法之一。
在一些实施例中，可以使用可编程逻辑结构元件(例如，现场可编程门阵列，FPGA)来执行本文描述的方法的一些功能或全部功能。在一些实施例中，现场可编程门阵列可以与微处理器配合作用以执行本文描述的方法之一。通常，在一些实施例中，该方法由任何硬件装置执行。这可以是诸如计算机处理器(CPU)的通用硬件或特定于该方法的硬件，诸如ASIC。
上述的实施例仅表示本发明的原理的展示。显然的是，其它的专业人员能够明白这里所描述的装置和具体情况的变型方案和变体方案。因此目的是，本发明仅由所附权利要求的保护范围来限制，而不是由借助于实施例的描述和解释而在这里呈现的具体细节来限制。

Claims (19)

1.一种MEMS传感器，具有以下特征：
MEMS装置，包括：
第一可移动电极；
定子电极，所述定子电极与所述第一可移动电极相对地布置；
连接到所述定子电极的第一偏置电压源，所述第一偏置电压源被配置为将第一偏置电压施加到所述定子电极；和
通过电容耦合连接到所述定子电极的共模读出电路，所述共模读出电路包括第二偏置电压源，所述第二偏置电压源被设计为将第二偏置电压施加到所述电容耦合的背离所述定子电极的一侧。
2.根据权利要求1所述的MEMS传感器，其中所述MEMS传感器还包括第二可移动电极，所述第二可移动电极与所述第一可移动电极相对地布置，其中所述定子电极布置在所述第一可移动电极和所述第二可移动电极之间。
3.根据权利要求2所述的MEMS传感器，其中所述第一可移动电极和所述第二可移动电极被配置为连接到共同的第一电位，并且其中所述定子电极被配置为连接到不同于所述第一电位的第二电位。
4.根据权利要求3所述的MEMS传感器，其中所述第一电位是所述MEMS传感器的参考电位。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的MEMS传感器，其中所述第一可移动电极和所述第二可移动电极能够沿相同方向移动。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的MEMS传感器，其中所述第一可移动电极和所述第二可移动电极穿过所述定子电极的平面彼此机械连接，并且被构造成执行同时的移动。
7.根据权利要求2至4中任一项所述的MEMS传感器，其中所述共模读出电路被构造成检测所述第一可移动电极与所述定子电极之间的第一电容值和所述第二可移动电极与所述定子电极之间的第二电容值。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS传感器，其中所述第一可移动电极和所述定子电极中的至少一个被衬底保持，所述衬底被配置为与所述MEMS传感器的参考电位连接。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS传感器，其中所述第一可移动电极和所述定子电极中的至少一个被衬底保持，其中所述衬底与所述第一可移动电极和所述衬底的周围环境电绝缘。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS传感器，其中所述第一偏置电压源被构造成施加具有至少3V电位的第一偏置电压，并且其中所述第二偏置电压源被构造成施加具有至多2.5V的第二偏置电压。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的MEMS传感器，其中所述第一偏置电压和所述第二偏置电压是直流电压。
12.根据权利要求2至4中任一项所述的MEMS传感器，其中所述第一可移动电极在空闲状态中以距所述定子电极第一距离布置，并且所述第二可移动电极在所述空闲状态中以距所述定子电极第二距离布置，所述第二距离与所述第一距离不同。
13.根据权利要求12所述的MEMS传感器，其中所述第一距离与所述第二距离的商具有至少1.1的值。
14.根据权利要求3或4所述的MEMS传感器，
其中所述定子电极具有第一定子电极元件和相对的第二定子电极元件，所述第一定子电极元件面向所述第一可移动电极布置，所述第二定子电极元件面向所述第二可移动电极布置，其中所述MEMS传感器被构造成以相互不同的电位加载所述第一定子电极元件和所述第二定子电极元件。
15.根据权利要求14所述的MEMS传感器，所述MEMS传感器被构造成检测所述第一可移动电极相对于所述第一定子电极元件的第一移动和所述第二可移动电极相对于所述第二定子电极元件的第二移动。
16.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其中所述第一电位和所述第二电位相对于参考电位具有相互不同的正负号。
17.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其中所述第一电位和所述第二电位是直流电压电位，并且在50％的公差范围内绝对值相等。
18.根据权利要求14所述的MEMS传感器，其中在所述第一定子电极元件与所述第一可移动电极之间的第一距离和在所述第二定子电极元件与所述第二可移动电极之间的第二距离的比值在33％的公差范围内对应于在所述第一电位和所述第二电位之间的绝对值比值。
19.一种用于提供MEMS传感器的方法，具有以下步骤：
提供MEMS装置，所述MEMS装置包括：
可移动电极；
定子电极，所述定子电极与所述可移动电极相对地布置；
将第一偏置电压源连接到所述定子电极，使得所述第一偏置电压源被配置为将第一偏置电压施加到所述定子电极；并且
将包括第二偏置电压源的共模读出电路通过电容耦合连接到所述定子电极，使得所述第二偏置电压源被构造成将第二偏置电压施加到所述电容耦合的背离所述定子电极的一侧。
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