CN110012392A - Mems元件和具有mems元件的移动设备 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及MEMS元件、具有MEMS元件的设备以及移动设备。该MEMS元件包括：MEMS声变换器和电路装置，所述MEMS声变换器具有膜片结构和对应的对电极结构，所述电路装置与MEMS声变换器电耦合，并且所述电路装置还被构造用于：在MEMS声变换器的在音频频率范围内的第一运行模式中，基于由声学声压改变量引起膜片结构相对于对电极结构的偏移来检测MEMS声变换器的音频输出信号，并且在MEMS声变换器110的在超声波频率范围内的第二运行模式中，作为超声波发射接收器来控制并且读取MEMS声变换器。

Description

MEMS元件和具有MEMS元件的移动设备
技术领域
实施例涉及一种具有基于膜片的MEMS声变换器的声学MEMS元件，所述MEMS元件不仅能够在音频范围内作为音频麦克风被读取，而且能够在超声波频率范围内作为超声波收发器(超声波发射接收器)被控制和读取。实施例还涉及一种在将MEMS元件用作距离和/或温度传感器的情况下的装置。实施例还涉及一种移动设备，例如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等，其具有多个MEMS元件，这些MEMS元件不仅能够在音频范围内作为音频麦克风被读取，而且能够在超声波频率范围内作为超声波收发器被控制和读取，以便检测例如移动设备的周围大气中的环境条件，例如温度、风速、风向等。
背景技术
在传感器的领域中存在对下述传感器元件的持续需求，所述传感器元件以足够高的精度检测期望的测量参数、例如移动设备的不同的环境条件。
发明内容
根据一个实施例，MEMS元件100包括MEMS声变换器110和电路装置120，所述MEMS声变换器具有膜片结构114和对应的对电极结构112，所述电路装置与MEMS声变换器110电耦合，并且所述电路装置还被构造用于：在MEMS声变换器110的在音频频率范围内的第一运行模式中，基于由声学声压改变量ΔP引起膜片结构114相对于对电极结构112的偏移来检测MEMS声变换器110的音频输出信号；并且在MEMS声变换器110的在超声波频率范围内的第二运行模式中，作为超声波发射接收器来控制并且读取MEMS声变换器110。
由此，实施例涉及基于膜片的MEMS声变换器(MEMS＝microelectromechanicalsystem＝微机电系统)或者在音频范围内、例如在10Hz和20Hz之间的频率范围内的作为音频麦克风的MEMS麦克风和在超声波频率范围内例如在20Hz和300Hz之间的频率范围内的作为超声波收发器(超声波发射接收器)的使用或应用。也就是说，根据实施例使用不仅作为音频麦克风而且作为超声波收发器的MEMS麦克风，以便提供具有多种传感器功能的所谓的组合传感器(也称为：Kombo-Sensor)。
在MEMS声变换器的超声波运行状态期间，膜片结构和/或对电极结构被电磁(电容)激发或者压电激发，以便在超声波频率大于音频频率的情况中产生足够强的声压水平。在此，可以例如利用MEMS声变换器的膜片结构和/或对电极结构的共振特性，以便可以在超声波发射运行状态中有效地以超声波发射信号控制MEMS声变换器的对电极结构或膜片结构并且在超声波接收运行状态中读取。
超声波发射信号的发射时间点和对应的超声波接收信号的接收时间点之间的传输时间或时间段此时可以关于存在于周围大气中的环境条件、例如周围流体的环境温度或运动速度、例如周围空气的风速来评估。通过使用多个MEMS元件或多对的MEMS元件此时还可以关于周围流体的运动方向、即周围空气的风向评估相应的信号传输时间。
在已知的或预定的、超声波发射信号通过周围大气的经过距离的值下可以例如由产生的传输时间确定周围大气、例如周围空气中的温度。反之如果环境温度已知，则可以由超声波发射信号的传输时间也可以确定与反射超声波信号的物体的距离、周围大气的相对运动速度(风力)并且在多个传感器的情况中附加地还可以确定周围空气的运动方向(风向)。
根据具有基于膜片的MEMS元件的本方案由此能够以高的精度检测作为测量参数的多个环境参数或环境条件。
也就是说，根据本方案实现了，将电容式或压电式MEMS麦克风一方面在音频频率范围内用作音频麦克风，并且另一方面在超声波频率范围内用作超声波收发器(超声波发射接收器)。由此可以实现单个的MEMS声变换器的三重使用。由于所述“组合传感器”的非常小的尺寸，由此使在“便携式”移动设备中的应用是可能的并且有吸引力的，这些移动设备本来就可以使用作为音频麦克风的MEMS声变换器。
MEMS麦克风的所述超声波功能实现了用于多种应用，例如手势识别、例如用于驻车辅助系统的距离测量、车轮或轴的转速检测、构件结构完整性的现场检测和/或监测等，仅仅示例性地列举所述应用可能性中的一些应用可能性。在此应表明的是，超声波传感器特别是也由于其较小的功率消耗与前面给出的应用实例的光学解决方案相比是高效的并且可以被广泛地使用。
MEMS元件根据所述的实施例不仅具有音频麦克风的功能而且具有超声波收发器的功能，该MEMS元件的特征在于小的面积需求或小的安装体积，其中，在本来使用MEMS麦克风的所有应用中不产生附加的面积或体积需求。此外可以极大地简化系统结构，因为在根据本实施例的MEMS元件中不需要分开扬声器(发射器)和接收器。
通过在超声波频率范围内将基于膜片的MEMS声变换器用作超声波发射接收器可以实现非常好得检测MEMS麦克风的发射元件和周围介质之间的阻抗，也就是说，能够以相对高的效率实现将超声波能量输出或发射到周围介质、例如空气中并且也收到或者接收来自周围介质的超声波能量。当具有对电极结构和壳体中的剩余容积的电容式MEMS麦克风不仅用作音频麦克风而且用作超声波发射接收器时，这是特别适合的。
移动设备、例如移动电话、智能手机、笔记本电脑、膝上型电脑、平板电脑、智能手表等由此可以设置有附加的功能或传感器特性，而为此与标准MEMS元件相比不需要附加的空间需求，其中，可以将良好建立的并且保证其鲁棒性的技术用于MEMS元件或MEMS麦克风。此外通过根据本方案布置多个MEMS元件可以使得辐射整形特性不仅在频率运行状态中而且在超声波运行状态中提高相应的测量和检测精度。通过以阵列布置所述MEMS元件可以更进一步地改善所述辐射整形特性。
根据实施例，前述的具有基于膜片的MEMS麦克风的MEMS元件可以通过用作超声波收发器来检测或测量环境温度，其方式是，预定超声波信号的参考行程长度和流体、周围空气中的声速与温度的相关性。当在以与超声波发射接收器的预定的距离布置的物体上进行反射时，则超声波信号的已知的行程长度可以例如被采用，并且传输时间从发射时间点直到被反射的发射信号射入时来确定。替换地可以检测两个超声波发射接收器之间的传输时间，所述两个超声波发射接收器相对彼此以固定的距离布置。
在此本方案充分利用已知的、在气体中例如在空气中的声速与温度的相关性。为此，需要预定的超声波信号行程。这可以例如通过如下方式实现，即根据实施例将两个MEMS元件相对彼此以预定的、固定的距离布置在移动设备上，或者是使用附加的设备，所述附加的设备能够例如借助光学测量或者HF测量以高的精度并且理想地与流体温度(空气温度)无关地测量超声波信号的传输行程。为此可以在移动设备中例如也使用附加的光学传感器或者HF传感器以测量超声波信号的距离或传输行程。
超声波信号的所述参考距离或者所述参考行程长度接着可以被使用，其方式是，超声波信号的传输时间被检测并且与参考距离比较，其中流体或空气温度可以通过测量结果与已知的参考行程比较来提取。如果两个或多个固定的超声波发射接收器被使用在移动设备上，则所述超声波发射接收器的发射接收方向可以切换或者变换。因此可以在确定温度的情况下考虑正在运动的流体、例如正在运动的空气对沿着两个相反的发射接收方向的传输时间差的影响，其中在移动设备处的流体速度、例如风速可以作为一个另外测量参数来确定。
前述的MEMS元件的实施例由此实现了测量实际环境温度，其中，所述测量不会由于移动设备内部的可能发生的增高的温度被消极地影响或者损害，所述增高的温度例如由于移动设备中所使用的处理器芯片的损耗功率所导致。
也就是说，因为检测移动设备外部的环境的温度，所以规避目前的下述问题，即移动设备、例如智能手机首先必须达到与周围环境的平衡温度，以便可以获得对周围环境足够精确的测量。
附图说明
下面示例性地参考附图和图示详细地说明所述装置和/或所述方法的实施例。附图中：
图1A示出根据一个实施例的MEMS元件的横截面图的原理图，所述MEMS元件具有基于膜片的MEMS声变换器或MEMS麦克风和与其电耦合的电路装置；
图1B示出根据一个实施例的MEMS麦克风的示例性的阻尼曲线；
图1C示出根据一个实施例的MEMS元件的超声波发射信号的信号曲线和超声波接收信号的时间上错开的信号曲线；
图2A示出根据一个实施例的具有示例性的读取电路的基于膜片的MEMS麦克风的原理的横截面图；
图2B示出根据一个实施例的、具有示例性的读取电路的、呈双对电极配置形式的、基于膜片的MEMS麦克风的原理的横截面图；
图2C示出根据一个实施例的、具有示例性的读取电路的、呈双膜片配置形式的、基于膜片的MEMS麦克风的原理横截面图；
图2D示出根据一个实施例的基于膜片的MEMS麦克风的阵列的原理俯视图和仰视图；
图3A示出空气中的声速与温度的相关性的图表；
图3B示出与环境介质的环境温度、即周围空气温度相关的超声波发射信号的期望的传输时间差的图表；
图4示出根据一个实施例的具有MEMS元件的装置的原理图；和
图5示出根据一个实施例的具有MEMS元件的移动设备的原理图。
在根据附图详细地说明下述的实施例的细节之前，要指明的是，相同的、功能相同的或者相同作用的元件、物体、功能模块和/或方法步骤在不同的附图中设有相同的附图标记，从而在不同实施例中描述的对所述元件、物体、功能模块和/或方法步骤的说明能够彼此交换或者彼此使用。
现在详细地参考附图说明不同的实施例，在所述附图中示出一些实施例。在附图中，线、层和/或区域的大小为了清楚地说明并未按比例示出。
具体实施方式
下面现在根据呈原理图形式的图1A以横截面图示出MEMS元件100或声学MEMS元件，所述MEMS元件100或声学MEMS元件具有基于膜片的声变换器或MEMS声变换器110和与其电耦合的电路装置120。如图1A中所示地，MEMS声变换器110布置在具有内部容积V的壳体130中，其中壳体130具有至内部容积V的进入开口或声开口132。MEMS麦克风110在壳体130中例如与声开口132相邻地布置。壳体130在此可以例如是基底134和覆盖元件136，所述覆盖元件可以被构造为能至少部分导电的。MEMS麦克风110可以在一个示例性的布置中将内部容积V分成前部容积V1和后部容积V2，其中，前部容积V1位于声开口132和MEMS麦克风110之间的区域中，其中，后部容积V2在MEMS麦克风110的与所述前部容积对置的侧上位于壳体的内部容积中。
在此还参考图2A-图2D中不同的MEMS声变换器布置110的示例性的视图，所述附图示例性地示出MEMS声变换器或MEMS麦克风的不同的实施方式。在此还要指明的是，基于膜片的MEMS声变换器的这些示例性的视图仅仅视为示例性的，而不视为最终的，并且本方案同样也能够使用另外的MEMS声变换器。
如同在图1A中示例性地示出的那样，MEMS声变换器110具有膜片结构114和对电极结构112。通过术语“结构”要表示的是，膜片或对电极可以具有单个的导电层，或者也可以具有带有多个不同的层的层序列或层堆叠，其中这些层中的至少一层被构造为导电的。
MEMS元件100还包括电路装置120，所述电路装置与MEMS声变换器110电耦合。电路装置120在此可以如图1A所示地布置在MEMS元件100的壳体130中，其中根据另外的实施例也可以使另外的外部的电路元件和/或处理装置(在图1A中未示出)与电路装置120的一部分或者与所述电路装置电耦合，以便提供电路装置120的下述功能。
电路装置120在此被构造用于在MEMS声变换器110的在音频频率范围内、例如在大约10kHz和20kHz之间或者在20kHz和15kHz之间的第一运行模式中，基于由声学声压改变量ΔP引起膜片结构114相对于对电极结构112的偏移来电容地或者也压电地检测所述MEMS声变换器的音频输出信号，也就是说，将机械偏移Δx转换成电音频输出信号S1。电路装置120在此还被构造用于在MEMS声变换器110的在超声波频率范围内、即例如在20kHz和300kHz之间、在20kHz和150kHz之间、在20kHz和120kHz之间或者在50kHz和150kHz之间的第二运行模式中，读取作为超声波发射接收器(超声波收发器)的MEMS声变换器110，也就是说，基于通过射入的超声波信号引起的膜片结构114和对电极结构112之间的偏移Δx电容地或者也压电地检测MEMS声变换器110的超声波输出信号S2，也就是说，将机械偏移Δx转换成电输出信号S1。
也就是说，MEMS声变换器110的第二运行模式、即超声波发射接收模式具有超声波发射运行状态和超声波接收运行状态，其中，电路装置120被构造用于在所述超声波发射运行状态中静电地(电容地)或者压电地控制作为超声波发射器的MEMS声变换器110、即对电极结构或膜片结构，并且用于在超声波接收运行状态中读取作为超声波接收器的MEMS声变换器110，也就是说，检测MEMS声变换器110的超声波接收信号。
电路装置120还可以被构造用于在第二运行模式中在MEMS麦克风的“超声波共振范围”中控制和/或读取MEMS声变换器110。MEMS麦克风的超声波共振范围在此基于对电极结构或膜片结构的共振特性或者对电极结构和膜片结构的组合的共振特性，其中，共振特性也可以有针对性地影响后部容积V2和/或前部容积V1的构型或形状和大小。此外，声变换器的共振特性也可以有针对性地影响例如声变换器的壳体上的声开口(也称为：声端口)。因此可以确定，声变换器的共振特性例如由上述部件(例如对电极结构、膜片结构、前部容积、后部容积和/或声开口)中的一个部件决定，或者也可以通过所述部件中的至少两个部件的组合有针对性地影响。因为基于膜片的MEMS麦克风可以具有不同的共振范围，所以也可以使用更高阶的MEMS声变换器110的超声波共振范围。
MEMS麦克风110的结构以及壳体130的构型、即形状和材料可以影响MEMS声变换器的共振频率fRES或者有针对性地被选择用于调节MEMS声变换器的共振频率。布置在壳体130的内部容积V中的MEMS声变换器110具有例如在20和150kHz之间或者在20和120kHz之间的范围内的超声波共振频率。
在图1B中示出典型的电容式MEMS声变换器或MEMS麦克风110的关于频率f的值曲线和相位曲线，其中，可以看到在大约27kHz和95kHz的频率下的(正)共振频率fRES1，fRES2。
在图1C中示例性地关于时间t示出根据一个实施例的MEMS声变换器110的超声波发射信号STX的信号曲线和与其时间上错开的、超声波接收信号STX的信号曲线。如图1C中所示地，在时间段t0-t1期间将在超声波频率范围内的超声波发射信号STX施加给MEMS声变换器110，或者相应的超声波发射脉冲由MEMS声变换器110辐射。这称为扬声器激活脉冲。在接着的时间范围t2-t3内，MEMS声变换器110对超声波发射信号STX的直接反应以MEMS声变换器110的强烈振荡的激发形式发生，所述强烈振荡的激发也称为“振铃”或响铃。所述“振铃”指数级相对快速地振铃阻尼直至时间点t3，从而在图1C的时间点t4(在时间点t3之后)时可以检测和读取MEMS声变换器110的超声波接收信号SRX、即被反射的响应信号SRX。
通过基于超声波发射信号STX(超声波发射脉冲)的MEMS声变换器110的直接激发的“振铃”预定最小距离，所述最小距离可以由MEMS声变换器在超声波发射接收运行中检测，也就是说，一旦MEMS声变换器的不期望的激发被足够强地振铃阻尼，则可以可靠地检测响应信号SRX。“振铃”的时间段t2-t3可以例如处于0.1至0.5ms的范围内，从而超声波信号的最小传输距离可以处于几个厘米、例如3至15cm的数量级，以便可以检测被反射的超声波接收信号。
下面示例性地说明用于克服或者至少减小“振铃”的措施。
根据一个实施例，在发射超声波发射脉冲之后，MEMS声变换器110的膜片结构114可以激活地处于所谓的Pull-in状态中，以便获得膜片结构114的激活的阻尼状态。为此可以将Pull-in信号、例如静电电压或直流电压施加到膜片结构114和对电极结构112之间，以便获得膜片结构的机械的预加应力或阻尼状态。
在膜片结构114的Pull-in状态中，不仅音频接收模式而且超声波接收模式是可能的。因此，超声波探测可以几乎不受限地在Pull-in状态中进行，其中，此外在Pull-in状态中也可以进行阻尼的音频探测。音频探测的阻尼可以处于大约6dB的大小范围内。
在Pull-in状态中，膜片结构114的边缘有助于检测音频信号和超声波信号，因为在Pull-in状态中膜片的中间区域贴靠在(具有防粘凸起)的对电极结构上，其中，所谓的防粘凸起(防粘块，在图1A中未示出)可以设置在膜片结构和/或对电极结构上用于使膜片结构114和对电极结构112点式地机械接触，以便防止所述膜片结构和对电极结构大面积地彼此粘接。
通过膜片结构114的Pull-in状态可以将声变换器的共振频率和由此灵敏性在超声波信号的超声波接收模式中从第一频率左右的第一共振范围改变到不同的第二频率(例如110kHz+/-10kHz)左右的第二共振范围，从而可以实现在调节出的频率范围内(基于共振频率)以高的灵敏度检测超声波。因为可以有针对性地在Pull-in状态中将对于超声波接收模式的声变换器灵敏性改变到第二共振频率上，所以通过超声波发射信号基本上不消极地影响相同类型或相邻的声变换器或者处于其他移动设备附近的声变换器，只要该声变换器也不恰好处于Pull-in状态中。
对于超声波发射模式，声变换器的共振频率在具有第一共振范围的未激活的Pull-in状态和具有产生的第二共振范围的激活的Pull-in状态之间的改变在将超声波发射信号射出通过膜片结构112时对产生的超声波发射脉冲不具有很大的影响。
因此，超声波发射模式可以在具有第一共振范围的未激活的Pull-in状态中进行，而对于超声波接收模式在具有第二共振范围的激活的Pull-in状态中进行，将声变换器的灵敏性对于超声波接收模式有针对性地调节到所述第二共振范围。
总之可以说明下述的效应，所述效应通过对Pull-in状态的激活调节得出。
“振铃”基于膜片结构的激活的阻尼被基本上消除或者至少被减小。
在相同的移动设备中或者处于附近的移动设备中的结构相同的声变换元件在超声波范围内不相互干扰。
此外，例如由于制造过程波动或者也基于老化过程的、声变换器100的性能波动可以通过有针对性地调节Pull-in区域、即Pull-in电压来补偿或者至少减小。通过调节或者调整Pull-in电压可以将声变换器的在其他情况下略微改变的共振频率调节成恒定值。此外，例如以阵列布置的多个声变换器可以被调节成用于超声波信号检测的相同的共振频率。
此外，能够实现具有不同的Pull-in电压的超声波检测通道设定，也就是说，通道设定基于对声变换器的不同的共振频率的有针对性的调节，从而可以借助不同的Pull-in电压达到声共振频率变换器的不同的共振频率。
下面在此根据图2A-图2D示例性地示出电容式MEMS声变换器或MEMS麦克风110的不同的可能的实施方案，所述电容式MEMS声变换器或MEMS麦克风可以使用在前述的MEMS元件100中。下述视图仅仅视为示例性的并且不视为最终的。
图2A在此示出MEMS声变换器110的原理图，所述MEMS声变换器具有膜片结构114和对电极结构112。如同在图2A中示出的那样，具有膜片结构114和对电极结构112的层布置彼此分开地并且隔开间距地布置在载体基底118上。通常被构造为比能偏移的膜片结构114的刚性强的对电极结构112彼此以间距d′间隔开，从而产生对电极结构112和膜片结构114之间的电容C并且可以由电路装置120检测。膜片结构114的未压紧的区域d114、例如d114≈0.3mm-1.5mm或者0.5mm-1mm称为膜片结构114的能偏移的或可运动的区域。
对电极结构112相对于膜片结构114的偏移Δx在此可以借助电路装置120检测或者读取，以便提供MEMS声变换器110的例如以输出电压U的形式的相应的输出信号S1。
电路装置120在此可以例如被构造用于将恒定电荷施加到作为“板电容器”起作用的MEMS麦克风110、即施加到膜片结构114或对电极结构112上。基于下述公式明显得出，膜片结构相对于对电极结构的偏移则可以成比例地变换成输出信号或者输出电压S1＝U：
Q＝C·U其中Q＝const,并且
得出
U～d1±Δx
如同由上述公式明显得出的那样，可以获得MEMS麦克风110的输出信号S1，所述输出信号与膜片结构114或对电极结构112之间的间距d1或间距改变量d1±Δx成正比。间距d1可以例如处于0.5至5μm的范围内。
电路装置120还可以具有超声波信号源121，以便激发具有超声波发射信号STX的MEMS声变换器110的膜片结构114或对电极结构112。如同在图2A中示例性示出的那样，超声波信号源121可以激发膜片结构114作为超声波发射元件。超声波信号源121也可以与电路装置120分开地被构造。
根据一个实施例，电路装置120由此被构造用于在MEMS声变换器110的第二运行模式的超声波发射运行状态中，在膜片结构114上或者在对电极结构112和膜片结构114之间激发超声波激发信号(超声波发射信号)STX，以产生超声波发射信号STX，并且被构造用于在MEMS声变换器110的第二运行模式的超声波接收运行状态中，读取MEMS声变换器110的超声波接收信号SRX，所述超声波接收信号基于射出的超声波发射信号STX(或超声波发射脉冲)的被反射的信号部分，并且引起膜片结构114和对电极结构112之间的机械偏移。
也就是说，根据实施例控制信号STX被施加到声变换器的膜片结构和对电极结构之间，而同样在对电极结构和膜片结构之间读取传感器信号。
下面在此根据图2B示出具有双对电极配置的MEMS声变换器或MEMS麦克风110的原理图。
如同在图2B的示意性的侧截面图中示出的那样，MEMS声变换器110具有一个另外的对电极结构112-1，从而膜片结构114布置在第一和第二对电极结构112之间。电路装置120可以在图2B中所示的双对电极结构中被构造用于“单端地”(以相同节拍的方式)或者不同地读取MEMS声变换器。
在图2B中所示的MEMS声变换器110结构中，电路装置120在此还被构造用于在MEMS声变换器110的第一运行模式中检测通过声学声压改变量引起膜片结构114相对于对电极结构112和/或相对于所述另外的对电极结构112-1的偏移，根据MEMS声变换器110的音频输出信号S1是否被“单端地”(以相同节拍的方式)或者不同地检测。
在MEMS声变换器的第二运行模式的超声波发射运行状态中由电路装置120调节例如膜片结构114和对电极结构112之间的直流电压工作点，其中将超声波激发信号施加到另外的对电极结构112-1上以产生超声波发射信号STX或发射脉冲。
根据一个另外的实施例，在MEMS声变换器110的第二运行模式的超声波发射运行状态中，可以将超声波激发信号施加到电路装置120和这两个对电极结构112，112-1之间，以产生超声波发射信号STX或发射脉冲。
在MEMS声变换器110的第二运行模式的超声波接收运行状态中，由电路装置120读取MEMS声变换器110的超声波接收信号SRX，其中，超声波接收信号SRX基于射出的超声波发射信号STX的被反射的信号部分，所述被反射的信号部分引起膜片结构114相对于与对电极结构112和/或另外的对电极结构112-1之间的偏移。
在此，MEMS声变换器110的超声波共振范围基于MEMS声变换器的对电极结构112或膜片结构114的超声波共振特性。
下面在此根据图2C示出呈密封双膜片配置形式的MEMS声变换器110的截面原理图。
如图2C所示地，MEMS声变换器110具有(第一)膜片结构114和一个另外的、与其隔开间距的(第二)膜片结构114-1以及在所述(第一)膜片结构和(第二)膜片结构之间布置的对电极结构112，所述对电极结构分别与第一和第二膜片结构114，114-1隔开间距。此外，至少一个机械连接元件115可以设置在第一和第二膜片结构114，114-1之间，以使得第一和第二膜片结构114，114-1之间机械耦合并且与对电极结构112机械脱耦。当第一和第二膜片结构114，114-1严密地密封(英文：sealed)构造时，第一和第二膜片结构114，114-1之间的腔116构造为具有大气负压，对电极结构112处于所述腔中。
在彼此机械连接的第一和第二膜片结构114，114-1相对于对电极结构112偏移时，所述偏移又通过电路装置120电容地读取，以便提供与所述偏移Δx相关的示出信号S1。
根据一个实施例，电路装置120还被构造用于在MEMS声变换器110的超声波发射运行状态中在超声波频率范围内将超声波发射信号STX相对于MEMS声变换器110的对电极结构112施加到这两个膜片结构(114，114-1)中的至少一个膜片结构上，并且被构造用于在超声波接收运行状态中基于通过所射出的所述超声波发射信号STX的被反射的部分引起的、第一和第二膜片结构114，114-1相对于对电极结构112的偏移Δx来检测MEMS声变换器110的超声波接收信号SRX。MEMS声变换器110还被构造用于通过在位于MEMS声变换器110的射出方向上的物体(在图2C中未示出)反射所射出的所述超声波发射信号STX来获得所射出的所述超声波发射信号STX的被反射的部分。
如图2C所示地，也就是说，MEMS声变换器110具有另外的膜片结构114-1，所述另外的膜片结构借助机械连接元件115与第一膜片结构114机械地连接，以便构成MEMS声变换器110的密封双膜片配置。在此，电路装置120还被构造用于在MEMS声变换器110的第一运行模式中“单端地”(以相同节拍的方式)或者不同地检测通过声学声压改变量(ΔP)引起的、膜片结构114和所述另外的膜片结构114-1相对于对电极结构112的机械偏移。
在一个实施例中，在MEMS声变换器的第二运行模式的超声波发射运行状态中在此由电路装置120将直流电压工作点相对于对电极结构施加到膜片结构114上，其中，还由电路装置将超声波偏移信号施加到所述另外的膜片结构114-1上以产生射出的超声波发射信号STX。在MEMS声变换器110的第二运行模式的超声波接收运行状态中在此由电路装置检测MEMS声变换器的超声波接收信号SRX，所述超声波接收信号基于所射出的所述超声波发射信号STX的被反射的信号部分并且引起膜片结构和/或所述另外的膜片结构114，114-1相对于对电极结构112之间的偏移。在此，MEMS声变换器的超声波共振范围基于所述另外的膜片结构114-1的超声波共振特性。
在此要指明的是，对第一和第二膜片结构114，114-1的激发和读取当然也可以相应地交换，也就是说，可以将超声波偏移信号施加到第一膜片结构114上，而将直流电压工作点施加到所述另外的膜片结构114-1和对电极结构112之间。这则相应地也适用于超声波接收信号SRX的读取。
根据一个另外的实施例，电路装置120还被构造用于在MEMS声变换器110的超声波发射运行状态中在超声波频率范围内将超声波发射信号STX施加到MEMS声变换器110的第一和第二膜片结构114，114-1与对电极结构112之间，并且被构造用于在超声波接收运行状态中基于通过所射出的所述超声波发射信号STX的被反射的部分引起的、第一和第二膜片结构114，114-1相对于对电极结构112的偏移Δx来检测MEMS声变换器110的超声波接收信号SRX。
由于在具有双膜片结构的MEMS麦克风的情况中第一膜片结构与第二膜片结构机械连接可以增大在超声波频率范围内激发的膜片布置、即具有机械连接元件的第一和第二膜片结构的能运动的总质量和刚性。具有双膜片结构的MEMS麦克风相对于具有单膜片结构的MEMS麦克风的共振特性的改变或者共振频率的偏移、例如从90kHz减小到60kHz可以例如通过布设措施、例如膜片结构中的波纹或者也通过技术参数、例如通过膜片结构的半导体材料的掺杂来调节到一定界限内或者补偿。
下面在此根据图2D示出根据一个另外的实施例的具有基于膜片的MEMS声变换器元件或MEMS麦克风元件110-1…110-5的阵列的MEMS声变换器110的原理的俯视图和仰视图，所述MEMS声变换器元件或MEMS麦克风元件例如分别具有膜片结构114-1…114-5和对应的对电极结构(在图2D中未示出)。在声变换器阵列110中，多个MEMS声变换器元件110-1…110-5横向并排地布置在半导体基底中、例如在相同的平面中。声变换器阵列110由此位于一个单个的半导体或硅芯片110-A。也就是说，在相同的封装壳130中多个MEMS声变换器单独元件110-1…110-5、例如以矩阵的形式布置。在图2D中仅仅示例性地示出在腔116-1…116-5(见图2D的仰视图)上部的膜片结构114-1…114-5。在图2D中未示出布线以及打孔的对电极。
MEMS声变换器单独元件110-1…110-5的数量、形状和大小以及对应的布线(在图2D中未示出)能够灵活地实施。此外，也存在多个膜片结构114-1…114-5集成在一个腔116上的可能性。
声变换器元件之间的间距可以例如相应于一半的声波长度，其中，对于100kHz的超声波频率可以达到半导体芯片的符合要求的面积充分利用。
在图2D中以前侧视图示例性地示出了在芯片110-A上的五个膜片结构114-1…114-5，其中，所示的布置和大小仅仅视为示例性的。此外示出六个接触面117、例如金接触垫，其中，所述接触面中的五个接触面个别地和一个接触面共享地配置给声变换器单独元件110-1…110-5。
图2D的后侧视图示出例如不同大小的腔116-1…116-5。因此，阵列的MEMS声变换器元件110-1…110-5的至少一个或多个MEMS声变换器元件(例如一组MEMS声变换器元件)可以与阵列的其余MEMS声变换器元件110-1…110-5不同地被构造，也就是说，例如具有不同的大小、膜片结构的不同的直径、膜片结构的不同的刚性等。因此可以有针对性地影响或者也调节例如阵列的单个组的MEMS声变换器元件或单个MEMS声变换器元件的共振频率(fRES)。
如图2D所示地，阵列的每个MEMS声变换器元件110-1…110-5可以配置给在半导体110-A中的自己的腔116-1…116-5。腔116-1…116-5可以例如相应于膜片结构114-1…114-5的被构造方案相同方式地或者也不同地被构造。
根据一个实施例，布置在半导体110-A中的MEMS声变换器元件110-1…110-5也可以具有一个共同的腔(在图2D中未示出)。因此，阵列的所有或者一部分的MEMS声变换器元件110-1…110-5具有一个共同的腔。
所述阵列布置110不仅在发射运行状态中而且在接收运行状态中实现例如所谓的“波束成形”。
阵列的MEMS声变换器元件110-1…110-5在此可以例如单独地、在一组中共同地或者整体共同地被控制，其中，对MEMS元件100在音频频率范围内并且在超声波频率范围内的运行模式的说明同样适用于图2D的MEMS声变换器元件110-1…110-5阵列。
图2A-图2D的电路装置120在此可以一方面被构造用于基于超声波发射信号STX的发射时间点t0和超声波接收信号SRX的“对应的”超声波接收时间点t4之间的时间段t0-t4在已知的或者预定的环境温度T0下确定关于MEMS声变换器110和引起反射超声波发射信号STX的物体(在图2A-图2D中未示出)之间的间距的信息。电路装置120由此可以还被构造用于提供信息信号S1，所述信息信号已经具有关于MEMS声变换器110和引起反射超声波发射信号STX的物体之间的间距X0的信息。
电路装置120在此可以还被构造用于基于超声波发射信号STX的发射时间点t0和超声波接收信号SRX的对应的超声波接收时间点t4之间的时间段在超声波信号的已知的传输距离或已知的传输行程下确定关于例如周围的流体或周围空气的环境温度的信息S1，所述周围空气处于MEMS声变换器和引起反射超声波发射信号STX的物体之间。
下面研究物理关系，基于所述物理关系借助所述MEMS元件100可以实现可靠的环境温度检测。如果对于射出的超声波发射信号的传播行程已知“参考间距”(或者参考行程长度)XREF，则通过检测超声波发射信号STX的传输时间对所述间距(路程长度)的附加的超声波测量可以实现了对环境温度或空气温度T0的计算，因为空气中的声速主要与温度相关并且仅仅具有与例如气压、空气湿度和声频极小的相关性。
根据所述的实施例，参考间距XREF可以例如通过两个MEMS声变换器或超声波发射接收器100之间预定的、确定的间距实现。参考间距XREF可以是两个MEMS元件100之间已知的间距，所述两个MEMS声变换器布置或者安装在移动设备上。参考间距XREF可以例如还准确地借助雷达检测或光学检测等精确地确定为距“反射”超声波发射信号的物体的间距。
也就是说，在此可根据所述的实施例借助MEMS元件100进行的测量原理可以总结如下：已知的或者经测量的间距(行程长度)通过不相关的对温度不敏感的过程方法来确定，以便获得参考间距XREF。根据实施例，沿着所述间距通过MEMS元件100借助发射的超声波发射信号STX重新进行行程测量，其中，采用参考温度TREF、例如TREF＝0℃。也就是说，根据定义在参考温度TREF下借助MEMS元件100的间距测量得出作为参考间距XREF的结果。如果在此在借助MEMS元件100测量间距时产生当前确定的间距X0和确定的参考间距XREF之间的差，则所述差基于环境或空气温度，所述环境或空气温度不同于参考温度TREF。也就是说，当前确定的间距X0和确定的参考间距XREF之间的差是当前环境温度T0的量度，从而当前环境温度可以直接由所述差确定。
借助通过根据实施例的MEMS元件100实现的超声波传感器元件对环境温度T0的检测是可实施的，因为声速c0在“理想气体”中仅仅与其温度和组成相关。在混合气体、例如通常的周围空气中的声速c0具有与声频和气压相对弱的相关性，其中，通常的周围空气的特性仅仅存在与理想气体的理想特性相对小的区别。
在此参考图3A，该图具有在“通常”周围空气中的声速与温度的相关性的图表。由示出的从-100℃至+100℃的温度窗口ΔT得出，下述的FIT函数可以提供与在温度窗口ΔT中所期望的温度相关性(理想曲线)足够的一致性。因此，在“干燥空气”中(在采用的空气湿度为0％时)周围空气中的以每秒米为单位的大约的声速在零点(0℃＝参考温度TREF)左右的温度下如下地计算或者与FIT函数相匹配：
c0＝(331.3+0.606·θ)m/s,
其中，θ是以摄氏度(℃)为单位的温度。
在采用参考温度TREF、例如TREF＝0℃的情况下，在与参考间距XREF比较时，超声波脉冲STX的传输时间差Δt基于空气中的以摄氏度(℃)为单位的温度T如下地期望：
其中，因数N可以例如采用值1或2。
在考虑级数展开(泰勒级数)直到第二阶的情况下可以例如获得传输时间差Δt和温度T之间的下述关系：
其中，因数N可以例如采用值1或2。
关于上述两个给出的对于传输时间差Δt的关系，如果预定了两个MEMS声变换器110之间直接的传播行程，则选择因数N＝1。如果射出的超声波发射信号或发射脉冲的反射部分(反射波信号)在以预定的间距X0＝XREF布置的物体上出发，即双重地经过行程距离X0时，则选择因数N＝2。
对于N＝2得出例如超声波信号的传输时间差为大约11μs/(m℃)，所述传输时间差相应于3.6mm/(m℃)的行程长度差Δx。对于N＝1，传输时间差和行程长度差的上述值减半。
在此参考图3B的具有在预定的参考间距X0＝XREF下与环境温度T0相关的期望的传输时间差Δt。
如果在此例如根据实施例的两个MEMS元件100彼此以确定的、固定的例如10cm的间距间隔开地布置在移动设备、例如智能手机中，则这意味着超声波发射信号或发射脉冲的每1℃大约0.5μs的传输时间延迟，其中，这大致相应于检测到的每摄氏度180μm的行程长度差。传输时间延迟Δt在所述大小范围内能够无问题地以移动设备的可供使用的大于100MHz或者也在千兆赫范围内的脉冲频率测量和评估。
当例如多个MEMS元件100作为超声波发射接收器以已知的、固定的间距(参考间距XREF＝X0)例如布置在装置或移动设备上时，则间距测量、即与参考间距的长度比较在所有可能的通过布置超声波发射接收器而预定的测量方向上进行，以便减小对周围大气运动、即空气运动的影响。在测量温度时，由此可以考虑风向和风速。因此，超声波信号在相反的测量方向之间的传输时间差可以参考空气运动，从而呈风向和风速形式的空气运动又可以在借助超声波传输时间测量进行温度确定时被考虑。
此外，在确定环境温度之后或者在存在环境温度时风力测量而且风向测量作为附加的输出信号在具有多个相应于根据实施例的MEMS元件100的超声波收发器元件的传感器结构中实现。此外，可以进一步减小或者降低由于空气湿度和气压导致的横向敏感性，其方式是，相应的测量值由例如附加的传感器提供用于评估。
图4在此示出具有根据一个实施例的至少一个MEMS元件100的装置200的原理图。MEMS元件100布置在例如作为传感器的装置200的外侧或设备框205上的预定的位置上，其中，电路装置120还被构造用于基于超声波发射信号STX的发射时间点t0和对应的超声波接收信号SRX(见图1C)的接收时间点t4之间的时间段Δt提供信息信号S1。
信息信号S1可以例如在考虑(在公差范围内)已知的环境温度T0的情况下具有关于MEMS元件100或在那里的MEMS声变换器110与引起反射超声波发射信号STX的物体210之间的间距x0的信息。信息信号S1还可以在考虑(在公差范围内)已知的超声波发射信号的传输距离或传输行程X0＝XREF的情况下具有关于MEMS元件100和引起反射超声波发射信号STX的物体210之间的环境温度T0的信息。
MEMS元件100的电路装置120还被构造用于将信息信号S1转发到处理装置220上，以便确定被构造为间距传感器的MEMS元件100和引起反射超声波发射信号STX的物体210之间的间距X0。
装置200由此可以是任意设备，MEMS元件100可以在所述任意设备中实施为间距传感器和/或温度传感器。
此外，装置200能够可选地具有在作为用于间距测量和/或温度测量的传感器元件的装置200的不同的外部位置或框205上的多个MEMS元件100。因此，可以例如在装置200的每个侧面或侧面区域上布置一个或多个MEMS元件100，以便作为间距传感器和/或温度传感器起作用。MEMS元件100还可以由于其小的空间需求而无问题地以n×m阵列(n≥2和m≥2)布置在装置200的侧面或侧面区域上，以便在相应地控制MEMS元件100时获得对MEMS元件100在音频频率范围内和/或超声波频率范围内的发射和接收特征的方向作用或有限方向或射束整形方向或者简单地提高检测准确性或灵敏性。
在使用多个MEMS元件100的情况中，相应的电路装置120还被构造用于为每个MEMS元件100基于超声波发射信号STX的发射时间点t0和对应的超声波接收信号SRX的超声波接收时间点t4之间的时间段Δt提供具有关于相应的MEMS元件100或在那里的MEMS声变换器110与引起相应地反射超声波发射信号STX的物体210之间的间距x0的信息的信息信号S1。
通过将多个作为间距传感器的MEMS元件100平均地、例如以阵列的方式布置在装置200的设备外侧或设备框上可以实现高效地检测周围环境或者监测周围环境或者也识别在装置200的周围环境中的物体。
在图5中示出移动电子设备300、例如智能手机、笔记本电脑平板电脑、膝上型电脑、智能手表等的俯视原理图，所述移动电子设备具有根据一个实施例的多个MEMS元件100(100-1，100-2，100-3，110-4)。声学MEMS元件100布置在移动设备300的设备框310上确定的位置上。移动设备300可以例如具有一个另外的处理装置320，所述另外的处理装置与MEMS元件100或MEMS元件100的电路装置120电连接或逻辑连接。移动设备还能够例如(可选地)具有用于显示并且图形显示信息的显示器330。MEMS元件100可以相应地成对地彼此以预定的间距XREF1，XREF2布置在移动设备300的设备框310上。
如同在图5中示例性地示出的那样，两对MEMS元件100布置在移动设备300的边缘区域310上，其中，MEMS元件100的第一对100-1，100-2彼此以间距XREF1布置，其中，MEMS元件100的第二对100-3，100-42彼此以间距XREF2布置。这两对MEMS元件100之间的两个连接线L1，L2彼此垂直地延伸，其中，这仅仅是示例性的并且可以导致简化测量结果S1的评估。处理装置320还可以被构造用于评估由MEMS元件100的电路装置120获得的超声波接收信号或信息信号S1。
处理装置320还可以构造用于评估由MEMS元件100-1，…，110-4提供的信息信号S1。
移动设备300的MEMS元件100-1，…，110-4可以例如分别用作用于间距测量或温度测量的单独传感器。相应的MEMS元件100-1，…，110-4布置在例如作为传感器的移动设备300的外侧或设备框310上预定的位置上，以便基于超声波发射信号STX的发射时间点t0和对应的超声波接收信号SRX(见图1C)的超声波接收时间点t4之间的时间段Δt提供信息信号S1。
信息信号S1可以例如在考虑(在公差范围内)已知的环境温度T0的情况下具有关于MEMS元件100或在那里的MEMS声变换器110与引起反射超声波发射信号STX的物体(在图5中未示出)之间的间距X0的信息。信息信号S1还可以在考虑(在公差范围内)已知的超声波发射信号的传输距离或传输行程X0＝XREF的情况下具有关于MEMS元件100和引起反射超声波发射信号STX的物体之间的环境温度T0的信息。
MEMS元件100的电路装置120还可以被构造用于将信息信号S1转发到处理装置320上，以便确定被构造为间距传感器的MEMS元件100和引起反射超声波发射信号STX的物体之间的间距X0。
根据一个另外的实施例，处理装置320也可以被构造用于由MEMS元件100检测关于射出的超声波发射信号沿着第一方向和相反的第二方向通过MEMS元件100的对应对100-1，100-2，100-3，100-4之间的周围大气的第一和第二传输时间Δt1，Δt2的信息信号S1，并且被构造用于基于检测到的、超声波发射信号在MEMS元件的对应对之间的传输时间和MEMS元件100的对应对之间预定的间距XREF1，XREF2确定在周围大气中起主导作用的环境条件。通过测量沿不同方向或相反方向在MEMS元件100的对应对100-1，100-2，100-3，100-4之间的传输时间可以在采用在相反的测量的时间点之间的恒定的外界温度T0的情况下在这两个检测到的传输时间之间的传输时间差下推断出在两个对应的MEMS元件之间平行于连接线L1，L2的空气运动。在相反射出的超声波发射信号STX之间的传输时间差的大小可以接着对应于与MEMS元件100的对应对之间的连接线平行的相应的空气运动或风力。
处理装置320在此也可以被构造用于评估MEMS元件100的多个对(例如N对)的多个信息信号S1，以便检测射出的超声波发射信号STX沿着不同的或相反的方向通过MEMS元件100的多个对应对之间的周围大气的多个传输时间对，并且被构造用于基于检测到的、超声波发射信号STX在MEMS元件100的对应对之间的传输时间对和MEMS元件100的对应N对的预定的间距XREF-N确定在周围大气中的流体运动的方向信息、即风向。
MEMS元件100的电路装置120可以例如也是处理装置320的部分。
在移动设备300中由此可以将n对(n≥2)的声学MEMS元件100分别在移动设备300的设备框310上彼此以预定的间距XREF1，XREF2…XREFn并且在预定的位置上布置。移动设备300在此还能够可选地具有附加的传感器340用于检测附加的测量参数、例如周围大气中的湿度和/或气压，以便例如在考虑关于周围大气中的空气湿度和/或气压的附加的测量结果情况下在计算或确定间距信息和/或温度信息时考虑相应的横向敏感性。
根据一个实施例，处理装置320可以被构造用于在评估射出的超声波发射信号STX的传输时间Δt时考虑从周围大气的确定的相对运动速度和/或周围大气的运动速度达到确定的方向信息以确定在周围大气中起主导作用的环境温度T0。当例如如前所述的多个MEMS元件100作为超声波发射接收器以已知的、固定的间距(XREF＝X0)例如布置在移动设备300上时，则可以在所有可能的通过超声波发射接收器100-1…100-4的布置预定的测量方向和连接线L1，L2上进行及间距测量、即与参考间距的长度比较以确定温度，以便减小对于周围大气的运动、即空气运动的影响。在测量温度时，由此可以考虑风向和风速。因此超声波信号在相反的测量方向之间的传输时间差可以参考空气运动，其中，空气运动又可以在借助超声波传输时间测量确定温度时被考虑。
关于在上文中所述的间距测量要指明的是，参考间距测量或提供的参考间距值应该具有比间距或传输时间的声学超声波测量的精度高的精度，以便获得足够准确的测量结果。这无问题地通过在移动设备300中固定的并且以已知的间距布置的、呈根据前述实施例的MEMS元件100形式的发射接收元件实现。
此外要指明的是，固体、例如移动设备的材料、例如金属和/或塑料的热膨胀系数比通过超声波检测的每摄氏度的行程长度的改变小大约“100”倍。因为移动设备内的温度还通常是已知的，所以在评估测量值时可以考虑移动设备的所述热膨胀系数。此外，应该无问题地检测例如通过用户的手导致的声音行程的不期望的延长，因为推导出的温度则可能被识别为不真实的“冷的”。
当实施例适用于不同变体和替换方式时，所述实施例相应地同样在附图中示例性地示出并且在此详细地说明。然而可理解的是，不期望实施例局限于公开的确定形式，而是相反地实施例应该涵盖所有落入公开框架内的变体、对应方案和替换方案。在附图的全部说明中，相同的附图标记表示相同或类似的元件。
可理解的是，当一个元件与一个另外的元件“连接”或“耦合”时，则该元件可以直接与所述另外的元件连接或耦合，或者可以存在中间元件。当相反地一个元件“直接”与一个另外的元件“连接”或“耦合”时，则不存在中间元件。其他用于描述元件之间的关系的表达应该以相同的方式定义(例如“之间”与“直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。
此外可理解的是，当一个元件“布置在一个另外的元件上、上部、上方、附近、下方或下部”时，则该元件可以直接布置在所述另外的元件上、上部、上方、附近、下方或下部或者可以存在一个或多个中间元件。当相反地一个元件“直接”布置在一个另外的元件上、上部、上方、附近、下方或下部时，则不存在中间元件。此外要指明的是，所使用的概念“在上方或者在竖直上方、在附近、在下方、在下部、横向于和垂直于”涉及不同元件彼此关于不同附图的相应示出的图平面的相对布置并且可以对应于相应的附图来理解。
此外，表达“至少一个”元件理解为，可以设置一元件或者多个元件。
在此使用的专业术语仅仅以描述确定的实施例为目的并且不应受限于该实施例。根据本文使用，单数形式“一个”和“这个”也包括复数形式，因为在此明确地例如另外地给出。此外可理解的是，概念“包括”和/或“具有”在本文使用中表示存在给定的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组成部分，然而不包括存在或者附加一个或多个另外的相同的特征、整数、步骤、操作、元件、组成部分和/或组。
若不另外定义，则所有在此使用的概念(包括技术和科学概念)具有与通常由本领域技术人员理解相同的意义，所有在此使用的概念属于实施例。此外可理解的是，概念、例如通常使用在字典中的定义应该具有结合相应技术的意义。然而如果本公开文件为一个概念给出确定的意义，该概念的意义与其通常由本领域技术人员理解的意义不同，则可以考虑在具体的给出其定义的情景中的该概念的意义。
在下述说明中，由半导体材料构成的元件的描述是指，元件具有半导体材料，即至少部分地或者也全部由半导体构成。
虽然一些方面结合MEMS元件、具有至少一个MEMS元件的装置和具有多个MEMS元件的移动设备来描述，但是可以理解为，所述方面也是对用于确定测量值的相应方法的描述，从而相应装置的一个组块或元件也可以理解为相应方法的方法步骤的一个方法步骤或特征。一些或者所有方法步骤可以通过硬件装置(或者在使用硬件装置的情况下)、例如在使用微处理器、可编程的计算机或电子电路的情况下进行。在一些实施例中，一些或者多个最重要的方法步骤通过所述装置执行。
在前述的详细的描述中，部分不同的特征在实例中组合，以便使公开文件合理化。所述类型的公开文件应直接解释为，要求保护的实例与具体在每个权利要求中相比给出更多的特征。确切地说，如同下述权利要求给出的那样，所述内容比各个公开的实例的所有特征少。因此，下述权利要求就此记录在具体的描述中，其中，每个权利要求可以作为自身单独的实例。当每个权利要求可以作为自身单独的实例时，则补充说明的是，虽然权利要求中的从属权利要求回引具有一个或多个权利要求的特定组合，但是其他实例也包括从属权利要求与任何其他从属权利要求的组合或者任何特征与其他从属或独立权利要求的组合。所述组合也包括非预期实施的特定组合。此外预期的是，也包括权利要求的特征与任何其他独立权利要求的组合，即使该权利要求不直接与所述独立权利要求相关。
虽然特定的实施例在此示出和描述，但是对于本领域技术人员显而易见的是，多个替换的和/或等效的实施方案可以在不脱离本申请文件的主题的情况下替代特定地在那里示出的和描述的实施例。所述申请文件涵盖所有对在此描述和探讨的特定的实施例的适应性方案和变体。因此，本申请主题仅仅通过权利要求的原文和等效的实施方式限定。
附图标记列表
100 MEMS元件
110 MEMS声变换器
110-1–110-5 MEMS声变换器元件
110-A 半导体基底
112 对电极结构
112-1 另外的对电极结构
114 膜片结构
114-1 另外的膜片结构
115 机械连接元件
116 腔
116-1–110-5 部分腔
117 接触面
120 电路装置
121 超声波信号源
130 壳体
132 声开口
134 基底
136 覆盖元件
200 设备/装置
205 设备框
210 反射物体
220 处理装置
300 移动设备
310 移动设备的设备框
320 移动设备的处理装置
330 (可选的)移动设备的显示器
340 (可选的)附加的传感器
C 电容
d1 膜片-对电极间距
d114 膜片的可偏移的区域
f 频率
L1，L2 连接线
ΔP 声压改变量
S1 输出信号或信息信号
t 时间
t0，t1，t2，t3，t4 时间点
ΔT 温度窗口/传输时间
T0 (测量的)环境温度
TREF 参考温度
XREF 参考间距
XREF1 对应第一对的MEMS元件的间距
XREF2 对应第二对的MEMS元件的间距
XREFn 对应第n对的MEMS元件100的间距
X0 (测量的)间距
Δx 膜片结构的偏移

Claims (26)

1.一种MEMS元件(100)，具有下述特征：
MEMS声变换器(110)，所述MEMS声变换器(110)具有膜片结构(114)和对应的对电极结构(112)；和
电路装置(120)，所述电路装置(120)与所述MEMS声变换器(110)电耦合，并且所述电路装置还被构造用于：
在所述MEMS声变换器(110)的在音频频率范围内的第一运行模式中，基于由声学声压改变量(ΔP)引起所述膜片结构(114)相对于所述对电极结构(112)的偏移来检测所述MEMS声变换器(110)的音频输出信号，并且
在所述MEMS声变换器(110)的在超声波频率范围内的第二运行模式中，作为超声波发射接收器来控制并且读取所述MEMS声变换器(110)。
2.根据权利要求1所述的MEMS元件(100)，其中所述MEMS声变换器(110)的第二运行模式具有超声波发射运行状态和超声波接收运行状态，其中所述电路装置(120)还被构造用于在所述超声波发射运行状态中作为超声波发射器来控制所述MEMS声变换器(110)，并且用于在所述超声波接收运行状态中作为超声波接收器来读取所述MEMS声变换器(110)。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS元件(100)，其中所述电路装置(120)还被构造用于在所述第二运行模式中在所述MEMS声变换器(110)的超声波共振范围中控制和/或读取所述MEMS声变换器(110)。
4.根据权利要求3所述的MEMS元件(100)，其中所述MEMS声变换器的超声波共振范围基于所述声变换器的部件的超声波共振特性。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的MEMS元件，其中所述电路装置(120)还被构造用于在所述MEMS声变换器(110)的超声波发射运行状态中，在所述MEMS声变换器(110)的膜片结构(114)或对电极结构(112)处激发在超声波频率范围内的超声波发射信号(STX)，并且用于在所述超声波接收运行状态中，基于由射出的超声波发射信号(STX)的被反射的部分引起所述膜片结构(114)和所述对电极结构(112)之间的偏移来检测所述MEMS声变换器(110)的超声波接收信号(SRX)。
6.根据权利要求5所述的MEMS元件，其中所述MEMS声变换器(110)被构造为使得所射出的所述超声波发射信号(STX)的被反射的部分(SRX)通过将所射出的所述超声波发射信号(STX)反射在位于所述MEMS声变换器(110)的射出方向上的物体(210)上来获得。
7.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS元件(100)，其中所述MEMS声变换器(110)具有在20和150kHz之间或者20和120kHz之间的范围内的超声波共振频率。
8.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS元件(100)，其中所述MEMS声变换器(110)具有另外的对电极结构(112-1)并且被构造为双对电极配置，其中所述电路装置(120)还被构造用于：
在所述MEMS声变换器(110)的第一运行模式中，检测由声学声压改变量(ΔP)引起所述膜片结构(114)相对于所述对电极结构(112)和/或所述另外的对电极结构(112-1)的偏移，
在所述MEMS声变换器的第二运行模式的超声波发射运行状态中，调节所述膜片结构(114)与两个对电极结构(112，112-1)中的至少一个对电极结构之间的超声波激发信号，以产生所述超声波发射信号(STX)，并且
在所述MEMS声变换器(110)的第二运行模式的超声波接收运行状态中，读取所述MEMS声变换器的超声波接收信号(SRX)，所述超声波接收信号基于所射出的所述超声波发射信号(STX)的被反射的信号部分并且引起所述膜片结构(114)与所述对电极结构(112)和/或所述另外的对电极结构(112-1)之间的偏移。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的MEMS元件，其中所述MEMS声变换器(110)具有另外的膜片结构(114-1)，所述另外的膜片结构借助机械连接元件(115)与所述膜片结构(114)机械地连接并且被构造为双膜片配置，其中所述电路装置(120)还被构造用于：
在所述MEMS声变换器(110)的第一运行模式中，检测由声学声压改变量(ΔP)引起的、所述膜片结构(114)和所述另外的膜片结构(114-1)相对于所述对电极结构(112)的总偏移，
在所述MEMS声变换器的第二运行模式的超声波发射运行状态中，将超声波激发信号相对于所述对电极结构(112)施加到两个膜片结构(114，114-1)中的至少一个膜片结构，以产生所射出的所述超声波发射信号(STX)，和
在所述MEMS声变换器的第二运行模式的超声波接收运行状态中，检测所述MEMS声变换器的超声波接收信号(SRX)，所述超声波接收信号基于所射出的所述超声波发射信号(STX)的被反射的信号部分(SRX)并且引起所述膜片结构(114)和/或所述另外的膜片结构(114-1)相对于所述对电极结构(112)的偏移。
10.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS元件(100)，其中所述电路装置(120)还被构造用于基于所述超声波发射信号(STX)的发射时间点和所述超声波接收信号(SRX)的接收时间点之间的时间段(Δt)，确定关于所述MEMS声变换器(110)和引起反射所述超声波发射信号(STX)的物体(210)之间的间距的信息。
11.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS元件(100)，其中所述电路装置(120)还被构造用于基于所述超声波发射信号(STX)的发射时间点和对应的超声波接收信号(SRX)的接收时间点之间的时间段，确定关于环境温度的信息。
12.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS元件(100)，其中所述电路装置(120)还被构造用于至少在所述超声波接收运行状态中将Pull-In信号施加到所述膜片结构(114，114-1)，以便使所述膜片结构(114，114-1)处于机械阻尼状态中。
13.根据权利要求12所述的MEMS元件，其中，所述Pull-In信号在所述超声波信号的超声波接收模式中引起所述声变换器的共振频率改变。
14.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS元件(100)，其中所述电路装置(120)还具有基于膜片的MEMS声变换器元件的阵列，所述MEMS声变换器元件具有膜片结构(114)和对应的对电极结构(112)。
15.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的至少一个MEMS元件(100)的设备(200)，
其中所述至少一个MEMS元件(100)作为传感器布置在所述设备(200)的外部位置处，其中所述电路装置(120)还被构造用于基于所述超声波发射信号(STX)的发射时间点和所述超声波接收信号(SRX)的接收时间点之间的时间段提供信息信号(S1)。
16.根据权利要求15所述的设备(200)，
其中所述信息信号具有关于所述MEMS元件和引起反射所述超声波发射信号(STX)的物体(210)之间的间距(x0)的信息，或者
其中所述信息信号(S1)具有关于所述MEMS元件和引起反射所述超声波发射信号(STX)的物体(210)之间的周围大气中的环境温度(T0)的信息。
17.根据权利要求15或16所述的设备，其中所述设备还具有处理装置(220)，其中所述电路装置(120)还被构造用于将所述信息信号(S1)转发到所述处理装置(220)，其中所述处理装置(220)被构造用于：
基于所述信息信号(S1)和已知的环境温度(T0)确定所述MEMS元件(100)和引起反射所述超声波发射信号(STX)的物体(210)之间的间距(x0)，或者
基于已知的、所述MEMS元件和引起反射所述超声波发射信号(STX)的物体(210)之间的间距(XREF)确定环境温度(T0)。
18.根据前述权利要求15至17中任一项所述的设备(200)，其中所述设备具有多个MEMS元件(100)，所述多个MEMS元件作为距离传感器和/或温度传感器布置在所述设备(200)的分布的外部位置处，其中所述处理装置(220)被构造用于利用间距信息来评估所述多个MEMS元件(100)的信息信号(S1)，以便执行对所述设备的周围大气的空间检测。
19.一种移动设备(300)，具有多个根据权利要求1至11中任一项所述的多个MEMS元件(100)，其中所述多个MEMS元件(100)布置在所述移动设备(300)的设备框(310)的预定位置处。
20.根据权利要求19所述的移动设备(300)，其中所述多个MEMS元件(100)成对地相对彼此以预定的距离(XREF1，XREF2，…，XREFn)布置在所述移动设备(300)的设备框(310)处。
21.根据权利要求19或20的移动设备(300)，
其中所述信息信号具有关于所述MEMS元件(100)和引起反射所述超声波发射信号(STX)的物体(210)之间的间距(x0)的信息，或者
其中所述信息信号(S1)具有关于所述MEMS元件(110)和引起反射所述超声波发射信号(STX)的物体(210)之间的周围大气中的环境温度(T0)的信息。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的移动设备(300)，其中所述移动设备(300)还具有处理装置(220)，其中所述处理装置(220)被构造用于评估所述MEMS元件(100)的所述信息信号(S1)。
23.根据权利要求22所述的移动设备(300)，其中所述处理装置(320)还被构造用于检测所射出的所述超声波发射信号(STX)通过对应成对的声学MEMS元件(100)之间的周围大气的传输时间(Δt)，并且用于基于检测到的、所述超声波发射信号(STX)在对应成对的声学MEMS元件(100)之间的传输时间(Δt)和预定的、对应成对的MEMS元件(100)的距离来确定存在于所述周围大气中的环境温度(T0)。
24.根据权利要求22或23的移动设备(300)，其中所述处理装置(320)被构造用于检测所射出的所述超声波发射信号(STX)在相反的方向上通过对应成对的声学MEMS元件之间的周围大气的第一传输时间和第二传输时间，并且基于检测到的、所述超声波发射信号(STX)在对应成对的声学MEMS元件之间的传输时间和预定的、对应成对的MEMS元件的距离来确定所述周围大气的相对运动速度。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的移动设备(300)，其中所述处理装置(320)被构造用于检测所射出的所述超声波发射信号通过多个对应成对的声学MEMS元件之间的周围大气的多个传输时间，并且基于检测到的、超声波发射信号在对应成对的声学MEMS元件之间的传输时间和预定的、对应成对的MEMS元件的距离来确定所述周围大气的运动速度的方向信息。
26.根据权利要求24或25所述的移动设备(300)，其中所述处理装置(320)被构造用于在评估所射出的所述超声波发射信号(STX)的传输时间(Δt)以确定存在于所述周围大气中的环境温度(T0)时，考虑已确定的、所述周围大气的相对运动速度和/或已确定的、所述周围大气的运动速度的方向信息。
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