DE102013207233B4 - Gekapselte mems-vorrichtung und verfahren zur kalibrierung einer gekapselten mems-vorrichtung - Google Patents

Gekapselte mems-vorrichtung und verfahren zur kalibrierung einer gekapselten mems-vorrichtung Download PDF

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Abstract

Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) umfassend:einen Träger (110);eine auf dem Träger (110) angeordnete MEMS-Vorrichtung (120, 220);eine auf dem Träger (110) angeordnete Signalverarbeitungsvorrichtung (230);eine auf dem Träger angeordnete Validierungsschaltung (236);und eine auf dem Träger angeordnete Kapselung (140), wobei die Kapselung (140) die MEMS-Vorrichtung (120, 220), die Signalverarbeitungsvorrichtung (230) und die Validierungsschaltung (236) kapseltwobei die Validierungsschaltung (236) konfiguriert ist, umeine Impedanz der MEMS-Vorrichtung (120, 220) für verschiedene Frequenzen zu messen, um die Resonanzfrequenz zu bestimmen, und/odereine Steigung C1-C2/V1-V2zu berechnen, wobei V1eine erste Vorspannung, V2eine zweite Vorspannung, C1eine erste Kapazität der MEMS-Vorrichtung (120, 220), die bei der ersten Vorspannung Vi gemessen wird, und C2 eine zweite Kapazität der MEMS-Vorrichtung (120, 220), die bei der zweiten Vorspannung V2gemessen wird, ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine verstellbare Lüftungsöffnung in einer MEMS-Struktur und ein Verfahren zum Betreiben einer MEMS-Struktur.
  • HINTERGRUND
  • Ein MEMS(MicroElectrical-Mechanical System)-Mikrofon umfasst eine druckempfindliche Membran, die in einem Siliziumchip angeordnet ist. Das MEMS-Mikrofon ist gemeinsam mit einem Verstärker gekapselt. Das MEMS-Mikrofon und der Verstärker können sich auf unterschiedlichen Chips oder auf dem gleichen Chip befinden. Das MEMS-Mikrofon kann auch einen Analog-Digital-Wandler-Schaltkreis (ADC-Schaltung) beinhalten, wodurch es zu einem digitalen MEMS-Mikrofon wird.
  • Die US 2008/0 075 306 A1 offenbart ein MEMS-Mikrofon und lehrt, eine Empfindlichkeit des Mikrofons in einem Testcomputer zu messen, aufzuzeichnen und zu verfolgen.
  • Die GB 2 466 785 A offenbart einen kapazitiven MEMS-Wandler auf einer von einer elektronischen Schaltung getrennten integrierten Schaltung, wobei auf dem Chip der elektronischen Schaltung eine Signalquelle zum Erzeugen eines Testsignals vorgesehen sein kann.
  • Die WO 2007/009 465 A2 offenbart ein programmierbares Mikrophon, wobei während der Herstellung des Mikrophons ein einmalig programmierbares System vorgesehen ist, in dem während des Testens eine voreingestellte Empfindlichkeit gemessen und eine Differenz von einer Ziel-Empfindlichkeit berechnet wird, die dann kompensiert werden kann.
  • Die US 2010/0 166 228 A1 offenbart eine Vorrichtung mit einem kapazitiven Wandler, wobei Ausgangssignale mittels einer automatischen Testausrüstung gemessen werden.
  • Die DE 10 2007 062 713 A1 offenbart einen selbstkalibrierbaren Drucksensor und ein Verfahren zu dessen Selbstkalibrierung. Ein Drucksensorelement und eine Kalibriervorrichtung werden verwendet, um eine Empfindlichkeit zu messen des Drucksensorelements.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine gekapselte MEMS-Vorrichtung nach Anspruch 1 und Verfahren zur Kalibrierung einer gekapselten MEMS-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9, 13 und 17.
  • Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Beispiele und Ausführungsformen, die nicht unter den Schutzbereich der Ansprüche fallen, sind nicht Teil der Erfindung und dienen lediglich erläuternden Zwecken.
  • Figurenliste
  • Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nunmehr auf die folgenden Beschreibungen verwiesen, die im Zusammenhang mit den Begleitzeichnungen zu lesen sind, wobei gilt:
    • Die 1a und 1b zeigen eine gekapselte MEMS-Vorrichtung;
    • 2 zeigt eine Ausführungsform einer gekapselten MEMS-Vorrichtung;
    • 3 zeigt ein Fließschema einer Ausführungsform der Kalibrierung einer gekapselten MEMS-Vorrichtung;
    • 4 zeigt ein Fließschema einer Ausführungsform der Kalibrierung einer gekapselten MEMS-Vorrichtung;
    • 5 zeigt ein Fließschema einer Ausführungsform der Kalibrierung einer gekapselten MEMS-Vorrichtung; und
    • 6 zeigt ein Fließschema einer Ausführungsform der Kalibrierung und Kapselung einer MEMS-Vorrichtung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachstehend werden Herstellung und Verwendung der vorliegend bevorzugten Ausführungsformen ausführlich dargelegt. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer breiten Vielfalt spezifischer Zusammenhänge ausgeführt werden können. Die dargelegten speziellen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung konkreter Möglichkeiten zur Herstellung und Verwendung der Erfindung und schränken die Erfindung in ihrem Umfang nicht ein.
  • Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen in einem spezifischen Zusammenhang erörtert, nämlich eines gekapselten Mikrofons oder Sensors. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere gekapselte MEMS-Vorrichtungen wie HF-MEMS, Beschleunigungsmesser und Aktore angewendet werden.
  • Silizium-Mikrofone werden in Mobiltelefonen, Notebooks und anderen Geräten verwendet. Es besteht ein Trend, mehr als ein Mikrofon pro Gerät zu verwenden, z. B. zur Rauschunterdrückung oder Direktionalität. Bei diesen Anwendungen sollten die Mikrofone jeweils eine im Wesentlichen gleiche Empfindlichkeit aufweisen, d. h. es können geringe Empfindlichkeitstoleranzen erforderlich sein.
  • Für Silizium-Mikrofone sind Empfindlichkeitstoleranzen von +/- 3 dB typisch. Für Anwendungen mit mehreren Mikrofonen, wie oben beschrieben, können jedoch engere Empfindlichkeitstoleranzen wie +/- 1 dB erforderlich sein.
  • Beim MEMS-Fertigungsprozess entstehen jedoch oftmals MEMS-Vorrichtungen mit Empfindlichkeitstoleranzen von mehr als +/- 3 dB oder sogar mehr als +/- 5 dB. Die Empfindlichkeitstoleranzen können sich noch weiter verschlechtern, wenn die MEMS-Vorrichtung gemeinsam mit einer Signalverarbeitungsvorrichtung in eine gekapselte MEMS-Vorrichtung gepackt wird.
  • In einer Ausführungsform wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung kalibriert, indem die Empfindlichkeit der beweglichen Elektrode unmittelbar in der gekapselten MEMS-Vorrichtung gemessen wird. In einer anderen Ausführungsform wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung kalibriert, indem die Resonanzfrequenz der gekapselten MEMS-Vorrichtung gemessen wird. In noch einer anderen Ausführungsform wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung kalibriert, indem die Kapazitätssteigung der gekapselten MEMS-Vorrichtung gemessen wird. Schließlich umfasst eine Ausführungsform der gekapselten MEMS-Vorrichtung ein Speicherelement.
  • Die 1a und 1b zeigen eine Querschnittsansicht einer gekapselten MEMS-Vorrichtung 100 wie eines gekapselten Silizium-Mikrofons. Die gekapselte MEMS-Vorrichtung 100 umfasst einen Träger 110, eine MEMS-Vorrichtung 120, eine integrierte Schaltung 130 und eine Kapselung 140, die ein vorderseitiges Volumen 150 und ein rückseitiges Volumen 155 bereitstellt. Die gekapselte MEMS-Vorrichtung 100 kann ein Loch 160 in der Kapselung (1a) oder ein Loch 170 im Träger 110 (1b) aufweisen. Die MEMS-Vorrichtung 120 kann ein einzelner Chip oder eine einzelne Platte sein und die Signalverarbeitungsvorrichtung 130 kann ein einzelner Chip oder eine einzelne Platte sein. Alternativ können die MEMS-Vorrichtung 120 und die Signalverarbeitungsvorrichtung 130 ein integrierter einzelner monolithischer Chip oder eine integrierte einzelne Platte sein.
  • Der Träger 110 kann ein Keramik-, Leiterplatten- oder ähnliches Substrat sein. Die MEMS-Vorrichtung 110 kann ein Mikrofon, Drucksensor oder ein Wandler sein. Die MEMS-Vorrichtung 110 ist auf dem Träger 110 angeordnet, beispielsweise unter Verwendung von Klebstoff. Die MEMS-Vorrichtung 110 kann flip-chip-montiert oder -gebondet werden, so dass die Kontakte vom Träger 110 abgewandt sind. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 130 kann eine Signalverarbeitungsschaltung, eine Verstärkerschaltung, ein Analog-Digital-Wandler (ADC) oder Kombinationen daraus sein. Die MEMS-Vorrichtung 120 und die Signalverarbeitungsvorrichtung sind über Bonddrähte oder leitfähige Leitungen im Träger 110 elektrisch verbunden.
  • Die Kapselung oder Umgießung 140 kann eine akustische Kapselung sein. Die Kapselung 140 schützt die MEMS-Vorrichtung 120 und die Signalverarbeitungsvorrichtung 130 vor Umwelteinflüssen wie mechanischen Beschädigungen. Die Kapselung 140 kann Polymermaterial umfassen.
  • 2 zeigt eine Blockdarstellung einer gekapselten MEMS-Vorrichtung 200. Die gekapselte MEMS-Vorrichtung 200 umfasst eine MEMS-Vorrichtung 220, eine Signalverarbeitungsvorrichtung 230, einen Speicherbaustein oder ein Speicherelement 235 und eine Validierungsschaltung 236.
  • Die MEMS-Vorrichtung 220 umfasst eine kreisrunde Membran oder eine rechteckige Membran. Alternativ umfasst die MEMS-Vorrichtung 220 eine Membran mit einer anderen geeigneten geometrischen Form. Die MEMS-Vorrichtung 220 kann eine kapazitive Verstellung, eine piezoelektrische Verstellung oder eine thermische Verstellung aufweisen. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 230 kann ein Vorverstärker, ein Verstärker, ein Analog-Digital-Wandler (ADC) oder Kombinationen daraus sein. Die Signalverarbeitungsvorrichtung 230 kann eine ASIC sein.
  • Das Speicherelement 235 kann in die Signalverarbeitungsvorrichtung 230 integriert sein (wie ein eingebetteter Flash-Speicher) oder kann ein separater Baustein sein. Das Speicherelement 235 kann ein flüchtiger Speicher oder ein nichtflüchtiger Speicher sein. Das nichtflüchtige Speicherelement 235 kann ein Flash-Speicher (Typ NOR und NAND), ein magnetoresistiver RAM (MRAM), ein RAM mit leitfähiger Brücke (CBRAM), ein ferroelektrischer RAM (FeRAM), ein Phasenänderungsspeicher (PCRAM) oder ein SONOS sein. Alternativ kann das Speicherelement 235 eine Fuse-Leiterbahn oder eine Mehrzahl von Fuse-Leiterbahnen sein. Das flüchtige Speicherelement 235 kann ein DRAM oder ein SRAM sein.
  • Die Validierungsschaltung 236 kann in die Signalverarbeitungsvorrichtung 230 integriert sein. Die Validierungsschaltung kann für die Messung eines Signals konfiguriert sein. Das zu messende Signal kann eine Amplitude eines Ausgangssignals für eine Empfindlichkeitsmessung sein. Alternativ kann das zu messende Signal eine Impedanz der gekapselten MEMS-Vorrichtung 220 sein. Die gekapselte MEMS-Vorrichtung 220 kann einen zusätzlichen Prüfstift umfassen.
  • Die gekapselte MEMS-Vorrichtung kann mit Hilfe der folgenden Schritte hergestellt werden: optional Ausbilden eines Lochs im Träger zur Freilegung eines Teilabschnitts der MEMS-Vorrichtung; Anordnen eines ersten Chips, der eine MEMS-Vorrichtung wie einen Wandler umfasst, auf dem Träger; Anordnen eines zweiten Chips, der eine Signalverarbeitungsvorrichtung umfasst, auf dem Träger; elektrisches Verbinden des ersten Chips und des zweiten Chips; Umkapseln der MEMS-Vorrichtung und der Signalverarbeitungsvorrichtung mit einem Kapselungsmaterial; und optional Ausbilden eines Lochs im Kapselungsmaterial.
  • Alternativ wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung wie folgt gefertigt: optional Ausbilden eines Lochs im Träger zur Freilegung eines Teilabschnitts der MEMS-Vorrichtung; Anordnen eines integrierten Chips, der die MEMS-Vorrichtung (Wandler) und die Signalverarbeitungsvorrichtung umfasst, auf dem Träger; Umkapseln des Trägers mit einem Kapselungsmaterial und optional Ausbilden eines Lochs im Kapselungsmaterial.
  • In einer Ausführungsform wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung kalibriert, indem die Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung, z. B. des Silizium-Mikrofons, unmittelbar in der gekapselten MEMS-Vorrichtung gemessen wird. Da die Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung letztlich der zu steuernde Parameter ist, werden mögliche Einflüsse der Signalverarbeitungsvorrichtung und des Gehäuses selbst mit einbezogen. 3 zeigt ein Fließschema einer Kalibrierung der gekapselten MEMS-Vorrichtung. Das vorgeschlagene Kalibrierverfahren beinhaltet die folgenden Schritte: Die MEMS-Vorrichtung und die Signalverarbeitungsvorrichtung werden in einem einzelnen Gehäuse für eine MEMS-Vorrichtung, z. B. ein Mikrofongehäuse, zusammengefügt (Schritt 302). An die gekapselte MEMS-Vorrichtung wird ein definiertes Signal angelegt (Schritt 304). Das angelegte Signal kann einen definierten Schalldruck bei einer definierten Frequenz aufweisen. Beispielsweise liegt der definierte Schalldruck in einem Bereich von ca. 60 dB Schalldruckpegel (SPL) bis ca. 110 dB SPL und liegt die Frequenz in einem Bereich von ca. 100 Hz bis ca. 20 kHz. In einem besonderen Beispiel weist das Signal einen Schalldruck von ca. 94 dB SPL und eine Frequenz von ca. 1 kHz auf. Alternativ liegt der definierte Schalldruck in einem Bereich von ca. 80 dB SPL bis ca. 100 dB SPL und liegt die Frequenz in einem Bereich von ca. 500 Hz bis ca. 5 kHz.
  • Anschließend wird die Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung für das angelegte Signal gemessen (Schritt 306). Die Messung der Empfindlichkeit erfolgt beispielsweise durch Messung einer Amplitude des Ausgangssignals als Antwort auf das angelegte Signal. Die Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung kann mit externer Prüftechnik oder mit einer in die gekapselte MEMS-Vorrichtung und/oder die Signalverarbeitungsvorrichtung integrierten Validierungsschaltung gemessen werden. In Schritt 308 wird die gemessene Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung mit einer Soll-Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung verglichen. Anhand des Ergebnisses werden Werte für die Vorspannungs- und die Signalverarbeitungsverstärkung (Gain) ausgewählt (Schritt 310). Diese Werte können aus einer Nachschlagetabelle ausgewählt werden. In Schritt 318 werden schließlich diese Werte für die Vorspannungs- und die Signalverarbeitungsverstärkung, z. B. ASIC-Gain, programmiert und in dem Speicherelement wie einem Flash-Baustein, einem nichtflüchtigen Speicherbaustein und/oder einer Fuse-Struktur abgespeichert.
  • In einer Ausführungsform wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung kalibriert, indem die Resonanzfrequenz der gekapselten MEMS-Vorrichtung gemessen wird. Da die MEMS-Vorrichtung bei Anlegen der Resonanzfrequenz eine gekapselte Vorrichtung ist, werden mögliche Einflüsse des Gehäuses selbst und der Signalverarbeitungsvorrichtung in die Messung einbezogen. Eine gesonderte Kalibrierung der Signalverarbeitungsvorrichtung ist nicht notwendig.
  • 4 zeigt ein Fließschema für die Kalibrierung der gekapselten MEMS-Vorrichtung. Das Kalibrierverfahren umfasst Folgendes: In Schritt 402 werden die MEMS-Vorrichtung und die Signalverarbeitungsvorrichtung in einem einzelnen Gehäuse für eine MEMS-Vorrichtung, z. B. ein Mikrofongehäuse, zusammengefügt. Sodann wird die Resonanzfrequenz der gekapselten MEMS-Vorrichtung gemessen (Schritt 404). Die Resonanzfrequenz kann gemessen werden, indem eine Gleichstromvorspannung an die gekapselte MEMS-Vorrichtung angelegt wird. Die Gleichstromvorspannung liegt im normalen Betriebsbereich, z. B. von ca. 0,1 V bis ca. 5 V oder von ca. 0,1 V bis ca. 20 V. Die Gleichstromvorspannung wird mit einer Wechselspannung gemischt oder überlagert.
  • Die Wechselspannung kann kleiner sein als die Gleichstromvorspannung. Beispielsweise kann die Wechselspannung im Bereich von 0,1 V bis ca. 0,2 V liegen, alternativ kann die Wechselspannung im Bereich von ca. 0,1 V bis ca. 0,5 V liegen. Die Wechselspannung kann sinusförmig sein. Durch Variieren der Frequenz der sinusförmigen Spannung lässt sich die Resonanzfrequenz der gekapselten MEMS-Vorrichtung bestimmen. Beispielsweise kann die Resonanzfrequenz mit Hilfe eines Prüfgeräts wie eines Impedanzanalysators gemessen werden. Ein Vorteil besteht darin, dass die Resonanzfrequenz eine weitaus bessere Korrelation mit der MEMS-Empfindlichkeit aufweist als beispielsweise die Störimpulsspannung.
  • Die Resonanzfrequenz kann durch Messung der Impedanz der gekapselten MEMS-Vorrichtung gemessen werden. Beispielsweise wird die Resonanzfrequenz durch Änderung der Frequenz und Messung der Impedanz gemessen. Das Minimum der Impedanz zeigt die Resonanzfrequenz an. Die Impedanz der gekapselten MEMS-Vorrichtung kann mit externer Prüftechnik oder mit einer in der gekapselten MEMS-Vorrichtung und/oder der Signalverarbeitungsvorrichtung integrierten Validierungsschaltung gemessen werden.
  • Anschließend wird in Schritt 406 die Korrelation zwischen Resonanzfrequenz und MEMS-Empfindlichkeit wie folgt beschrieben: S = V b i a s x 0 k ρ S i ∗ t ∗ ƒ r e s 2
    Figure DE102013207233B4_0001
    wobei gilt: Vbias ist die Vorspannung für die gekapselte MEMS-Vorrichtung, x0 ist die Höhe des Luftspalts (oder des Abstands zwischen der beweglichen Elektrode und der Gegenelektrode), pSi ist die Dichte des Materials der beweglichen Elektrode, z. B. Silizium, t ist die Dicke der beweglichen Elektrode, fres ist die Resonanzfrequenz der beweglichen Elektrode und k ist eine Konstante. Resonanzfrequenzen fres werden typischerweise für einen Frequenzbereich von ca. 1 kHz bis ca. 200 kHz oder einen Bereich von ca. 5 kHz bis ca. 50 kHz gemessen.
  • Die gemessene Resonanzfrequenz fres wird mit einer Soll-Resonanzfrequenz fres-target verglichen (Schritt 408). Die gekapselte MEMS-Vorrichtung wird kalibriert, indem die Werte der Vorspannungs- und/oder Signalverarbeitungsverstärkung (z. B. ASIC-Gain) so eingestellt werden, dass die gemessene Resonanzfrequenz fres etwa ebenso groß ist wie die Soll-Resonanzfrequenz fres-target. Die neuen Werte können aus einer Nachschlagetabelle ausgewählt werden. Die Werte der Vorspannungs- und/oder der Signalverarbeitungsverstärkung werden programmiert und im Speicherelement der gekapselten MEMS-Vorrichtung abgespeichert (Schritt 410).
  • In einer Ausführungsform wird die MEMS-Vorrichtung, z. B. Mikrofon, kalibriert, indem die Resonanzfrequenz der MEMS-Vorrichtung selbst oder des Chips der MEMS-Vorrichtung (und nicht die Resonanzfrequenz der gekapselten MEMS-Vorrichtung) gemessen wird.
  • In einer Ausführungsform wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung kalibriert, indem die Kapazitätssteigung der gekapselten MEMS-Vorrichtung für mindestens zwei unterschiedliche Vorspannungen gemessen wird. Da die Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung letztlich der zu steuernde Parameter ist, werden jegliche möglichen Einflüsse der Signalverarbeitungsvorrichtung und des Gehäuses selbst in die Messung einbezogen. 5 zeigt ein Fließschema einer Kalibrierung der gekapselten MEMS-Vorrichtung.
  • Das Kalibrierverfahren umfasst Folgendes: Eine MEMS-Vorrichtung und eine Signalverarbeitungsvorrichtung werden in einer gekapselten MEMS-Vorrichtung zusammengefügt (Schritt 502). Danach wird ein erster Kapazitätswert für eine erste Vorspannung (Schritt 504) gemessen und wird ein zweiter Kapazitätswert für eine zweite Vorspannung gemessen (506). Beide Vorspannungen können kleiner sein als die Anzugsspannung. Beispielsweise liegen beide Vorspannungen jeweils unter ca. 4 V oder jeweils unter ca. 15 Volt. Im nächsten Schritt 508 wird die Steigung für C1-C2/V1-V2 (ΔC/ΔV) berechnet. Die Steigung der gekapselten MEMS-Vorrichtung kann mit externer Prüftechnik oder mit einer in der gekapselten MEMS-Vorrichtung und/oder der Signalverarbeitungsvorrichtung integrierten Validierungsschaltung berechnet werden.
  • Dann wird in Schritt 510 die berechnete/gemessene Steigung mit einer Soll-Steigung verglichen. Die gekapselte MEMS-Vorrichtung wird kalibriert, indem die Vorspannungs- und/oder Signalverarbeitungsverstärkung so eingestellt werden, dass die gemessene Steigung etwa ebenso groß ist wie die Soll-Steigung (Schritt 512). Diese Werte können aus einer Nachschlagetabelle ausgewählt werden. Die neuen Werte für die Vorspannungs- und/oder Signalverarbeitungsverstärkung werden schließlich bei 514 programmiert und im Speicherelement abgespeichert.
  • In einer Ausführungsform wird die MEMS-Vorrichtung, z. B. Mikrofon, kalibriert, indem die Steigung der MEMS-Vorrichtung selbst oder des Chips der MEMS-Vorrichtung (und nicht die Steigung der gekapselten MEMS-Vorrichtung) gemessen wird.
  • In einer Ausführungsform wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung durch eine Kombination der vorstehend genannten Messungen kalibriert. Beispielsweise wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung kalibriert, indem die Empfindlichkeit und die Kapazitätssteigung gemessen werden.
  • In einer Ausführungsform wird eine MEMS-Vorrichtung kalibriert, indem bei der Vorrichtung vor der Kapselung der MEMS-Vorrichtung mindestens eine einer Empfindlichkeit, einer Resonanzfrequenz oder einer Kapazitätssteigung gemessen werden. 6 zeigt ein Fließschema einer Kalibrierung und einer Kapselung der MEMS-Vorrichtung.
  • Das Kalibrierverfahren umfasst Folgendes: In einem ersten Schritt 602: Messung mindestens einer einer Empfindlichkeit, einer Resonanzfrequenz oder einer Kapazitätssteigung der MEMS-Vorrichtung. Die Empfindlichkeit, Resonanzfrequenz oder Kapazitätssteigung werden auf dem Wafer oder der vereinzelten Platte gemessen (gemessene Informationen). Die gemessenen Informationen werden beispielsweise auf einer Wafermap abgespeichert (Schritt 604). Danach werden die MEMS-Vorrichtung und eine Signalverarbeitungsvorrichtung zusammengefügt und zu einer gekapselten MEMS-Vorrichtung gepackt (Schritt 606). In Schritt 608 schließlich wird die gekapselte MEMS-Vorrichtung anhand der gemessenen Informationen programmiert. Beispielsweise werden die gemessenen Informationen mit den Soll-Informationen verglichen und werden Werte für die Vorspannung so gewählt, dass die gemessenen Informationen etwa identisch mit den Soll-Informationen sind. Die Werte für die Vorspannung werden im Speicherelement abgespeichert.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, ist zu beachten, dass hier verschiedene Änderungen, Substitutionen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom in den angehängten Ansprüchen definierten Wesen und Umfang der Erfindung abzuweichen.
  • Ferner ist der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht als auf die in der Beschreibung dargelegten besonderen Ausführungsformen des Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Zusammensetzung von Stoffen, Mitteln, Verfahren und Schritten beschränkt zu betrachten. Ein durchschnittlicher Fachmann wird der Offenlegung der vorliegenden Erfindung ohne Weiteres entnehmen, dass derzeit bestehende oder noch zu entwickelnde Prozesse, Maschinen, Herstellung und Zusammensetzungen von Stoffen, Mitteln, Verfahren und Schritten, die im Wesentlichen die gleiche Funktion wie die hier entsprechend beschriebenen Ausführungsformen erfüllen oder im Wesentlichen das gleiche Ergebnis wie diese erzielen, gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden können. Dementsprechend gilt für die angehängten Ansprüche, dass solche Prozesse, Maschinen, Herstellung, Zusammensetzungen von Stoffen, Mitteln, Verfahren oder Schritten in ihrem Umfang mit enthalten sind.

Claims (19)

  1. Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) umfassend: einen Träger (110); eine auf dem Träger (110) angeordnete MEMS-Vorrichtung (120, 220); eine auf dem Träger (110) angeordnete Signalverarbeitungsvorrichtung (230); eine auf dem Träger angeordnete Validierungsschaltung (236); und eine auf dem Träger angeordnete Kapselung (140), wobei die Kapselung (140) die MEMS-Vorrichtung (120, 220), die Signalverarbeitungsvorrichtung (230) und die Validierungsschaltung (236) kapselt wobei die Validierungsschaltung (236) konfiguriert ist, um eine Impedanz der MEMS-Vorrichtung (120, 220) für verschiedene Frequenzen zu messen, um die Resonanzfrequenz zu bestimmen, und/oder eine Steigung C1-C2/V1-V2 zu berechnen, wobei V1 eine erste Vorspannung, V2 eine zweite Vorspannung, C1 eine erste Kapazität der MEMS-Vorrichtung (120, 220), die bei der ersten Vorspannung Vi gemessen wird, und C2 eine zweite Kapazität der MEMS-Vorrichtung (120, 220), die bei der zweiten Vorspannung V2 gemessen wird, ist.
  2. Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Schallloch umfasst.
  3. Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend ein Speicherelement (235) und dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement (235) ein nichtflüchtiges Speicherelement oder eine Fuse-Struktur ist.
  4. Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherelement (235) in die Signalverarbeitungsvorrichtung (130, 230) integriert ist.
  5. Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die MEMS-Vorrichtung (120, 220) und die Signalverarbeitungsvorrichtung (130, 230) jeweils in einem einzelnen Chip angeordnet sind.
  6. Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die MEMS-Vorrichtung (120, 220) ein Silizium-Mikrofon ist und die Signalverarbeitungsvorrichtung (130, 230) ein Verstärker ist.
  7. Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (110) eine Leiterplatte ist, und dadurch gekennzeichnet, dass die Kapselung (140) eine akustische Kapselung ist.
  8. Gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Validierungsschaltung (236) in der Signalverarbeitungsvorrichtung (130, 230) angeordnet ist.
  9. Verfahren zur Kalibrierung einer gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anlegen (304) eines Signals an die gekapselte MEMS-Vorrichtung (100, 200); Messen (306) einer Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200) durch eine Validierungsschaltung (236), die auf einem Träger (100) der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200) angeordnet ist; Vergleichen (308) der gemessenen Empfindlichkeit mit einer Soll-Empfindlichkeit der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200); Auswählen (310) von Werten für mindestens eine einer Vorspannung und einer Signalverarbeitungsverstärkung; und Abspeichern (312) der Werte in einem Speicherelement (235) der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal einen Schalldruck von ca. 60 dB SPL bis ca. 110 dB SPL und eine Frequenz von ca. 100 Hz bis ca. 20 kHz aufweist.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal einen Schalldruck von ca. 80 dB SPL bis ca. 100 dB SPL und eine Frequenz von ca. 500 Hz bis ca. 5 kHz aufweist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsverstärkung ein Verstärker-Gain ist.
  13. Verfahren zur Kalibrierung einer gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen (404) einer Resonanzfrequenz der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200) durch Messung der Impedanz der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200) für verschiedene Frequenzen durch eine Validierungsschaltung (236), die auf einem Träger (110) der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200) angeordnet ist; Vergleichen (406) der Resonanzfrequenz mit einer Soll-Resonanzfrequenz der MEMS-Vorrichtung (100, 200); Auswählen (408) von Werten für mindestens eine einer Vorspannung und einer Signalverarbeitungsverstärkung; und Abspeichern (410) der Werte in einem Speicherelement (235) in der gekapselten MEMS-Vorrichtung.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Messen (404) der Resonanzfrequenz das Anlegen einer mit einer Wechselspannung überlagerten Gleichstromvorspannung und das Ändern einer Frequenz der Wechselspannung umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannung eine sinusförmige Spannung ist.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsverstärkung ein Verstärker-Gain ist.
  17. Verfahren zur Kalibrierung einer gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200), wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Messen (504) einer ersten Kapazität der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200) für eine erste Vorspannung; Messen (506) einer zweiten Kapazität der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200) für eine zweite Vorspannung; Berechnen (508) einer Steigung einer Differenz zwischen der ersten Vorspannung und der zweiten Vorspannung sowie einer ersten Kapazität und einer zweiten Kapazität; Vergleichen (510) der berechneten Steigung mit einer Soll-Steigung; Einstellen (512) von Werten für mindestens eine einer Vorspannung und einer Signalverarbeitungsverstärkung, so dass die berechnete Steigung etwa ebenso groß ist wie die Soll-Steigung; und Abspeichern (514) der Werte in einem Speicherelement (235) der gekapselten MEMS-Vorrichtung (100, 200).
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungsverstärkung ein Verstärker-Gain ist.
  19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorspannung und die zweite Vorspannung jeweils kleiner sind als 4 V oder jeweils kleiner sind als 15 V.
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