DE102015104879B4

DE102015104879B4 - Druckerfassungssystem und Dynamischer Drucksensor

Info

Publication number: DE102015104879B4
Application number: DE102015104879.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Wiesbauer; Alfons Dehe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2020-12-10
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: KR101905241B1; KR20150113915A; US9494477B2; US20150276529A1; CN104949790B; US10393606B2; US20170052083A1; DE102015104879A1; CN104949790A

Abstract

Druckerfassungssystem, das Folgendes umfasst:einen dynamischen Drucksensor (104), wobei der dynamische Drucksensor (104) eingerichtet ist, um Druckänderungen einschließlich Frequenzkomponenten in einem ersten Frequenzbereich zu erfassen, wobei der dynamische Drucksensor (104) einen als kapazitives mikroelektromechanisches System implementierten Drucksensor umfasst, wobei der Drucksensor Folgendes umfasst:eine auslenkbare Membran (208, 228, 248, 268, 408), die ein Referenzvolumen (212, 232, 252, 272, 426) abschließt;eine Ventilationsöffnung (216, 236, 256, 276, 410), die eingerichtet ist, einen Absolutdruck innerhalb des Referenzvolumens (212, 232, 252, 272, 426) mit einem absoluten Umgebungsdruck außerhalb des Referenzvolumens (212, 232, 252, 272, 426) anzugleichen; undeine perforierte Rückenplatte (210, 270a, 270b, 416), die kapazitiv mit der auslenkbaren Membran (208, 228, 248, 268, 408) gekoppelt ist und zu der auslenkbaren Membran (208, 228, 248, 268, 408) außerhalb des Referenzvolumens versetzt ist,eine integrierte Schaltung, die mit dem dynamischen Drucksensor (104) gekoppelt ist, wobei die integrierte Schaltung eingerichtet ist, ein digitales Drucksignal auf Grundlage der erfassten Druckänderungen zu erzeugen; undeinen Anwendungsprozessor (308), der mit der integrierten Schaltung gekoppelt ist, wobei der Anwendungsprozessor (308) eingerichtet ist, eine Höhenänderung durch Integration des digitalen Drucksignals zu bestimmen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Sensortechnologien und genauer gesagt auf ein Druckerfassungssystem und einen dynamischen Drucksensor.
Hintergrund der Erfindung
Messwandler, die Signale von einem Messbereich in einen anderen konvertieren, werden oft in Sensoren eingesetzt. Ein weit verbreiteter Sensor, der einen Messwandler umfasst, ist ein Drucksensor, der Druckunterschiede und/oder Druckänderungen in elektrische Signale umwandelt. Drucksensoren sind für zahlreiche Anwendungen wie beispielsweise Luftdruckmessungen, Höhenmessungen und Wetterbeobachtungen geeignet.
Auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basierende Sensoren umfassen eine ganze Reihe an Messwandlern, die unter Verwendung von Mikrobearbeitungstechnologien hergestellt werden. MEMS, beispielsweise ein MEMS-Drucksensor, sammeln Informationen aus der Umgebung, indem sie Änderungen des Aggregatzustands im Messwandler messen und das zu verarbeitende Signal durch die mit dem MEMS-Sensor verbundene Elektronik übertragen. MEMS-Vorrichtungen können unter Verwendung von Mikrobearbeitung-Fertigungsverfahren hergestellt werden, die denen für die Herstellung von integrierten Schaltungen ähneln.
MEMS-Vorrichtungen können dahingehend konzipiert sein, dass sie beispielsweise als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrofone und/oder Mikrospiegel einsetzbar sind. Viele MEMS-Vorrichtungen nutzen kapazitive Messtechniken, um physikalische Erscheinungen in elektrische Signale umzuwandeln. Bei solchen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung im Sensor mittels Schnittstellenschaltungen in ein Spannungssignal umgewandelt.
Drucksensoren können zudem als kapazitive MEMS-Vorrichtungen umgesetzt werden, die ein geschlossenes Volumen und eine auslenkbare Membran umfassen. Ein Druckunterschied zwischen dem geschlossenen Volumen und einem externen Volumen, zum Beispiel in einigen Fällen die unmittelbare Umgebung, bewirkt, dass die Membran ausgelenkt wird. Im Allgemeinen bewirkt die Auslenkung der Membran eine Änderung des Abstands zwischen der Membran und einer Messelektrode, so dass sich die Kapazität ändert. Somit misst der Drucksensor den Absolutdruck, da das geschlossene Volumen einen festen Referenzdruck zum Vergleich mit einem Außendruck liefert.
Die Druckschrift DE 11 2007 002 441 T5 beschreibt ein nichtgerichtetes Miniaturmikrofon. Die Druckschrift US 2007 / 0 113 664 A1 beschreibt einen kapazitiven mikrobearbeiteten akustischen Wandler. Die Druckschrift DE 10 2013 203 180 A1 beschreibt eine verstellbare Ventilationsöffnungen in MEMS-Aufbauten.
Die US 2014 / 0 053 651 A1 und die US 2004 / 0 250 625 A1 offenbaren jeweils Drucksensoren, bei welchen eine Membran, welche Öffnungen aufweist, durch ein elektrisches Signal in Schwingungen versetzt wird. Aus der Antwort der Membran auf dieses elektrische Signal wird auf den Druck geschlossen.
Die US 2002 / 0 067 663 A1 offenbart ein Mikrofon, bei welchem eine Membran Membranöffnungen aufweist.
Die US 5 452 268 A offenbart einen Akustischen Wandler mit verbesserter Frequenzantwort bei niedrigen Frequenzen. Eine Membran weist dabei einen Schlitz auf, um einen Druckausgleich zum Definieren der Frequenzantwort bei niedrigen Frequenzen zu ermöglichen.
Die US 2009 / 0 290 741 A1 offenbart ein gegen Windgeräusche unempfindliches Mikrofon mit einer Tiefpassfilterfunktion, die eine Grenzfrequenz über etwa 100Hz aufweist.
Die US 2014 / 0 084 396 A1 offenbart ein kapazitives MEMS-Mikrofon, welches eine variable Ventilöffnungsstruktur aufweist, um das Mikrofon unempfindlicher gegenüber akustischen Schockwellen zu machen.
Die US 2011 / 0 272 769 A1 offenbart ein MEMS-Mikrofon mit einer Membran und einer Rückplatte, wobei ein zusätzlicher Belüftungspfad ausgebildet ist, um Innendruck und Außendruck besser auszugleichen.
Die US 2006 / 0233 401 A1 offenbart ein kapazitives MEMS-Mikrofon, bei dem Löcher in einer Membran ausgebildet sind, um eine untere Grenzfrequenz für eine Sensitiviät des Mikrofons einzustellen.
Die US 2009 / 0 196 129 A1 offenbart eine Herangehensweise zum Messen des Atmosphärendrucks, bei der ein Sender eine akustische Welle aussendet, die von einem Empfänger empfangen wird. Aus der Intensität der Welle wird auf den Druck geschlossen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Möglichkeiten zur Druckmessung bereitzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Es werden ein Druckerfassungssystem nach Anspruch 1 sowie ein dynamischer Drucksensor nach Anspruch 7 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
Figurenliste
Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun gemeinsam mit den begleitenden Zeichnungen auf die nachstehenden Beschreibungen Bezug genommen, wobei gilt:

1a-1e stellen funktionale Blockdiagramme von beispielhaften dynamischen Drucksensorsystemen und ihren Bestandteilen dar;
2a und 2b stellen eine Schnittansicht und eine Draufsicht eines beispielhaften dynamischen Drucksensors dar;
3a und 3b stellen eine graphische Darstellung der Frequenzkennlinien beispielhafter dynamischer Drucksensoren dar;
4 stellt eine Schnittansicht eines anderen beispielhaften dynamischen Drucksensors dar;
5 stellt eine Schnittansicht eines weiteren beispielhaften dynamischen Drucksensors dar;
6 stellt eine Schnittansicht eines zusätzlichen beispielhaften dynamischen Drucksensors dar;
7 stellt eine Schnittansicht wieder eines anderen beispielhaften dynamischen Drucksensors dar;
8 stellt ein Blockdiagramm eines beispielhaften dynamischen Drucksensorsystems dar;
9a und 9b stellen Blockdiagramme weiterer beispielhafter dynamischer Drucksensorsysteme dar;
10 stellt ein ausführliches Blockdiagramm eines beispielhaften dynamischen Drucksensorsystems dar;
11a-11r stellen einen Herstellungs-Verfahrensablauf für den beispielhaften dynamischen Drucksensor aus 4 dar;
12a-12h stellen einen Herstellungs-Verfahrensablauf für den beispielhaften dynamischen Drucksensor aus 5 dar; und
13 stellt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Betriebsweise eines dynamischen Drucksensorsystems dar.

Übereinstimmende Ziffern und Symbole in den unterschiedlichen Figuren beziehen sich im Allgemeinen auf übereinstimmende Bestandteile, sofern nicht anderweitig angegeben. Die Figuren wurden erstellt, um die relevanten Aspekte der Ausführungsbeispiele zu illustrieren und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
Ausführliche Beschreibung der illustrativen
Ausführungsbeispiele
Die Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsbeispiele werden untenstehend im Detail erörtert. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele in einer Vielzahl spezifischer Zusammenhänge angewendet werden können. Die erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele dienen lediglich als Illustration spezifischer Methoden zur Herstellung und Verwendung verschiedener Ausführungsbeispiele und dürfen nicht als Einschränkung ausgelegt werden.
Die Beschreibungen beziehen sich auf verschiedene Ausführungsbeispiele in einem spezifischen Zusammenhang, namentlich Drucksensoren und insbesondere dynamische Drucksensoren. Einige der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen MEMS-Wandlersysteme, MEMS-Drucksensoren, Druckwandler und MEMS-Druckwandlersysteme, dynamische MEMS-Drucksensoren, piezoelektrische Drucksensoren und dynamische und absolute Drucksensoren umfassende Drucksensorsysteme. Beispielhafte Anwendungsumgebungen werden für Innenraum-Navigation vorgestellt; solche Beispiele dienen jedoch keinesfalls als Einschränkung. In anderen Ausführungsbeispielen können Aspekte auch anderen Anwendungen zugeordnet werden, wozu alle beliebigen Formen von Drucksensoren oder Wandlern gehören, die ein physikalisches Signal für jede beliebige Anwendung in jeder beliebigen im Stand der Technik bekannten Weise in einen anderen Messbereich umwandeln.
Drucksensoren können in einer Vielzahl von Anwendungen wie beispielsweise Innenraum-Navigation und Gestenerkennung verwendet werden. Bei solchen Anwendungen führen sehr geringe Höhenänderungen zu sehr geringen Druckänderungen. So entspricht beispielsweise eine Druckänderung von 0,02 Millibar (mbar) oder 2 Pascal (Pa) einer Höhenänderung von etwa 20 cm. Herkömmliche Absolutdrucksensoren umfassen im Allgemeinen ein geschlossenes Referenzvolumen und weisen einen Druckbereich von etwa 1300 mbar mit einer Auflösung von etwa 0,02 mbar auf.
Gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele wird hierin ein dynamischer Drucksensor mit erhöhter Empfindlichkeit offenbart. In verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor eine Messmembran mit einer Ventilationsöffnung oder einer Gruppe von Ventilationsöffnungen. Die Ventilationsöffnung gleicht langsam den Druck zwischen einem Referenzvolumen und einem externen Volumen, beispielsweise der unmittelbaren Umgebung, an. Ein solcher dynamischer Drucksensor ist fähig, Druckänderungen innerhalb eines bestimmten Zeitraumes zu erfassen. Im Allgemeinen umfassen Druckänderungen im Infraschallbereich, beispielsweise für Navigation und Gestenerkennung, auch Druckänderungen mit Frequenzen unterhalb 20 Hz. Verschiedene hierin beschriebene dynamische Drucksensoren können Druckänderungen im Infraschallbereich erfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden Druckänderungen mit Frequenzen zwischen 0,1 Hz und 10 Hz erfasst, was Druckänderungen entspricht, die in einem Zeitraum zwischen 1 und 10 Sekunden auftreten. Bei einigen Ausführungsbeispielen verhindert die Ventilationsöffnung das Messen des Absolutdrucks. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen hat ein solcher dynamischer Drucksensor beispielsweise eine erhöhte Auflösung von etwa 0,0002 mbar und ist fähig, Höhenänderungen von weniger als 1 cm zu erkennen.
Die 1a-1e stellen funktionale Blockdiagramme der beispielhaften dynamischen Drucksensorsysteme 100, 101 und 103 sowie beispielhafter Bauteile dar. Das in 1a abgebildete dynamische Drucksensorsystem 100 umfasst Druckänderung 102, dynamischen Drucksensor 104, Verarbeitungsschaltung 106 und Positionssignal 108. Die Druckänderung 102 zeigt beispielsweise eine Person, die eine Treppe hochsteigt. Dabei gleicht jede Stufe einem Anstieg von etwa 15-20 cm. Wie oben erwähnt entspricht ein solcher Anstieg einer Druckänderung von etwa 0,01-0,02 mbar pro Stufe. Die Druckänderung 102 wird vom dynamischen Drucksensor 104 erfasst. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor 104 einen Bandpass-Frequenzgang mit einer unteren Grenzfrequenz von 0,1 Hz und einer oberen Grenzfrequenz von 10 Hz. Eine Druckänderung bei jeder Stufe in der Druckänderung 102 erfolgt mit einer Frequenz, die innerhalb dieses zugelassenen Frequenzbereichs liegt (d.h. 0,1-10 Hz). Die erfasste Druckänderung kann dann an die Verarbeitungsschaltung 106, die die Druckänderungen dokumentiert, geliefert werden. Die Verarbeitungsschaltung 106 kann mit digitaler oder analoger Elektronik als Integrator oder mittels Verwendung verschiedener Formen von Filtern oder anderer Funktionsblöcke umgesetzt werden, wie untenstehend weiter beschrieben wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen erzeugen die verarbeiteten Druckänderungen ein Erhebungs- oder Positionssignal 108. Bei einigen Ausführungsbeispielen entspricht das Positionssignal 108 einem Signal über eine Änderung der vertikalen Position.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel wird ein Schwellenpegel festgelegt, so dass ein gewisser Algorithmus zur Gestenerkennung ausgelöst wird, wenn der Schwellenpegel überschritten wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen bestimmt die Integration des Ausgangssignals des dynamischen Drucksensors 104 den Absolutdruck. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Umkehr-Hochpassfilter verwendet werden (wie dies Bezug nehmend auf 3b erörtert wird), so dass sowohl das dynamische als auch das absolute Drucksignal bestimmt werden. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann ein Zähler verwendet werden, um die Anzahl der an- und absteigenden Ereignisse, die einen positiven und/oder negativen Schwellenwert überschreiten, zu zählen, damit Gesten- oder Navigationsinformationen bestimmt werden können. Solche verschiedenen Funktionen können in der Verarbeitungsschaltung 106 vorgenommen werden, die in einem Anwendungsprozessor oder in einem anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC), der direkt mit dem dynamischen Drucksensor 104 gekoppelt ist, umgesetzt werden können. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die Verarbeitungsschaltung 106 in einem ersten Teil durch einen ASIC und in einem zweiten Teil durch einen Anwendungsprozessor umgesetzt.
Das in 1b abgebildete dynamische Drucksensorsystem 101 umfasst Druckänderung 102, dynamischen Drucksensor 104, Verarbeitungsschaltung 106, statischen Drucksensor 110, Multiplexer 112 und Drucksignal 114. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor 104 eine Ventilationsöffnung in einer Messmembran, die verhindert, dass der Absolutdruck gemessen werden kann. Das Einschließen eines statischen (absoluten) Drucksensors 110 in System 101 ermöglicht dem System 101, hochauflösende Druckänderungen und den Absolutdruck zu erfassen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können dynamischer Drucksensor 104 und statischer Drucksensor 110 in bestimmten Anwendungsszenarien gemeinsam oder in anderen Anwendungsszenarien getrennt verwendet werden. Beispielsweise kann der statische Drucksensor 110 den Luftdruck messen und für Wetteranwendungen eingesetzt werden, während der dynamische Drucksensor 104 geringe Höhenänderungen für Innenraum-Navigation oder Gestenerkennung wie oben beschrieben erfassen kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen liefern dynamischer Drucksensor 104 und Verarbeitungsschaltung 106 ein Signal über die Änderung der Erhebung an den Multiplexer 112, und der statische Drucksensor 110 liefert den Absolutdruck an den Multiplexer 112. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann das Drucksignal 114 abhängig davon, welcher Eingang des Multiplexers 112 ausgewählt wurde, ein Absolutdrucksignal oder ein Druckänderungs-/Erhebungsänderungs-Signal umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Multiplexer 112 durch eine modifizierte Summierungsfunktion ersetzt werden, die Druckänderungssignale mit Absolutdrucksignalen kombiniert, um ein genaueres Drucksignal 114 zu erzeugen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann, wenn die Verarbeitungsschaltung 106 einen Integrator umfasst, das statische Drucksignal des statischen Drucksensors 110 verwendet werden, um den Integrator in der Verarbeitungsschaltung 106 in die Grundstellung zurückzusetzen, um ein durch unerwünschten Offset des dynamischen Drucksensors 104 verursachtes Driften des Ausgangssignals des Integrators zu vermeiden.
Die 1c und 1d stellen Blockdiagramme zweier beispielhafter Verarbeitungsschaltungen 106 dar. 1c stellt eine beispielhafte Verarbeitungsschaltung 106 dar, die AC-Kopplung 105, Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 107 und Digitalfilter 109 umfasst. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann der Digitalfilter 109 als Umkehr-Hochpassfilter, wie Bezug nehmend auf untenstehende 3b beschrieben, oder als eine andere Form einer Integrationsfunktion umgesetzt werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine beliebige Form einer Druckverlauf-Verfolgungsfunktion in der Verarbeitungsschaltung 106 umgesetzt werden.
1d stellt eine beispielhafte Verarbeitungsschaltung 106 dar, die Offset-Korrektur 111 und eine Entzerrerschaltung 113 umfasst. Die Offset-Korrektur 111 kann ein Eingangssignal vom dynamischen Drucksensor 104 in Grundstellung zurücksetzen, um ein Offset-Driften des Ausgangssignals zu entfernen oder zu verhindern. Der Entzerrer 113 kann spezifische Frequenzbereiche verstärken oder spezifische Frequenzbereiche filtern, um gewisse mit dynamischen Druckänderungen in Beziehung stehende Signale zu entzerren oder zu betonen. So kann der Entzerrer 113 beispielsweise Signale mit Frequenzkomponenten zwischen 0,1 und 10 Hz verstärken oder zulassen, während die Auswirkungen von Frequenzen außerhalb dieses Frequenzbereichs entfernt oder vermindert werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Verarbeitungsschaltung 106 als Kombination beliebiger der vorliegenden Ausführungsbeispiele umgesetzt werden. So kann beispielsweise die Verarbeitungsschaltung 106 einen analogen Tiefpassfilter, einen digitalen Tiefpassfilter, einen mit digitaler oder analoger Schaltung umgesetzten Integrationsblock oder Kombinationen solcher Bauteile, die in den in den 1c und 1d beschriebenen Ausführungsbeispielen enthalten sind, umfassen. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die Verarbeitungsschaltung 106 funktionieren, um Absolutdrucksignale zu entfernen und eine dynamische Druckänderung zu bestimmen, um beispielsweise Höhenänderungen zu bestimmen oder Gestenerkennung vorzunehmen.
1e stellt ein anderes Funktionsblockdiagramm eines anderen beispielhaften dynamischen Drucksensorsystems 103 dar, das einen Tonverarbeitungspfad und einen Höhenverarbeitungspfad umfasst. Ein Mikrofon 115, beispielsweise ein MEMS-Mikrofon, erfasst und übermittelt Höhenänderungen und Audiosignalen entsprechende Druckänderungen. So können beispielsweise Drucksignale mit Frequenzkomponenten zwischen 0,1 und 10 Hz Höhenänderungen entsprechen, während Drucksignale mit Frequenzkomponenten oberhalb 10 Hz und bis zu etwa 20 kHz Audiosignalen entsprechen können. Die vom Mikrofon 115 übermittelten Drucksignale werden vom Verstärker 117 verstärkt und parallel der Tonverarbeitungsschaltung 116 und der Höhenverarbeitungsschaltung 118 zugeführt. Bei solchen Ausführungsbeispielen werden die Audiosignale abgetrennt und an eine Tonschaltung, beispielsweise einen Lautsprecher 119, geliefert, und die Höhensignale werden abgetrennt und an eine Positionsschaltung 108 geliefert. Die Höhenverarbeitungsschaltung 118 kann Bauteile wie zum Beispiel die Bezug nehmend auf die anderen Figuren beschriebene Verarbeitungsschaltung 106 umfassen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können Tonverarbeitungsschaltung 116 und Höhenverarbeitungsschaltung 118 in einem selben Anwendungsprozessor enthalten sein, wie mittels der gestrichelten Linie gezeigt wird. Bei bestimmten Ausführungsbeispielen kann ein Steuersignal STRG jede Schaltung jeweils aktivieren oder deaktivieren. Ein anwendungsspezifischer Schaltkreis ASIC kann einen Verstärker 117 sowie andere Verarbeitungselemente wie beispielsweise Filter umfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst eine einzelne IC ein Mikrofon 115 als MEMS-Mikrofon und einen Verstärker 117.
Die 2a und 2b stellen eine Schnittansicht und eine Draufsicht eines beispielhaften dynamischen Drucksensors 104 dar. 2a zeigt die Schnittanschnitt des dynamischen Drucksensors 104, der eine auslenkbare Membran 120, ein Referenzvolumen 122, ein Substrat 124 und ein Auslenkungsmesselement 126 umfasst. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bewirkt der Druckunterschied beim Auftreten einer Druckänderung außerhalb des Referenzvolumens 122, dass die Membran 120 ausgelenkt wird. Das Auslenkungsmesselement 126 erfasst die Auslenkung der Membran 120 und erzeugt ein ausgehendes Drucksignal (nicht dargestellt). Das Auslenkungsmesselement ist mit der Membran 120 durch verschiedene Kopplungsmittel, dargestellt als Kopplung 128, gekoppelt. Wie oben aufgeführt umfasst der dynamische Drucksensor 104 einen Bandpass-Frequenzgang mit einem Band zwischen einer unteren Grenzfrequenz f_L (z.B. 0,1 Hz) und einer oberen Grenzfrequenz f_H (z.B. 10 Hz) .
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die Membran 120 eine Ventilationsöffnung 130. Der Radius der Ventilationsöffnung, der die ebene Fläche bestimmt, steuert die untere Grenzfrequenz f_L des Bandpass-Frequenzganges. Erfolgt die Druckänderung mit einer Frequenz unterhalb der unteren Grenzfrequenz f_L, gleicht die Ventilationsöffnung 130 den Druck außerhalb des Referenzvolumens 122 und den Druck innerhalb des Referenzvolumens 122 an, bevor die Membran 120 ausgelenkt wird. Ist beispielsweise f_L = 0,1 Hz, wird eine Druckänderung, die länger als 10 Sekunden andauert, durch die Ventilationsöffnung 130 angeglichen und bewirkt nicht, dass die Membran 120 ausgelenkt wird.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen verhindert die obere Grenzfrequenz f_H, dass der dynamische Drucksensor 104 rasche Druckänderungen wie Schallwellen erfasst. Wird zum Beispiel eine Tür laut zugeschlagen oder laute Musik abgespielt, erfolgt keine Erhebungsänderung. Die obere Grenzfrequenz f_H kann so festgelegt werden, dass die Auswirkungen solcher Schallwellen beseitigt werden und nur Druckänderungen niedrigerer Frequenz erfasst werden, beispielsweise f_H = 10 Hz. Die obere Grenzfrequenz f_H kann mittels verschiedener mechanischer oder elektronischer Merkmale festgelegt werden, wie untenstehend Bezug nehmend auf spezifischere Ausführungsbeispiele beschrieben werden wird.
2b stellt eine Draufsicht eines beispielhaften dynamischen Drucksensors 104 dar, der Membran 120 und Auslenkungsmesselement 126 umfasst. Eine generische Kopplung 128 verkörpert die Kopplung zwischen Auslenkungsmesselement 126 und Membran 120. Die Membran 120 umfasst Ventilationsöffnung 130. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die Membran 120 mehrere Ventilationsöffnungen. Die in der Draufsicht sichtbare ebene Fläche der Ventilationsöffnung beeinflusst die untere Grenzfrequenz f_L, wie obenstehend erörtert wurde. Sind mehrere Ventilationsöffnungen enthalten, beeinflusst die gesamte summierte ebene Fläche aller Ventilationsöffnungen die untere Grenzfrequenz f_L. Andere Faktoren können die oberen und unteren Grenzfrequenzen wie untenstehend erörtert beeinflussen.
Die 3a und 3b stellen eine graphische Darstellung der Frequenzkennlinien 135 und 140 beispielhafter dynamischer Drucksensoren dar. 3a stellt einen Bandpass-Frequenzgang für die Empfindlichkeit eines beispielhaften dynamischen Drucksensors dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die oberen und die unteren Grenzfrequenzen f_H und f_L Eckfrequenzen für den Bandpass-Frequenzgang. Außerhalb des Bandpass-Frequenzgangs nimmt die Empfindlichkeit rasant ab. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die an der Kennlinie 135 dargestellte Empfindlichkeit in einem logarithmischen Maßstab und vermittelt Änderungen der Größenordnung. Somit werden gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen Druckänderungen, die innerhalb des Bandes auftreten, mit hoher Empfindlichkeit erfasst, und Druckänderungen außerhalb des Bandes werden nicht mit hoher Empfindlichkeit erfasst (z.B. abgeschwächt). Bei einigen Ausführungsbeispielen ist f_L = 0,1 Hz und f_H = 100 Hz. Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird die obere Grenzfrequenz weiterhin auf f_H = 10 Hz begrenzt. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die untere Grenzfrequenz auf f_L = 0,5 Hz erhöht. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der Bandpass einen beliebigen Umfang zwischen f_L = 0 Hz und f_H = 1000 Hz umfassen.
3b stellt einen Bandpass-Frequenzgang für einen Filter dar, der in einem beispielhaften dynamischen Drucksensor verwendet wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird die verwendbare Bandbreite nicht durch die untere Grenzfrequenz f_L begrenzt, da eine Nachverarbeitung übermittelter Signale vorgenommen werden kann. Insbesondere zeigt die Kennlinie 140 die Umsetzung eines Filters eines Integrators, der die verwendbare Bandbreite eines beispielhaften dynamischen Drucksensors unterhalb der unteren Grenzfrequenz f_L erweitert. Ein solcher Filter kann als eine analoge Filterschaltung, als ein digitaler Logikfilter oder als ein Softwarefilter in einer beliebigen Form von Nachverarbeitungsblock umgesetzt sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen ermöglicht ein solcher Filter eine Nachverfolgung des Absolutdrucks. Weiterhin können bei verschiedenen Ausführungsbeispielen die oberen und unteren Grenzfrequenzen f_H und f_L als mechanische Filter, elektrische Filter oder Kombination aus mechanischen und elektrischen Filtern umgesetzt werden.
4 stellt eine Schnittansicht eines anderen beispielhaften dynamischen Drucksensors 200 dar, der eine Umsetzung des dynamischen Drucksensors 104 sein kann. Der dynamische Drucksensor 200 wird in ähnlicher Weise wie ein MEMS-Mikrofon hergestellt, wie Bezug nehmend auf die 11a-11r untenstehend beschrieben wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor 200 Substrat 204, Seitenwände 206, auslenkbare Membran 208, starre Rückenplatte 210 und Hohlraum 212. Die Rückenplatte 210 ist von der Membran 208 durch Abstandshalter 214 getrennt. Die Membran 208 umfasst eine Ventilationsöffnung 216, und die Rückenplatte 210 umfasst Perforationen 218.
Bei einigen Ausführungsbeispielen erzeugt eine Druckänderung in der unmittelbaren Umgebung einen Druckunterschied zwischen dem Hohlraum 212 und der unmittelbaren Umgebung, was bewirkt, dass die Membran 208 ausgelenkt wird. Die Auslenkung der Membran 208 ändert den Abstand zwischen Membran 208 und Rückenplatte 210. Die Abstandsänderung ändert die wirksame Kapazität zwischen den beiden Platten und erzeugt ein übermitteltes elektrisches Signal auf einer Ausgabeelektrode (nicht dargestellt). Das übermittelte elektrische Signal entspricht der aufgetretenen Druckänderung. Wie obenstehend kurz erörtert wurde, umfasst der dynamische Drucksensor 200 einen Bandpass-Frequenzgang. Somit werden nur Druckänderungen, die auf Frequenzen innerhalb des Bandpassbereichs auftreten, erfasst. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der dynamische Drucksensor 200 als MEMS-Mikrofon umgesetzt werden, und der Bandpass-Frequenzgang kann durch digitale oder analoge Filter umgesetzt werden. In einem solchen Ausführungsbeispiel kann das MEMS-Mikrofon mit einem schalldämpfenden Material wie beispielsweise Schaum ummantelt oder isoliert sein, um Störgeräusche für eine bessere dynamische Druckerfassung zu verringern.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen beeinflusst die Größe (ebene Fläche) der Ventilationsöffnung 216 die untere Grenzfrequenz f_L, und die Größe und Anzahl der Perforationen 218 beeinflusst die obere Grenzfrequenz f_H. Bei weiteren Ausführungsbeispielen beeinflusst zudem die Masse der Membran 208 die obere Grenzfrequenz f_H. In noch weiteren Ausführungsbeispielen können andere Faktoren die oberen und unteren Grenzfrequenzen f_H und f_L regulieren. Beispielsweise können das Volumen des Hohlraums, die Größe der Membran (festgelegt durch den Radius des Hohlraums), die Dicke der Membran und weitere Merkmale die oberen und unteren Grenzfrequenzen f_H und f_L beeinflussen. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel wird die untere Grenzfrequenz f_L proportional durch die folgende Gleichung angegeben: $f_{L} \propto \frac{N_{vent} D_{vent}^{3}}{V}$
wobei N_vent die Anzahl der Ventilationsöffnungen ist, D_Vent der Durchmesser der Ventilationsöffnungen ist und V das Volumen dieses Hohlraums ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird eine Ventilationsöffnung 216 in der Membran 208 festgelegt, und N_vent = 1. Die Ventilationsöffnung 216 kann wie gezeigt in der Mitte platziert sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Membran 208 mehrere Ventilationsöffnungen umfassen, und N_vent > 1. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die Ventilationsöffnungen entlang der Peripherie der Membran 208 verteilt sein, und der Durchmesser D_Vent jeder Öffnung ist kleiner als im Fall von N_vent = 1. Bei einem besonderen Beispiel ist N_vent kleiner als 30, D_vent kleiner als 10 µm und V kleiner als 15 mm³. Bei anderen Beispielen wird D_Vent erhöht, wenn N_vent verringert wird. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist D_Vent gleich etwa 5 µm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen hat die Rückenplatte 210 eine Dicke zwischen 0,5 µm und 5 µm, haben die Perforationen 218 Durchmesser zwischen 0,5 µm und 10 µm, hat die Membran 208 eine Dicke zwischen 0,1 µm und 1 µm, hat der Hohlraum 212 einen Durchmesser zwischen 0,2 mm und 2 mm und eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm und ist der von den Abstandshaltern 214 festgelegte Trennungsabstand zwischen Rückenplatte 210 und Membran 208 zwischen 0,5 µm und 5 µm.
5 stellt eine Schnittansicht eines weiteren beispielhaften dynamischen Drucksensors 201 dar, der für eine Umsetzung des dynamischen Drucksensors 104 verwendet werden kann. Der dynamische Drucksensor 201 wird in ähnlicher Weise wie herkömmliche MEMS-Drucksensoren hergestellt, wie Bezug nehmend auf die 12a-12h untenstehend beschrieben wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor 201 Substrat 224, Elektrode 230, Membran 228 und Hohlraum 232. Die Membran 228 umfasst eine Ventilationsöffnung 236. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst die Ventilationsöffnung 236 mehrere Ventilationsöffnungen, die an beliebiger Stelle auf der Membran 228, beispielsweise entlang der Peripherie des Hohlraums 232, verteilt sein können. Die Membran 228 ist von der Elektrode 230 durch Isolatoren 234 getrennt.
Ähnlich dem dynamischen Drucksensor 200 bewirkt eine Druckänderung in der unmittelbaren Umgebung, dass die Membran 228 des dynamischen Drucksensors 201 ausgelenkt wird und ein übermitteltes Signal erzeugt. Der dynamische Drucksensor 201 umfasst zudem einen Bandpass-Frequenzgang. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die untere Grenzfrequenz f_L annähernd durch die folgende Gleichung angegeben: $f_{L} \frac{1}{2 \cdot π \cdot (R_{vent} + R_{squeeze}) \cdot C_{gap}}$
wobei R_vent der Ventilationswiderstand ist, R_squeeze der Quetschfilm-Widerstand ist und C_gap die Kapazität zwischen Membran 228 und Elektrode 230 ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen beeinflusst die Masse der Membran die obere Grenzfrequenz f_H.
6 stellt eine Schnittansicht eines zusätzlichen beispielhaften dynamischen Drucksensors 202 dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der dynamische Drucksensor 202 ein piezoresistiver oder piezoelektrischer Drucksensor, der Substrat 244, Seitenwände 246, Membran 248 und Hohlraum 252 umfasst. Angeordnet auf der Membran 248 oder darin enthalten gibt es Piezosensoren 260. Die Membran 248 umfasst zudem eine Ventilationsöffnung 256. Der Piezosensor 260 kann als piezoelektrisches Material oder piezoresistives Material umgesetzt werden.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen bewirken Druckänderungen in der unmittelbaren Umgebung Auslenkungen der Membran 248. Bei einem piezoresistiven Material ändern die Auslenkungen den Widerstand des Piezosensors 260, und der Widerstand wird von Ausgabeelektroden (nicht dargestellt) gemessen. Bei einem piezoelektrischen Material bewirken die Auslenkungen, dass der Piezosensor 260 eine Spannung erzeugt, die der Ausgabeelektronik (nicht dargestellt) zugeführt wird. Wie obenstehend Bezug nehmend auf die anderen Figuren erörtert wurde, beeinflussen die mechanischen Eigenschaften der Membran 248 den Bandpass-Frequenzgang des dynamischen Drucksensors 202, indem sie die oberen und unteren Grenzfrequenzen f_H und f_L regeln.
7 stellt eine Schnittansicht wieder eines anderen beispielhaften dynamischen Drucksensors 203 dar, der Substrat 264, Seitenwände 266, Hohlraum 272, auslenkbare Membran 268, eine starre Rückenplatte mit oberen und unteren Elektroden 210a und 210b, Verstärker 282a und 282b, Summierungsblock 284, Differenzblock 286 und Filter 288a und 288b umfasst. Eine ähnliche Struktur wie der dynamische Drucksensor 203 sowie dessen Herstellung werden in der US 2015 / 0 001 647 A1 und ebenfalls in der US 2015 / 0 256 913 A1 beschrieben. Die gleichzeitig anhängigen Anmeldungen beschreiben eine MEMS-Mikrofonstruktur und einen statischen MEMS-Drucksensor.
Für eine Anwendung als dynamischer Drucksensor gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor 203 einen Bandpass-Frequenzgang mit einer oberen Grenzfrequenz f_H < 1000 Hz und einer unteren Grenzfrequenz f_L > 0,1 Hz. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen wird die mechanische Struktur einschließlich beispielsweise der Größe der Ventilationsöffnung von den in den gleichzeitig anhängigen Anmeldungen beschriebenen Strukturen modifiziert, um den hierin beschriebenen Bandpass-Frequenzgang umzusetzen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen erfasst jeder der Verstärker 282a und 282b die Rückenplattenspannungen an den Rückenplatten 270a bzw. 270b. Bewegt sich die Membran 268, erzeugen die Verstärkerausgänge der Verstärker 282a und 282b zwei Signale, ein zur Bewegung der Membran proportionales Signal und ein zur Bewegung der Membran umgekehrt proportionales Signal. Bei solchen Ausführungsbeispielen ist die Differenz der zwei Signale, ausgegeben am Ausgang des Differenzblocks 286, zur Bewegung der Membran und damit zum wirkenden Schalldruck proportional. Da die MEMS-Struktur über eine Ventilationsöffnung 276 verfügt, zeigt das Signal 286 eine Hochpass-Charakteristik wie oben beschrieben, was ein Merkmal eines dynamischen Drucksensors darstellt. Wird diese Hochpass-Charakteristik ausreichend niedrig festgelegt, kann das Ausgangssignal des Differenzblocks 286 sowohl Sprachsignale (20 Hz bis 20 kHz) als auch Infraschall-Drucksignale für Gestenerkennung und/oder Innenraum-Navigation (1 Hz bis 10 Hz) enthalten. Wie gezeigt wählen verschiedene Ausführungsbeispiele die Signale mit Hochpassfilter 288a und Tiefpassfilter 288b. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann eine Kombination aus Mikrofon und dynamischem Drucksensor umgesetzt werden.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen können Absolutdruck-Messsignale von der gleichen Struktur erzeugt werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Hohlraum 278 ein geschlossenes Volumen, das von einer Membran 268 gebildet wird. Absolutdruckänderungen können den Abstand zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Membran 268 beeinflussen. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine solche Wirkung die Empfindlichkeit des Mikrofonsystems ändern; bei einigen Ausführungsbeispielen kann sich das jedoch als vorteilhaft erweisen. Wie weit sich der Abstand ändert kann gemessen werden, indem die Summe der Verstärker-Ausgangssignale von den Verstärkern 282a und 282b unter Verwendung des Addierwerks 284 berechnet wird. Bei solchen Ausführungsbeispielen ist das erzeugte Summensignal zum Absolutdruck proportional und kann für Höhenmesser-Funktionen sowie zur Kompensation der Empfindlichkeitsänderungen im Mikrofonsystem verwendet werden.
8 stellt ein Blockdiagramm eines beispielhaften dynamischen Drucksensorsystems 300 dar, das einen dynamischen Drucksensors 304 mit einer integrierten Schaltung (IC) 306, gekoppelt an einen Anwendungsprozessor 308, umfasst. Der dynamische Drucksensor 304 kann gemäß einem beliebigen der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele oder ihrer Äquivalente funktionieren. IC 306 kann jede beliebige Form einer integrierten Schaltung, eines Mikroprozessors, Mikrokontrollers oder einer anderen für einen vorgesehenen Zweck geeigneten Verarbeitungsvorrichtung haben. Eine spezifische beispielhafte Umsetzung von IC 306 ist in untenstehender 10 abgebildet. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen konvertieren und analysieren IC 306 und Anwendungsprozessor 308 vom dynamischen Drucksensor 304 erfasste Druckänderungen. Je nach spezifischer Umsetzung können IC 306 und Anwendungsprozessor 308 verschiedene Funktionen vornehmen. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, das Erhebungs-Nachverfolgung einschließt, kann IC 306 ein erfasstes Drucksignal konvertieren und filtern, bevor das konvertierte und gefilterte Signal an den Anwendungsprozessor 308 geliefert wird. Der Anwendungsprozessor 308 kann Erhebungsänderungen nachverfolgen, um eine aktuelle Erhebung zu bestimmen. Bei einem Ausführungsbeispiel nimmt der Anwendungsprozessor 308 eine Integrationsfunktion der erfassten Druckänderungen vor und bestimmt eine aktuelle Erhebung. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Anwendungsprozessor 308 aufgrund der erhöhten Empfindlichkeit des dynamischen Drucksensors 304 verglichen mit Absolutdrucksensoren Erhebungsänderungen mit Genauigkeit im Sub-Zentimeterbereich vornehmen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann IC 306 die Integrationsfunktion oder sonstige Nachverfolgung von Druckänderungen umsetzen, und der Anwendungsprozessor 308 kann für sonstige Systemfunktionen verwendet werden oder bei einigen Ausführungsbeispielen weggelassen werden.
Die 9a und 9b stellen Blockdiagramme weiterer beispielhafter dynamischer Drucksensorsysteme 301 und 302 dar, wobei jedes einen statischen Drucksensor 310 in Kombination mit dem dynamischen Drucksensor 304 umfasst, wie vorstehend beschrieben. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen zeigt 9a ein dynamisches Drucksensorsystem 301, das dynamischen Drucksensor 304, statischen Drucksensor 310 und IC 306 in einer Anordnung umfasst, die in einer einzelnen IC, als ein System auf einem Chip (Einchipsystem) oder als mehrere Bauteile in einer Baugruppe oder auf einer Leiterplatte (PCB) umgesetzt werden kann. Dynamischer Drucksensor 304, statischer Drucksensor 310 und IC 306 werden gemeinsam durch IC 306 mit dem Anwendungsprozessor 308 gekoppelt. Die Funktionalität jedes Blocks ist ähnlich oder gleich derer ähnlicher Bauteile in anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen und wird nicht wieder beschrieben.
Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen zeigt 9b ein dynamisches Drucksensorsystem 302, das dynamischen Drucksensor 304 und IC 306 in einer ersten Anordnung und statischen Drucksensor 310 und IC 307 in einer zweiten Anordnung umfasst. Jede Anordnung kann in einer einzelnen IC, als System auf einem Chip (Einchipsystem) oder als mehrere Bauteile in einer Baugruppe oder auf einer Leiterplatte (PCB) umgesetzt werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die beiden Anordnungen mit dynamischem Drucksensor 304 und statischem Drucksensor 310 als getrennte ICs in einem Einchipsystem oder auf einer Leiterplatte umgesetzt werden. Sowohl dynamischer Drucksensor 304 als auch statischer Drucksensor 310 werden jeweils durch IC 306 bzw. IC 307 gemeinsam an den Anwendungsprozessor 308 gekoppelt. Die Funktionalität jedes Blocks ist ähnlich oder gleich derer ähnlicher Bauteile in anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen und wird nicht wieder beschrieben.
10 stellt ein ausführliches Blockdiagramm eines beispielhaften dynamischen Drucksensorsystems dar, das dynamischen Drucksensor 304 und ein ausführlicheres Ausführungsbeispiel von IC 306 umfasst. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird der dynamische Drucksensor 304 mittels Biasblock 312 und Referenzspannung VREF vom Referenzblock 314, der ein Regler mit niedriger Dropout-Spannung (LDO) sein kann, unter Vorspannung gesetzt. Der dynamische Drucksensor 304 liefert eine erfasste und übermittelte Druckänderung an den Verstärker 316, und der Multiplexer 318 wählt das verstärkte Drucksignal, eine zur Temperatur (des ICs oder Sensors) proportionale Spannung V_t oder eine Referenzspannung von Knoten 320, der mit Referenzanschlusspunkt 322 und LDO 314 gekoppelt ist, aus. Das Ausgangssignal des Multiplexers 318 wird von einem Analog-Digital-Umsetzer (ADU) 324 in ein digitales Signal umgewandelt, vom Filter 326 gefiltert und mit dem digitalen Bus 330 über die digitale Busschnittstelle 328 verbunden. IC 306 kann zudem eine vom LDO 332 gelieferte digitale Spannungsreferenz, eine Zustandsmaschine 334 für digitale Logikverknüpfungen, einen Speicher 336 für Digitaloperationen oder Filtern und einen Oszillator 338 zum Takten von Digitalblöcken umfassen. IC 306 wird mit Referenzanschlusspunkten VDD und GND sowie Eingangs-/Ausgangs- (I/O) Spannungsversorgung VDD_IO zum Koppeln mit dem digitalen Bus 330 versehen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Filter 326 beliebige der obenstehend Bezug nehmend auf die Verarbeitungsschaltung 106 beschriebenen Verarbeitungs- oder Filterschritte umsetzen. So kann der Filter 326 beispielsweise einen Umkehr-Hochpassfilter, digitale Tiefpass- oder Hochpassfilter oder eine Integrationsfunktion umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist der Filter 326 ein Analogfilter und wird umgesetzt, um zwischen MUX 318 und ADU 324 gekoppelt zu werden.
Andere Ausführungsbeispiele können verschiedene funktionale Bauteile und/oder zusätzliche funktionale Bauteile umfassen, um spezifische Merkmale eines Sensors und/oder einer Schnittstellen-IC umzusetzen. Beispielsweise kann bei einigen Ausführungsbeispielen IC 306 digitale Korrekturalgorithmen umfassen, die verwendet werden, um erfasste Drucksignale zu linearisieren. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann eine Temperaturkorrektur unter Verwendung der zur Temperatur proportionalen Spannung V_t umgesetzt werden. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen liefert IC 306 zudem Temperaturinformationen und/oder werkseitige Kalibrierdaten als Ausgabe an den digitalen Bus 330.
Die 11a-11r stellen einen beispielhaften Herstellungs-Verfahrensablauf für den beispielhaften dynamischen Drucksensor aus 4 dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen beginnt 11a mit Siliziumsubstrat 402. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann das Substrat 402 ein anderes Material als Silizium sein. 11b zeigt Oxid-Kontakthöcker 404, die auf dem Substrat 402 aufgebracht oder gezüchtet und bemustert wurden. Die Bezug nehmend auf die 11a-11r erörterten Oxide umfassen Halbleiteroxide wie Siliziumdioxid, sofern nicht anderweitig ausgeführt.
Eine weitere Oxidschicht wird aufgebracht oder gezüchtet, um den Membranträger 406 zu bilden, wie in 11c gezeigt. Wie gezeigt führen die Oxid-Kontakthöcker zu Wölbungen oder Rillen im Membranträger 406. In 11d wird eine Schicht polykristallines Silizium aufgebracht, um die Membran 408 zu bilden. Die Membran 408 umfasst aufgrund der Oxid-Kontakthöcker 404 Rillenbildung. Die Membran 408 kann dotiertes oder undotiertes polykristallines Silizium umfassen. Beispielsweise kann die Membran 408 mit Phosphor dotiert sein. In einem nächsten Schritt wird die Membran 408 bemustert, und eine Ventilationsöffnung 410 wird gebildet, wie in 11e gezeigt. Wie zuvor beschrieben wurde, beeinflusst die ebene Fläche der Ventilationsöffnung 410, wie sie vom Durchmesser der Ventilationsöffnung 410 festgelegt ist, die untere Grenzfrequenz f_L der Bandpass-Frequenzgang-Kennlinien verschiedener Ausführungsbeispiele. Darüber hinaus beeinflusst die Dicke der Membran 408, die die Masse und Steifigkeit beeinflusst, zudem den Bandpass-Frequenzgang einschließlich der oberen Grenzfrequenz f_H und die Empfindlichkeit der endgültigen dynamischen Drucksensorvorrichtung.
Nachdem die Membran 408 bemustert wurde, wird ein Dickoxid aufgebracht, um den Rückenplattenträger 412 zu bilden, wie in 11f gezeigt. 11g zeigt den nächsten Schritt, während dem der Rückenplattenträger 412 bemustert wird, um Öffnungen 414 zu bilden. Dann wird, wie in 11h gezeigt, die Rückenplatte 416 aufgebracht. Die Rückenplatte 416 kann aus dotiertem oder undotiertem polykristallinem Silizium, Metall oder verschiedenen anderen Leitermaterialien gebildet sein. Wie in 11h gezeigt, führen die Öffnungen 414 dazu, dass sich Vertiefungen in der Rückenplatte 416 bilden.
In 11i, wird die Rückenplatte 416 mit Perforationen 418 bemustert. Die Perforationen 418 werden überall auf der Struktur der Rückenplatte 416 platziert, um Luftströmung, die die Membran 408 während des Betriebes der vervollständigten Vorrichtung versetzen kann, durch die Rückenplatte 416 zu ermöglichen. Der Rückenplattenträger 412 wird wie in 11j gezeigt bemustert. Größe (Durchmesser) und Anzahl der Perforationen 418 in Rückenplatte 416 beeinflussen die obere Grenzfrequenz f_H in der Kennlinie des Bandpass-Frequenzgangs. Nach dem Bemustern des Rückenplattenträgers 412 wird eine Passivierungsschicht 420 aufgebracht, wie in 11k gezeigt. Die Passivierung 420 bedeckt die gebildeten Strukturen und erstreckt sich zudem zwischen den Perforationen 418 in Rückenplatte 416. Wie in 111 gezeigt, werden Metallisierungskontakte 422, die mit Substrat 402, Rückenplatte 416 und Membran 408 in Kontakt stehen, aufgebracht und bemustert.
Eine weitere Passivierungsschicht 424 wird wie in 11m gezeigt aufgebracht und bemustert, um die Kontakte 422 freizulegen, wie 11n gezeigt. Ein Ätzen der Rückseite wird im Substrat 402 vorgenommen, um den Hohlraum 426 zu bilden, wie in 11o gezeigt. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein BOSCH-Ätzprozess vorgenommen, um das Ätzen der Rückseite und Bilden des Hohlraums 426 umzusetzen. Auf den Passivierungsschichten 420 und 424 wird eine temporäre Schutzschicht 428 aufgebracht, wie in 11p gezeigt, um Rückenplatte 416 und Membran 408 während dem Schritt des Freiätzens zu schützen. Der Freiätzungsschritt wird vorgenommen, indem Rückenplatte 416 und Membran 408 wie in 11q gezeigt freigeätzt werden. Schließlich wird die temporäre Schutzschicht 428 entfernt, so dass der Kontakt 422 freigelegt wird, wie in 11r gezeigt.
Verschiedene Änderungen der in den 11a-11r beschriebenen beispielhaften Herstellungssequenz sind vorstellbar. Weiterhin kann die Struktur bei zahlreichen Ausführungsbeispielen verändert werden, und Änderungen der Herstellungssequenz sind zu erwarten. Die verschiedenen hierin beschriebenen Schritte und die begleitenden Figuren dienen illustrativen Zwecken. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Strukturen geneigte Seitenwände, raue Oberflächen und zahlreiche Dimensionen umfassen. Herstellungsverfahren können zudem wie im USamerikanischen Patent 7,912,236 mit dem Titel „Schallwandlerstruktur und Verfahren zur Herstellung einer Schallwandlerstruktur“, eingereicht am 6. Dezember 2006 und erteilt am 22. März 2011, welches hiermit in vollem Umfang durch Bezugnahme in dieses Dokument aufgenommen wird, offengelegt, verwendet werden.
Die 12a-12h stellen einen beispielhaften Herstellungs-Verfahrensablauf für den beispielhaften dynamischen Drucksensor aus 5 dar. Die Herstellungssequenz beginnt mit dem Substrat 502, wie in 12a gezeigt. Eine Messelektrode 504 wird im Substrat 502 gebildet, wie in 12b gezeigt. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Substrat 502 dotiertes oder undotiertes Silizium sein, und die Messelektrode 504 kann durch Dotieren, beispielsweise durch Ionenimplantation, eines Bereiches, der zur Messelektrode 504 wird, gebildet werden. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel ist das Substrat 502 p-dotiertes Silizium, und die Messelektrode 504 ist ein n-dotierter Schacht im Substrat 502. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Messelektrode 504 eine Schicht aus polykristallinem Silizium, die vom Substrat 502 durch eine Oxidschicht (nicht dargestellt) getrennt ist.
Nachdem die Messelektrode 504 gebildet wurde, wird eine Oxidschicht 506 über Substrat 502 und Messelektrode 504 gebildet, wie in 12c gezeigt. Dann wird in dem in 12d gezeigten Prozessschritt eine Membranschicht 508 aufgebracht. Die Membranschicht kann aus dotiertem oder undotiertem polykristallinen Silizium gebildet sein. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können andere leitende und verformbare Materialien verwendet werden. Wie in 12e gezeigt wird die Membranschicht 508 dann bemustert, und Ventilationsöffnungen 510 werden gebildet. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können eine einzelne Ventilationsöffnung 510 oder mehrere Ventilationsöffnungen verschiedener Größen gebildet werden. Der Durchmesser der Ventilationsöffnungen 510 beeinflusst die untere Grenzfrequenz f_L des Bandpass-Frequenzgangs. Die Dicke der Membranschicht 508, die die Masse festlegt, beeinflusst die obere Grenzfrequenz f_H des Bandpass-Frequenzgangs.
Die Oxidschicht 506 wird dann bemustert, wie in 12f gezeigt. Metallkontakte werden aufgebracht, wie in 12g gezeigt. Schließlich wird die Membranschicht 508 freigeätzt, indem ein Freiätzen einen Teil der Oxidschicht 506 entfernt, wie in 12h gezeigt. Das Freiätzen erzeugt den endgültigen dynamischen Drucksensor gemäß dieser Herstellungssequenz der Oberflächen-Mikrobearbeitung. Verschiedene Änderungen eines solchen Prozesses werden für Fachleute des Gebietes leicht erkennbar sein.
13 stellt ein Blockdiagramm einer beispielhaften Betriebsweise 600 eines dynamischen Drucksensorsystems einschließlich der Schritte 605-630 dar. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst Schritt 605 das Messen einer Auslenkung einer Messmembran als Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen einem Referenzvolumen und einem Umgebungsvolumen. Die Messmembran trennt das Referenzvolumen vom Umgebungsvolumen und wird ausgelenkt, wenn ein Druckunterschied zwischen den beiden Volumen auftritt.
Schritt 610 umfasst das Erzeugen eines dynamischen Drucksignals auf Grundlage der Messung. In Schritt 615 wird das dynamische Drucksignal gefiltert. Das Filtern des dynamischen Drucksignals umfasst das Entfernen von Frequenzkomponenten des dynamischen Drucksignals unterhalb 0,1 Hz und oberhalb 100 Hz. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst das Filtern des dynamischen Drucksignals das Entfernen von Frequenzkomponenten des dynamischen Drucksignals unterhalb 10 Hz und oberhalb 1 kHz. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die unteren und oberen Grenzfrequenzen je nach Anwendung beliebige Frequenzen sein. Schritt 620 umfasst das Angleichen des Druckunterschieds zwischen dem Referenzvolumen und dem Umgebungsvolumen. Schritt 625 umfasst das Integrieren des dynamischen Drucksignals. Schritt 630 umfasst schließlich das Erzeugen eines Druckverlaufsignals auf Grundlage der Integration. Die Schritte 605-630 können in zahlreichen Sequenzen in verschiedenen Ausführungsbeispielen vorgenommen werden, und das Verfahren 600 kann zudem weitere nicht aufgeführte Schritte umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst ein dynamischer Drucksensor ein Substrat, ein im Substrat ausgeformtes Referenzvolumen, eine das Referenzvolumen abschließende auslenkbare Membran, ein mit der Membran gekoppeltes Auslenkungsmesselement, das konfiguriert ist, um eine Auslenkung der Membran zu messen, sowie eine Ventilationsöffnung, die konfiguriert ist, um einen Absolutdruck innerhalb des Referenzvolumens und einen absoluten Umgebungsdruck außerhalb des Referenzvolumens anzugleichen. Der dynamische Drucksensor umfasst einen Bandpass-Frequenzgang mit einer unteren Infraschall-Grenzfrequenz und einer oberen Grenzfrequenz von etwa 1 kHz.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor zudem einen Absolutdrucksensor. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die untere Grenzfrequenz eine Funktion einer ebenen Fläche der Ventilationsöffnung. Die Ventilationsöffnung kann eine Vielzahl an Ventilationsöffnungen sein, und die untere Grenzfrequenz ist eine Funktion einer Summe der ebenen Flächen der Vielzahl an Ventilationsöffnungen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Auslenkungsmesselement eine perforierte Rückenplatte, die in einem Trennungsabstand von der auslenkbaren Membran versetzt ist und mit der auslenkbaren Membran einen kapazitiven Sensor bildet. Die perforierte Rückenplatte umfasst eine Vielzahl an Perforationsöffnungen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die obere Grenzfrequenz eine Funktion einer Summe der ebenen Flächen der Vielzahl an Perforationsöffnungen. Der dynamische Drucksensor kann zudem eine integrierte Ausgabe-Schaltung (IC) umfassen, die mit dem dynamischen Drucksensor gekoppelt ist. Bei solchen Ausführungsbeispielen dokumentiert die IC einen Verlauf von Druckänderungen und gibt ein Signal aus, das mit dem Verlauf der Druckänderungen in Beziehung steht. Das mit dem Verlauf der Druckänderungen in Beziehung stehende Signal kann durch Integration der Druckänderungen erzeugt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der Bandpass-Frequenzgang eine untere Grenzfrequenz von 0,1 Hz und eine obere Grenzfrequenz von 10 Hz.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines dynamischen Drucksensors das Messen einer Auslenkung einer Messmembran als Reaktion auf einen Druckunterschied zwischen einem Referenzvolumen und einem Umgebungsvolumen, das Erzeugen eines dynamischen Drucksignals auf Grundlage der Messung, das Filtern des dynamischen Drucksignals, das Angleichen des Druckunterschieds zwischen dem Referenzvolumen und dem Umgebungsvolumen, das Verarbeiten des dynamischen Drucksignals und das Erzeugen eines Druckverlaufsignals auf Grundlage der Verarbeitung. Die Messmembran trennt das Referenzvolumen vom Umgebungsvolumen. Bei solchen Ausführungsbeispielen umfasst das Filtern das Entfernen von Frequenzkomponenten des dynamischen Drucksignals unterhalb einer ersten Frequenz und oberhalb einer zweiten Frequenz.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen werden die Schritte des Messens, Erzeugens, Filterns und Angleichens unter Verwendung eines MEMS-Mikrofons vorgenommen. Weiterhin kann das Entfernen von Frequenzkomponenten des dynamischen Drucksignals unterhalb der ersten Frequenz passiv als Funktion einer mechanischen Struktur der Messmembran vorgenommen werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Messen der Auslenkung ein Erfassen der Auslenkung der Messmembran unter Verwendung einer Elektrode, die in einem Substrat unterhalb der Messmembran angeordnet ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen umfasst das Messen der Auslenkung ein Erfassen der Auslenkung der Messmembran unter Verwendung einer perforierten kapazitiven Rückenplatte. Das Entfernen von Frequenzkomponenten des dynamischen Drucksignals oberhalb der zweiten Frequenz kann passiv als eine Funktion einer mechanischen Struktur der perforierten kapazitiven Rückenplatte und der Messmembran vorgenommen werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Angleichen des Druckunterschieds zwischen dem Referenzvolumen und dem Umgebungsvolumen ein passives Angleichen des Druckunterschieds durch eine Ventilationsöffnung, die zwischen dem Referenzvolumen und dem Umgebungsvolumen verbunden ist.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die erste Frequenz 0,1 Hz und die zweite Frequenz ist 10 Hz. Das Verarbeiten kann die Integration des dynamischen Drucksignals umfassen. Alternativ kann das Verarbeiten das Anwenden einer Umkehr-Hochpassfilterfunktion auf das dynamische Drucksignal umfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Verfahren zudem das Erfassen eines Audiosignals mit der Messmembran. Das Verfahren kann weiterhin das Betreiben eines Audioprozessors zum Durchführen einer ersten Funktion und einer zweiten Funktion umfassen. Die erste Funktion umfasst die Schritte der Verarbeitung des dynamischen Drucksignals und des Erzeugens eines Druckverlaufsignals auf Grundlage der Verarbeitung. Die zweite Funktion umfasst das Verarbeiten des erfassten Audiosignals. Bei einigen Ausführungsbeispielen schaltet der Audioprozessor zwischen der ersten Funktion und der zweiten Funktion auf Grundlage eines Steuersignals um.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst ein Druckerfassungssystem einen dynamischen Drucksensor, eine integrierte Schaltung (IC), die mit dem dynamischen Drucksensor gekoppelt ist, und einen mit der IC gekoppelten Anwendungsprozessor. Der dynamische Drucksensor ist konfiguriert, um Druckänderungen einschließlich Frequenzkomponenten in einem ersten Frequenzbereich zu erfassen. Die IC ist konfiguriert, um ein digitales Drucksignal auf Grundlage der erfassten Druckänderungen zu erzeugen. Der Anwendungsprozessor ist konfiguriert, um eine Höhenänderung auf Grundlage des digitalen Drucksignals zu bestimmen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor einen Drucksensor mit kapazitivem mikroelektromechanischem System (MEMS). Der MEMS-Drucksensor umfasst eine auslenkbare Membran, die ein Referenzvolumen abschließt, eine Ventilationsöffnung, die konfiguriert ist, um einen Absolutdruck innerhalb des Referenzvolumens mit einem absoluten Umgebungsdruck außerhalb des Referenzvolumens anzugleichen, und eine perforierte Rückenplatte, die kapazitiv mit der auslenkbaren Membran gekoppelt ist und von der auslenkbaren Membran außerhalb des Referenzvolumens versetzt ist.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die IC einen Verstärker, einen Analog-Digital-Umsetzer (ADU) und einen Filter. Bei einigen Ausführungsbeispielen bestimmt der Anwendungsprozessor die Höhenänderung durch Integration des digitalen Drucksignals. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen umfasst die auslenkbare Membran die Ventilationsöffnung. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Druckerfassungssystem in einem Mobiltelefon eingearbeitet sein. Der erste Frequenzbereich kann Frequenzen zwischen 0,1 und 20 kHz umfassen. Bei spezifischen Ausführungsbeispielen ist der dynamische Drucksensor ein Mikrofon.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst ein dynamischer Drucksensor ein Mikrofon, das konfiguriert ist, um dynamisch Druckänderungen zu erfassen, und eine Höhenmessschaltung, die mit dem Mikrofon gekoppelt ist. Die Höhenmessschaltung ist konfiguriert, um dynamische Drucksignale vom Mikrofon zu empfangen und eine Höhenänderung auf Grundlage der dynamischen Drucksignale zu bestimmen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist die Höhenmessschaltung konfiguriert, um die Höhenänderung durch Anwenden eines Bandpassfilters an die dynamischen Drucksignale und Anwenden eines Umkehr-Hochpassfilters an die dynamischen Drucksignale zum Bestimmen der Höhenänderung zu bestimmen. Der Bandpassfilter entfernt Komponenten aus den dynamischen Drucksignalen, die Frequenzkomponenten unterhalb 0,1 Hz und oberhalb 10 Hz aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst der dynamische Drucksensor zudem eine Tonverarbeitungsschaltung, die mit dem Mikrofon gekoppelt ist. Die Tonverarbeitungsschaltung ist konfiguriert, um Audiosignale vom Mikrofon zu empfangen und ein Ton-Ausgabesignal zu erzeugen.
Vorteile der verschiedenen Ausführungsbeispiele können einen dynamischen Drucksensor mit erheblich erhöhter Empfindlichkeit, verringerter Siliziumverwendungsfläche bei einigen Ausführungsbeispielen und kombinierter statischer und dynamischer Druckerfassung umfassen.

Claims

Druckerfassungssystem, das Folgendes umfasst: einen dynamischen Drucksensor (104), wobei der dynamische Drucksensor (104) eingerichtet ist, um Druckänderungen einschließlich Frequenzkomponenten in einem ersten Frequenzbereich zu erfassen, wobei der dynamische Drucksensor (104) einen als kapazitives mikroelektromechanisches System implementierten Drucksensor umfasst, wobei der Drucksensor Folgendes umfasst: eine auslenkbare Membran (208, 228, 248, 268, 408), die ein Referenzvolumen (212, 232, 252, 272, 426) abschließt; eine Ventilationsöffnung (216, 236, 256, 276, 410), die eingerichtet ist, einen Absolutdruck innerhalb des Referenzvolumens (212, 232, 252, 272, 426) mit einem absoluten Umgebungsdruck außerhalb des Referenzvolumens (212, 232, 252, 272, 426) anzugleichen; und eine perforierte Rückenplatte (210, 270a, 270b, 416), die kapazitiv mit der auslenkbaren Membran (208, 228, 248, 268, 408) gekoppelt ist und zu der auslenkbaren Membran (208, 228, 248, 268, 408) außerhalb des Referenzvolumens versetzt ist, eine integrierte Schaltung, die mit dem dynamischen Drucksensor (104) gekoppelt ist, wobei die integrierte Schaltung eingerichtet ist, ein digitales Drucksignal auf Grundlage der erfassten Druckänderungen zu erzeugen; und einen Anwendungsprozessor (308), der mit der integrierten Schaltung gekoppelt ist, wobei der Anwendungsprozessor (308) eingerichtet ist, eine Höhenänderung durch Integration des digitalen Drucksignals zu bestimmen.
Druckerfassungssystem nach Anspruch 1, wobei die auslenkbare Membran (208, 228, 248, 268, 408) eine Ventilationsöffnung (216, 236, 256, 276, 410) umfasst.
Druckerfassungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die integrierte Schaltung einen Verstärker, einen Analog-Digital-Umsetzer und einen Filter aufweist.
Druckerfassungssystem nach einem der Ansprüche 1-3, das weiterhin ein Mobiltelefon umfasst, wobei das Druckerfassungssystem im Mobiltelefon eingearbeitet ist.
Druckerfassungssystem nach einem der Ansprüche 1-4, wobei der erste Frequenzbereich Frequenzen zwischen 0,1 Hz und 20 kHz umfasst.
Druckerfassungssystem nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der dynamische Drucksensor ein Mikrofon ist.
Dynamischer Drucksensor (104), der Folgendes umfasst: ein Mikrofon, das eingerichtet ist, um dynamisch Druckänderungen zu erfassen; eine Höhenmessschaltung, die mit dem Mikrofon gekoppelt ist, wobei die Höhenmessschaltung eingerichtet ist, dynamische Drucksignale vom Mikrofon zu empfangen und eine Höhenänderung durch Anwenden eines inversen Hochpassfilters auf Frequenzkomponenten der dynamischen Drucksignale zwischen 0,1Hz und 10Hz zu bestimmen; und eine Audioverarbeitungsschaltung, die mit dem Mikrofon gekoppelt ist, wobei die Audioverarbeitungsschaltung eingerichtet ist, die dynamischen Drucksignale mit Frequenzkomponenten zwischen 10Hz und 20kHz als Audiosignale vom Mikrofon zu empfangen und ein Audio-Ausgabesignal zu erzeugen.