DE102016203914A1 - MEMS sensor device and corresponding manufacturing method - Google Patents

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Rolf Scheben
Ricardo Ehrenpfordt
Thomas Northemann
Thomas Buck
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine MEMS-Sensor-Vorrichtung (100; 400; 700) mit einem Substrat (101); einer an dem Substrat (101) eingespannten Membraneinrichtung (105; 401; 701), welche bewegbar ist, mindestens einer an dem Substrat (101) angeordneten Gegenelektrode (108; 704a, 704b); mindestens einer an dem Substrat (101) angeordneten Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b); einer Steuervorrichtung (109), welche ausgebildet ist, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode (108; 704a, 704b) und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in einem ersten Schwingungsmodus eine erste Spannung anzulegen und in einem zweiten Schwingungsmodus eine zweite Spannung anzulegen, sodass in dem ersten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b) von der Membraneinrichtung (105; 401; 701) beabstandet ist; sodass in dem zweiten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b) die Membraneinrichtung (105; 401; 701) berührt; und wobei eine Elastizität der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in dem ersten Schwingungsmodus höher ist als die Elastizität der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in dem zweiten Schwingungsmodus.The invention relates to a MEMS sensor device (100; 400; 700) having a substrate (101); a membrane device (105; 401; 701) clamped on the substrate (101) and movable, at least one counter electrode (108; 704a, 704b) arranged on the substrate (101); at least one stop means (104; 704a, 704b) arranged on the substrate (101); a control device (109) which is designed to apply a first voltage between the at least one counterelectrode (108; 704a, 704b) and at least one part of the diaphragm device (105; 401; 701) in a first oscillation mode and a second voltage in a second oscillation mode Applying voltage such that in the first mode of vibration the stop means (104; 704a, 704b) is spaced from the diaphragm means (105; 401; 701); such that in the second mode of vibration the stop means (104; 704a, 704b) contacts the membrane means (105; 401; 701); and wherein an elasticity of the diaphragm means (105; 401; 701) in the first vibration mode is higher than the elasticity of the diaphragm means (105; 401; 701) in the second vibration mode.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-Sensor-Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine MEMS-Sensor-Vorrichtung.The present invention relates to a MEMS sensor device and a manufacturing method for a MEMS sensor device.

Stand der TechnikState of the art

Derzeit kommerziell erhältliche MEMS-Mikrofone basieren üblicherweise auf einem kapazitiven Messverfahren. Beispielsweise ist aus der DE 10 2014 212 340 A1 ein derartiges MEMS-Mikrofon bekannt, welches ein Membranelement und ein Gegenelektrodenelement umfasst. Gerät das Membranelement aufgrund von Schallwellen in Schwingung, so ändert sich der Abstand zwischen Membranelement und Gegenelektrodenelement, wodurch sich die Kapazität zwischen Membranelement und Gegenelektrodenelement verändert. Diese sich verändernde Kapazität kann gemessen und dadurch die Schwingung bestimmt werden.Currently commercially available MEMS microphones are usually based on a capacitive measuring method. For example, is from the DE 10 2014 212 340 A1 Such a MEMS microphone is known which comprises a membrane element and a counter electrode element. If the membrane element vibrates due to sound waves, the distance between the membrane element and the counterelectrode element changes, as a result of which the capacitance between the membrane element and the counterelectrode element changes. This changing capacity can be measured and thereby the vibration can be determined.

Um Schallsignale präzise zu erfassen, wie dies etwa zur Spracherkennung benötigt wird, muss das Signal-Rausch-Verhältnis möglichst hoch gehalten werden. Bei hoher Sensitivität des MEMS-Mikrofons, d.h. bei hoher Elastizität der Membran, können hierbei die Anforderungen an einen an das MEMS-Mikrofon angeschlossenen Vorverstärker reduziert werden, womit ein niedrigerer Stromverbrauch des Vorverstärkers einhergeht. Hohe Sensitivität aufgrund hoher Elastizität impliziert jedoch andererseits eine geringere Bandbreite. Eine hohe Bandbreite wird jedoch insbesondere zum Erfassen von Musik benötigt.In order to capture sound signals precisely, as is needed for example for speech recognition, the signal-to-noise ratio must be kept as high as possible. With high sensitivity of the MEMS microphone, i. With high elasticity of the membrane, in this case the requirements for a connected to the MEMS microphone preamplifier can be reduced, which is associated with a lower power consumption of the preamplifier. However, high sensitivity due to high elasticity implies a lower bandwidth. However, a high bandwidth is needed especially for capturing music.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung schafft eine MEMS-Sensor-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine MEMS-Sensor-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.The present invention provides a MEMS sensor device having the features of patent claim 1 and a method for producing a MEMS sensor device having the features of patent claim 8.

Die Erfindung schafft demnach eine MEMS-Sensor-Vorrichtung mit einem Substrat und einer an dem Substrat eingespannten Membraneinrichtung, welche bewegbar ist. Unter „bewegbar“ kann insbesondere verstanden werden, dass die Membraneinrichtung durch Schallwellen in Schwingung bringbar ist. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung umfasst weiter mindestens eine an dem Substrat angeordneten Gegenelektrode, mindestens eine an dem Substrat angeordneten Anschlagseinrichtung, und eine Steuervorrichtung, welche ausgebildet ist, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung in einem ersten Schwingungsmodus eine erste Spannung anzulegen und in einem zweiten Schwingungsmodus eine zweite Spannung anzulegen, sodass in dem ersten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung von der Membraneinrichtung beabstandet ist, sodass in dem zweiten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung berührt; und wobei eine Elastizität der Membraneinrichtung in dem ersten Schwingungsmodus höher ist als die Elastizität der Membraneinrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus.The invention accordingly provides a MEMS sensor device with a substrate and a membrane device clamped on the substrate, which is movable. By "movable" can be understood in particular that the membrane device can be brought into vibration by sound waves. The MEMS sensor device further comprises at least one counterelectrode arranged on the substrate, at least one stop device arranged on the substrate, and a control device, which is designed, a first voltage between the at least one counterelectrode and at least one part of the membrane device in a first oscillation mode and to apply a second voltage in a second mode of vibration such that in the first mode of vibration the stop means is spaced from the diaphragm means so that in the second mode of vibration the stop means contacts the diaphragm means; and wherein an elasticity of the membrane device in the first oscillation mode is higher than the elasticity of the membrane device in the second oscillation mode.

Unter „hoher bzw. niedriger Elastizität“ der Membraneinrichtung wird hierbei eine hohe bzw. niedrige Steifigkeit der Membraneinrichtung verstanden.By "high or low elasticity" of the membrane device is here understood a high or low stiffness of the membrane device.

Die MEMS-Sensor-Vorrichtung ist vorzugsweise eine MEMS-Mikrofon-Einrichtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die MEMS-Sensor-Vorrichtung ein Beschleunigungssensor.The MEMS sensor device is preferably a MEMS microphone device. According to a further embodiment, the MEMS sensor device is an acceleration sensor.

Die Erfindung schafft weiter ein Herstellungsverfahren für eine MEMS-Sensor-Vorrichtung, mit einem ersten Verfahrensschritt des Einspannens einer Membraneinrichtung an einem Substrat, wobei die Membraneinrichtung bewegbar ist. Weiter umfasst das Herstellungsverfahren das Ausbilden von mindestens einer Gegenelektrode an dem Substrat, das Anordnen von mindestens einer Anschlagseinrichtung an dem Substrat, und das Ausbilden einer Steuervorrichtung, welche ausgebildet wird, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung in einem ersten Schwingungsmodus eine erste Spannung anzulegen und in einem zweiten Schwingungsmodus eine zweite Spannung anzulegen. In dem ersten Schwingungsmodus ist hierbei die Anschlagseinrichtung von der Membraneinrichtung beabstandet und in dem zweiten Schwingungsmodus berührt die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung, wobei eine Elastizität der Membraneinrichtung in dem ersten Schwingungsmodus höher ist als die Elastizität der Membraneinrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus.The invention further provides a manufacturing method for a MEMS sensor device, comprising a first method step of clamping a membrane device to a substrate, wherein the membrane device is movable. Furthermore, the manufacturing method comprises forming at least one counterelectrode on the substrate, arranging at least one abutment device on the substrate, and forming a control device that is formed between the at least one counterelectrode and at least a part of the membrane device in a first oscillation mode apply first voltage and apply a second voltage in a second vibration mode. In the first mode of vibration, in this case, the stop means is spaced from the diaphragm means and in the second mode of vibration, the stop means contacts the diaphragm means, wherein elasticity of the diaphragm means in the first mode of vibration is higher than the elasticity of the diaphragm means in the second mode of vibration.

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.Preferred developments are the subject of the respective subclaims.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Im ersten Schwingungsmodus weist die Membraneinrichtung eine hohe Elastizität auf. Die Anforderungen und damit der Stromverbrauch eines an die MEMS-Sensor-Vorrichtung angeschlossenen Vorverstärkers kann daher reduziert werden, um ein vorgegebenes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung zeichnet sich also in diesem ersten Schwingungsmodus durch einen geringen Stromverbrauch aus. Die Bandbreite der MEMS-Sensor-Vorrichtung ist jedoch aufgrund der hohen Elastizität der Membraneinrichtung eher gering. Der erste Schwingungsmodus eignet sich daher beispielsweise für einen „Aufwachmodus“ in welchem die MEMS-Sensor-Vorrichtung Hintergrundgeräusche erfasst. Sensordaten, welche hohe Anforderungen an die Präzision und Bandbreite stellen, wie etwa Musik oder Sprache, werden in diesem ersten Schwingungsmodus durch die Resonanzerhöhung der MEMS-Sensor-Vorrichtung nicht über die gesamte mögliche Bandbreite verarbeitet.In the first mode of vibration, the membrane device has a high elasticity. The requirements and thus the power consumption of a preamplifier connected to the MEMS sensor device can therefore be reduced in order to obtain a predetermined signal-to-noise ratio. The MEMS sensor device is thus characterized by a low power consumption in this first mode of vibration. However, the bandwidth of the MEMS sensor device is rather low due to the high elasticity of the membrane device. The first vibration mode is suitable therefore, for example, for a "wake-up mode" in which the MEMS sensor device detects background noise. Sensor data which places high demands on precision and bandwidth, such as music or speech, are not processed in this first mode of oscillation by the resonance increase of the MEMS sensor device over the entire possible bandwidth.

Umgekehrt zeichnet sich die MEMS-Sensor-Vorrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus durch eine geringere Elastizität und damit durch eine geringere Sensitivität aus. Die Anforderungen an den Vorverstärker, um ein vorgegebenes Signal-Rausch-Verhältnis zu erhalten, sind dadurch höher als in dem ersten Schwingungsmodus. Vorteilhafterweise ist jedoch in dem zweiten Schwingungsmodus die Bandbreite, welche durch die Membraneinrichtung erfasst werden kann, deutlich gegenüber dem ersten Schwingungsmodus erhöht. Werden höhere Anforderungen an die Bandbreite gestellt, so kann die MEMS-Sensor-Vorrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus betrieben werden, wodurch eine deutlich erhöhte Bandbreite zur Verfügung steht. Dadurch ist die MEMS-Sensor-Vorrichtung im zweiten Schwingungsmodus insbesondere zum Erfassen von Musik oder zur Spracherkennung geeignet.Conversely, the MEMS sensor device is characterized in the second mode of vibration by a lower elasticity and thus by a lower sensitivity. The requirements for the preamplifier to obtain a given signal-to-noise ratio are thereby higher than in the first oscillation mode. Advantageously, however, in the second mode of vibration, the bandwidth that can be detected by the membrane device is significantly increased over the first mode of oscillation. If higher bandwidth requirements are imposed, the MEMS sensor device can be operated in the second oscillation mode, whereby a significantly increased bandwidth is available. As a result, the MEMS sensor device in the second oscillation mode is particularly suitable for detecting music or for speech recognition.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Membraneinrichtung in einem Randbereich mindestens ein federartiges Element. In dem ersten Schwingungsmodus ist dadurch die Elastizität der Membraneinrichtung hauptsächlich durch die Elastizität des federartigen Elements gegeben. In dem zweiten Schwingungsmodus berührt die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung, wodurch das federartige Element der Membraneinrichtung im Wesentlichen fixiert wird. In dem zweiten Schwingungsmodus trägt dieses federartige Element dadurch nicht mehr oder zumindest kaum noch zur Schwingung der Membranvorrichtung bei und die Elastizität der Membraneinrichtung ist geringer als in dem ersten Schwingungsmodus.According to a preferred development, the membrane device comprises at least one spring-like element in an edge region. In the first mode of vibration thereby the elasticity of the membrane device is given mainly by the elasticity of the spring-like element. In the second vibration mode, the stopper means contacts the diaphragm means whereby the spring-like member of the diaphragm means is substantially fixed. In the second mode of vibration, this spring-like element no longer or at least hardly contributes to the vibration of the membrane device and the elasticity of the membrane device is less than in the first mode of vibration.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht die mindestens eine Anschlagseinrichtung zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material. Die Anschlagseinrichtung beeinflusst also beim Berühren der Membraneinrichtung nicht die elektrischen Eigenschaften der Membraneinrichtung. Die Anschlagseinrichtung kann insbesondere zum Verringern eines effektiv zur Schwingung zur Verfügung stehenden Radius der Membraneinrichtung dienen.According to a preferred development, the at least one stop device is at least partially made of an electrically insulating material. The stop device thus does not affect the electrical properties of the membrane device when touching the membrane device. The stop device can in particular serve to reduce a radius of the membrane device that is effectively available for oscillation.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die MEMS-Sensor-Vorrichtung eine Abdeckvorrichtung, welche die Membraneinrichtung zumindest teilweise überspannt, wobei die Gegenelektrode durch zumindest einen Teil der Abdeckvorrichtung gebildet ist, und wobei die mindestens eine Anschlagseinrichtung an der Abdeckvorrichtung angeordnet ist.According to a preferred development, the MEMS sensor device comprises a covering device which at least partially spans the membrane device, wherein the counterelectrode is formed by at least part of the covering device, and wherein the at least one stop device is arranged on the covering device.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Membraneinrichtung in einem Innenbereich mindestens ein weiteres federartiges Element, wobei in dem zweiten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung in einem Bereich zwischen dem mindestens einen federartigen Element im Randbereich und dem mindestens einen federartigen Element im Innenbereich berührt. Der Innenbereich bezeichnet hierbei einen Bereich der Membraneinrichtung, welcher näher am Zentrum der Membraneinrichtung liegt als der Randbereich der Membraneinrichtung. Vorzugsweise ist hierbei die Elastizität des federartigen Elements im Randbereich höher als die Elastizität des federartigen Elements im Innenbereich. Im ersten Schwingungsmodus kann daher das federartige Element im Innenbereich vernachlässigt werden und die Elastizität der Membraneinrichtung ist vorwiegend durch die Elastizität des federartigen Elements im Randbereich gegeben. Im zweiten Schwingungsmodus berührt jedoch die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung in einem Bereich zwischen dem federartigen Element im Randbereich und dem federartigen Element im Innenbereich, wodurch das federartige Element im Randbereich fixiert wird. Das federartige Element im Randbereich trägt daher nicht mehr zur Schwingung der Membraneinrichtung bei. Die Elastizität der Membraneinrichtung ist daher im zweiten Schwingungsmodus vorwiegend durch das federartige Element im Innenbereich bestimmt. Die Elastizität der Membraneinrichtung ist daher im zweiten Schwingungsmodus geringer als im ersten Schwingungsmodus.According to a preferred development, the membrane device comprises at least one further spring-like element in an inner region, wherein in the second vibration mode the stop device contacts the membrane device in a region between the at least one spring-like element in the edge region and the at least one spring-like element in the inner region. In this case, the inner region designates a region of the membrane device which lies closer to the center of the membrane device than the edge region of the membrane device. Preferably, in this case the elasticity of the spring-like element in the edge region is higher than the elasticity of the spring-like element in the inner region. In the first mode of vibration, therefore, the spring-like element can be neglected in the interior and the elasticity of the membrane device is given mainly by the elasticity of the spring-like element in the edge region. In the second mode of vibration, however, the stopper device contacts the diaphragm device in a region between the spring-like element in the edge region and the spring-like element in the inner region, whereby the spring-like element is fixed in the edge region. The spring-like element in the edge region therefore no longer contributes to the vibration of the membrane device. The elasticity of the membrane device is therefore determined in the second mode of vibration mainly by the spring-like element in the interior. The elasticity of the membrane device is therefore lower in the second vibration mode than in the first vibration mode.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die mindestens eine Anschlagseinrichtung durch die mindestens eine Gegenelektrode gebildet. Durch Anlegen der zweiten Spannung durch die Steuervorrichtung entsteht eine anziehende Kraft zwischen der Membraneinrichtung und der Gegenelektrode, wodurch sich Membraneinrichtung und Gegenelektrode berühren. Die angelegte erste bzw. zweite Spannung dient somit als Steuerspannung. Vorzugsweise ist die Gegenelektrode hierbei federförmig ausgebildet. Dadurch, dass die Gegenelektrode die Membraneinrichtung berührt, trägt diese ebenfalls zur Elastizität der Membraneinrichtung bei. Durch geeignete Wahl der Elastizität der Gegenelektrode kann hierbei insbesondere die Elastizität im zweiten Schwingungsmodus und damit die Bandbreite der MEMS-Sensor-Vorrichtung im zweiten Schwingungsmodus genau eingestellt werden. Weiter kann eine zusätzliche Spannung zwischen die Membraneinrichtung und eine weitere Gegenelektrode angelegt werden, um die Schwingungen der Membraneinrichtung zu messen.According to a preferred embodiment, the at least one stop device is formed by the at least one counter electrode. By applying the second voltage through the control device creates an attractive force between the membrane device and the counter electrode, which touch membrane device and counter electrode. The applied first or second voltage thus serves as a control voltage. Preferably, the counter electrode is in this case designed spring-shaped. The fact that the counter electrode touches the membrane device, this also contributes to the elasticity of the membrane device. By suitable choice of the elasticity of the counter electrode, in this case in particular the elasticity in the second oscillation mode and thus the bandwidth of the MEMS sensor device in the second oscillation mode can be set precisely. Furthermore, an additional voltage can be applied between the membrane device and a further counterelectrode in order to measure the vibrations of the membrane device.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die MEMS-Sensor-Vorrichtung eine Sensorvorrichtung, welche mit der Steuervorrichtung gekoppelt ist und ausgebildet ist, eine Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung zu detektieren, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung die zweite Spannung anzulegen, falls eine von der Sensorvorrichtung detektierte Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Der Schwellenwert kann hierbei auch frequenzabhängig sein und/oder in vorgegebenen Frequenzbändern liegen, welche beispielsweise durch Filterbänke definiert sein können. Die Steuervorrichtung kann weiter ausgebildet sein, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung die erste Spannung anzulegen, falls eine von der Sensorvorrichtung detektierte Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung kann somit in einem ersten Schwingungsmodus betrieben werden, falls die Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung kann somit bei hoher Sensitivität und damit geringem Stromverbrauch Hintergrundgeräusche erfassen. Dies entspricht einem „Aufwachmodus“, in welchem die MEMS-Sensor-Vorrichtung Hintergrundgeräusche wahrnehmen kann, jedoch nicht zum Erfassen von Signalen ausgebildet ist. According to a preferred refinement, the MEMS sensor device comprises a sensor device, which is coupled to the control device and designed to detect a vibration amplitude of the membrane device, wherein the control device is designed to connect the second one between the at least one counterelectrode and at least one part of the membrane device Apply voltage if a detected by the sensor device vibration amplitude of the membrane device is above a predetermined threshold. In this case, the threshold value may also be frequency-dependent and / or lie in predetermined frequency bands, which may be defined, for example, by filter banks. The control device may be further configured to apply the first voltage between the at least one counterelectrode and at least one part of the membrane device if a vibration amplitude of the membrane device detected by the sensor device is below the predetermined threshold value. The MEMS sensor device can thus be operated in a first oscillation mode if the oscillation amplitude of the membrane device is below the predetermined threshold value. The MEMS sensor device can thus detect background noise with high sensitivity and thus low power consumption. This corresponds to a "wake-up mode" in which the MEMS sensor device can perceive background noise, but is not designed to detect signals.

Ist die von der Sensorvorrichtung detektierte Schwingungsamplitude jedoch größer als der vorgegebene Schwellenwert, so legt die Steuervorrichtung die zweite Spannung zwischen Gegenelektrode und Membraneinrichtung an. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung geht dadurch in den zweiten Schwingungsmodus über. Dieser zweite Schwingungsmodus zeichnet sich durch einen höheren Stromverbrauch, jedoch auch eine höhere Bandbreite und dadurch eine höhere Genauigkeit aus. Mit anderen Worten wird die MEMS-Sensor-Vorrichtung somit automatisch aktiviert, d.h. in einen Betriebszustand versetzt, wenn ein die Membranvorrichtung treffender Schall über einem durch den vorgegebenen Schwellenwert definierten Rauschniveau liegt und dadurch die Membraneinrichtung zu Schwingungen anregt, welche über dem vorgegebenen Schwellenwert liegen. Die erfindungsgemäße MEMS-Sensor-Vorrichtung kombiniert somit einerseits große Bandbreite und hohe Präzision mit andererseits niedrigem Stromverbrauch im „Aufwachmodus“.However, if the oscillation amplitude detected by the sensor device is greater than the predefined threshold value, then the control device applies the second voltage between the counter electrode and the membrane device. The MEMS sensor device thereby enters the second oscillation mode. This second vibration mode is characterized by a higher power consumption, but also a higher bandwidth and thus a higher accuracy. In other words, the MEMS sensor device is thus automatically activated, i. put into an operating state when a sounding the membrane device is above a noise level defined by the predetermined threshold and thereby stimulates the membrane device to vibrate, which are above the predetermined threshold. The MEMS sensor device according to the invention thus combines, on the one hand, high bandwidth and high precision with, on the other hand, low power consumption in the "wake-up mode".

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die MEMS-Sensor-Vorrichtung eine Magnetvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld anzulegen, wobei die Elastizität der Membraneinrichtung durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist.According to a preferred development, the MEMS sensor device comprises a magnetic device, which is designed to apply an external magnetic field, wherein the elasticity of the membrane device can be adjusted by changing the applied external magnetic field.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-Vorrichtung in einem ersten Schwingungsmodus gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1 a schematic cross-sectional view of a MEMS sensor device in a first mode of vibration according to a first embodiment of the present invention;

2 eine schematische Draufsicht auf eine Membraneinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform; 2 a schematic plan view of a membrane device according to the first embodiment;

3 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-Vorrichtung in einem zweiten Schwingungsmodus gemäß der ersten Ausführungsform; 3 a schematic cross-sectional view of a MEMS sensor device in a second vibration mode according to the first embodiment;

4 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-Vorrichtung in einem ersten Schwingungsmodus gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 4 a schematic cross-sectional view of a MEMS sensor device in a first mode of vibration according to a second embodiment of the present invention;

5 eine schematische Draufsicht auf eine Membraneinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform; 5 a schematic plan view of a membrane device according to the second embodiment;

6 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-Vorrichtung in einem zweiten Schwingungsmodus gemäß der zweiten Ausführungsform; 6 a schematic cross-sectional view of a MEMS sensor device in a second vibration mode according to the second embodiment;

7 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-Vorrichtung in einem ersten Schwingungsmodus gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 7 a schematic cross-sectional view of a MEMS sensor device in a first mode of vibration according to a third embodiment of the present invention;

8 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-Vorrichtung in einem zweiten Schwingungsmodus gemäß der dritten Ausführungsform; und 8th a schematic cross-sectional view of a MEMS sensor device in a second vibration mode according to the third embodiment; and

9 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine MEMS-Sensor-Vorrichtung. 9 a flowchart for explaining a manufacturing method for a MEMS sensor device.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Des Weiteren können verschiedene Ausführungsformen, soweit nichts anderes angegeben ist, beliebig miteinander kombiniert werden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - provided with the same reference numerals. The numbering of method steps is for the sake of clarity and, in particular, should not, unless otherwise indicated, imply a particular chronological order. In particular, several method steps can be carried out simultaneously. Furthermore, various embodiments, as far as nothing Other specified, can be combined with each other.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-Vorrichtung 100 in einem ersten Schwingungsmodus gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung 100 ist als eine MEMS-Mikrofon-Vorrichtung ausgebildet. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung 100 umfasst hierbei ein Substrat 101, vorzugsweise ein Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat. An dem Substrat 101 ist eine Membraneinrichtung 105 eingespannt. 1 shows a schematic cross-sectional view of a MEMS sensor device 100 in a first vibration mode according to a first embodiment of the present invention. The MEMS sensor device 100 is designed as a MEMS microphone device. The MEMS sensor device 100 in this case comprises a substrate 101 , preferably a semiconductor substrate, in particular a silicon substrate. On the substrate 101 is a membrane device 105 clamped.

2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Membraneinrichtung 105 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Membraneinrichtung 105 ist hierbei kreisförmig ausgebildet und umfasst ein Membranelement 107 sowie vier federartige Elemente 106a bis 106d, welche in einem Randbereich der Membraneinrichtung 105 angeordnet sind, und über welche die Membraneinrichtung 105 in dem Substrat eingespannt ist. Die Elastizität, d.h. die Steifigkeit der Membraneinrichtung 105, ist hierbei vorwiegend durch die Elastizität bzw. den Elastizitätsmodul der federartigen Elemente 106a bis 106d bestimmt. Ein Innendurchmesser d2 der Membraneinrichtung 105 ist definiert durch einen minimalen Abstand zweier federartiger Elemente 106a bis 106d durch einen Mittelpunkt der Membraneinrichtung 105. 2 shows a schematic plan view of the membrane device 105 according to the first embodiment. The membrane device 105 is here formed circular and comprises a membrane element 107 as well as four feathery elements 106a to 106d , which in an edge region of the membrane device 105 are arranged, and via which the membrane device 105 is clamped in the substrate. The elasticity, ie the rigidity of the membrane device 105 , Here is mainly by the elasticity or the modulus of elasticity of the spring-like elements 106a to 106d certainly. An inner diameter d 2 of the membrane device 105 is defined by a minimum distance between two spring-like elements 106a to 106d through a center of the membrane device 105 ,

Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann die Membraneinrichtung 105 eine beliebige Anzahl von federartigen Elementen umfassen. Weiter kann die Membraneinrichtung 105 eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere kann die Membraneinrichtung 105 rechteckig sein oder die Form eines beliebigen Polygons aufweisen.However, the invention is not limited thereto. Thus, the membrane device 105 comprise any number of spring-like elements. Next, the membrane device 105 have any shape. In particular, the membrane device 105 be rectangular or have the shape of any polygon.

Weiter ist auf dem Substrat 101 eine Abdeckvorrichtung 102 angeordnet, welche die Membraneinrichtung 105 überspannt. Die Abdeckvorrichtung 102 weist hierbei Schallöffnungen bzw. Perforierungen 103 auf, welche zum Durchlassen von Schallwellen ausgebildet sind. An einer der Membraneinrichtung 105 zugewandten Unterseite 102a der Abdeckvorrichtung 102 ist eine Anschlagseinrichtung 104 ausgebildet. Die Anschlagseinrichtung 104 ist hierbei kreisringförmig, mit einem Außenradius d1, welcher kleiner oder gleich groß wie der Innendurchmesser d2 der Membraneinrichtung 105 ist. Die Anschlagseinrichtung 104 besteht hierbei aus einem elektrisch isolierenden Material. Next is on the substrate 101 a cover device 102 arranged, which the membrane device 105 spans. The cover device 102 here has sound openings or perforations 103 on, which are designed for the passage of sound waves. At one of the membrane device 105 facing bottom 102 the cover device 102 is a stop device 104 educated. The stop device 104 is here annular, with an outer radius d 1 , which is less than or equal to the inner diameter d 2 of the membrane device 105 is. The stop device 104 consists of an electrically insulating material.

Weiter umfasst die MEMS-Sensor-Vorrichtung 100 eine Steuervorrichtung 109, welche ausgebildet ist, zwischen der Abdeckvorrichtung 102, welche als Gegenelektrode 108 fungiert, und der Membraneinrichtung 105 eine Spannung anzulegen. Legt die Steuervorrichtung 109 hierbei eine erste Spannung an, welche insbesondere gleich Null sein kann, so ist die Anschlagseinrichtung 104 von der Membraneinrichtung 105 beabstandet, wie in 1 gezeigt. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung befindet sich in einem ersten Schwingungsmodus. Die Elastizität der Membraneinrichtung 105 ist hierbei vorwiegend durch die Elastizität der federartigen Elemente 106a bis 106d bestimmt.Further, the MEMS sensor device includes 100 a control device 109 which is formed between the cover device 102 , which as a counter electrode 108 functions, and the membrane device 105 to apply a voltage. Sets the control device 109 In this case, a first voltage, which may be equal to zero in particular, so is the stop device 104 from the membrane device 105 spaced as in 1 shown. The MEMS sensor device is in a first oscillation mode. The elasticity of the membrane device 105 This is mainly due to the elasticity of the spring-like elements 106a to 106d certainly.

Legt die Steuervorrichtung 109 eine zweite Spannung an, welche höher als die erste Spannung ist, so befindet sich die MEMS-Sensor-Vorrichtung 100 in einem zweiten Schwingungsmodus, welcher in 3 illustriert ist. Die angelegte zweite Spannung erzeugt hierbei eine anziehende Kraft auf die Membraneinrichtung 105 und lenkt diese in Richtung der Gegenelektrode 108 aus, bis die Membraneinrichtung 105 die Anschlagseinrichtung 104 berührt. Da der Außenradius d1 der Anschlagseinrichtung 104 kleiner oder gleich groß wie der Innenradius d2 der Membraneinrichtung 105 ist, berührt die Anschlagseinrichtung 104 die Membraneinrichtung 105 in einem Bereich innerhalb der federartigen Elemente 106a bis 106d, das heißt innerhalb des Innenradius d2 der Membraneinrichtung 105. Die federartigen Elemente 106a bis 106d werden im Wesentlichen fixiert und tragen nicht länger zur Elastizität der Membraneinrichtung 105 bei. Die Elastizität bzw. das Elastizitätsmodul der Membraneinrichtung 105 ist nun durch die Elastizität des Membranelements 107 gegeben. Die Elastizität der Membraneinrichtung 105 ist also in dem ersten Schwingungsmodus, wie in 1 illustriert, höher als die Elastizität der Membraneinrichtung 105 in dem zweiten Schwingungsmodus, wie in 3 illustriert. Vorzugsweise ist die Verbindung zwischen der Anschlagseinrichtung 104 und der Membraneinrichtung 105 im zweiten Schwingungsmodus luftdicht. Sets the control device 109 a second voltage which is higher than the first voltage, so is the MEMS sensor device 100 in a second mode of vibration, which in 3 is illustrated. The applied second voltage generates an attractive force on the membrane device 105 and directs them towards the counter electrode 108 out until the membrane device 105 the stop device 104 touched. Since the outer radius d 1 of the stop device 104 less than or equal to the inner radius d 2 of the membrane device 105 is, touches the stop device 104 the membrane device 105 in an area within the feathery elements 106a to 106d that is within the inner radius d 2 of the membrane device 105 , The feathery elements 106a to 106d are substantially fixed and no longer contribute to the elasticity of the membrane device 105 at. The elasticity or elastic modulus of the membrane device 105 is now due to the elasticity of the membrane element 107 given. The elasticity of the membrane device 105 is therefore in the first mode of vibration, as in 1 illustrated, higher than the elasticity of the membrane device 105 in the second vibration mode, as in FIG 3 illustrated. Preferably, the connection between the stop means 104 and the membrane device 105 airtight in the second vibration mode.

Die MEMS-Sensor-Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Sensorvorrichtung 110, welche mit der Steuervorrichtung 109 gekoppelt ist. Die Sensorvorrichtung 110 ist ausgebildet, eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der Membraneinrichtung 105 zu detektieren. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 109 eine Kapazitätsänderung zwischen der Gegenelektrode 108 und der Membraneinrichtung 105 messen und anhand der Kapazitätsänderung eine Schwingungsamplitude bestimmen. Die Sensorvorrichtung 110 ist ausgebildet, die detektierte Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung 105 an die Steuervorrichtung 109 zu übermitteln. Liegt die von der Sensorvorrichtung 110 detektierte Schwingungsamplitude über einem vorgegebenen Schwellenwert, so ist die Steuervorrichtung 109 ausgebildet, zwischen der Gegenelektrode 108 und der Membraneinrichtung 105 die zweite Spannung anzulegen, welche höher als die erste Spannung ist. Liegt umgekehrt die detektierte Schwingungsamplitude unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts, so ist die Steuervorrichtung ausgebildet, zwischen der Gegenelektrode 108 und der Membraneinrichtung 105 die erste Spannung anzulegen. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung 100 befindet sich in diesem Fall im ersten Schwingungsmodus.The MEMS sensor device 100 further comprises a sensor device 110 connected to the control device 109 is coupled. The sensor device 110 is formed, a vibration amplitude of a vibration of the membrane device 105 to detect. For example, the control device 109 a capacitance change between the counter electrode 108 and the membrane device 105 measure and determine a vibration amplitude based on the capacitance change. The sensor device 110 is formed, the detected oscillation amplitude of the membrane device 105 to the control device 109 to convey. Is that from the sensor device 110 detected vibration amplitude above a predetermined threshold, so is the control device 109 formed between the counter electrode 108 and the membrane device 105 to apply the second voltage, which is higher than the first voltage. Lies Conversely, the detected vibration amplitude below the predetermined threshold, the control device is formed between the counter electrode 108 and the membrane device 105 to apply the first voltage. The MEMS sensor device 100 is in this case in the first vibration mode.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann eine Elastizität der Membraneinrichtung 105 zusätzlich durch Magnetostriktion verändert werden. Vorzugsweise umfasst die MEMS-Sensor-Vorrichtung 100 hierzu eine Magnetvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld an die Membraneinrichtung 105 anzulegen, wobei die Elastizität der Membraneinrichtung 105 durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist. Vorzugsweise wird die Elastizität der Membraneinrichtung 105 hierbei derart durch Magnetostriktion verändert, dass die Elastizität in dem zweiten Schwingungsmodus gegenüber der Elastizität in dem ersten Schwingungsmodus verringert wird.According to a preferred development, an elasticity of the membrane device 105 additionally be modified by magnetostriction. Preferably, the MEMS sensor device comprises 100 For this purpose, a magnetic device, which is adapted to an external magnetic field to the membrane device 105 to apply, wherein the elasticity of the membrane device 105 is adjustable by changing the applied external magnetic field. Preferably, the elasticity of the membrane device 105 In this case, magnetostriction is changed in such a way that the elasticity in the second oscillation mode is reduced compared to the elasticity in the first oscillation mode.

4 zeigt eine Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-Vorrichtung 400 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Form und Gestalt der Membraneinrichtung 401. Die Membraneinrichtung 401 ist in 5 illustriert. Die Membraneinrichtung 401 umfasst hierbei ein äußeres Membranelement 403 in einem Randbereich der Membraneinrichtung 401, ein inneres Membranelement 405 in einem Innenbereich der Membraneinrichtung 401 und vier federartige Elemente 402a bis 402d in einem Randbereich der Membraneinrichtung 401. Die Membraneinrichtung 401 umfasst weiter vier federartige Elemente 404a bis 404d in einem Innenbereich der Membraneinrichtung 401 in einem Abstand d5 von den federartigen Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401. Ein erster Innenradius d3 der Membraneinrichtung 401, welcher den minimalen Abstand zweier federartiger Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401, gemessen durch einen Mittelpunkt der Membraneinrichtung 401, bezeichnet, ist hierbei größer als ein zweiter Innenradius d4 der Membraneinrichtung 401, welcher einen minimalen Abstand zweier federartiger Elemente 404a bis 404d im Innenbereich der Membraneinrichtung 401 bezeichnet, wiederum gemessen durch einen Mittelpunkt der Membraneinrichtung 401. 4 shows a cross-sectional view of a MEMS sensor device 400 according to a second embodiment of the present invention. The second embodiment differs from the first embodiment in the shape and shape of the membrane device 401 , The membrane device 401 is in 5 illustrated. The membrane device 401 in this case comprises an outer membrane element 403 in an edge region of the membrane device 401 , an inner membrane element 405 in an inner region of the membrane device 401 and four feathery elements 402a to 402d in an edge region of the membrane device 401 , The membrane device 401 further comprises four spring-like elements 404a to 404d in an inner region of the membrane device 401 at a distance d 5 from the spring-like elements 402a to 402d in the edge region of the membrane device 401 , A first inner radius d 3 of the membrane device 401 , which is the minimum distance between two spring-like elements 402a to 402d in the edge region of the membrane device 401 , measured through a center of the membrane device 401 , designated here, is greater than a second inner radius d 4 of the membrane device 401 , which has a minimum distance between two spring-like elements 404a to 404d in the interior of the membrane device 401 referred to, again measured by a center of the membrane device 401 ,

In dem in 4 gezeigten ersten Schwingungsmodus der MEMS-Sensor-Vorrichtung 400 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung legt die Steuervorrichtung eine erste Spannung, insbesondere eine Spannung gleich null, zwischen der Gegenelektrode 108 und der Membraneinrichtung 401 an, wobei die Membraneinrichtung 401 von der Anschlagseinrichtung 104 beabstandet ist.In the in 4 shown first vibration mode of the MEMS sensor device 400 According to the second embodiment of the invention, the control device applies a first voltage, in particular a zero voltage, between the counter electrode 108 and the membrane device 401 on, wherein the membrane device 401 from the stop device 104 is spaced.

In dem in 6 illustrierten zweiten Schwingungsmodus der MEMS-Sensor-Vorrichtung 400 legt die Steuervorrichtung 109 eine zweite Spannung höher als die erste Spannung an, wodurch eine Kraft auf die Membraneinrichtung 401 in Richtung der Gegenelektrode 108 ausgeübt wird. Die Membraneinrichtung 401 berührt hierbei die Anschlagseinrichtung 104. Der Außenradius d1 der Anschlagseinrichtung 104 ist hierbei derart gewählt, dass in dem zweiten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung 104 die Membraneinrichtung 401 in einem Bereich 403 zwischen den federartigen Elementen 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401 und den federartigen Elemente 404a bis 404d im Innenbereich der Membraneinrichtung 401 berührt.In the in 6 illustrated second mode of vibration of the MEMS sensor device 400 sets the control device 109 a second voltage higher than the first voltage, thereby applying a force to the membrane device 401 in the direction of the counter electrode 108 is exercised. The membrane device 401 touches the stop device 104 , The outer radius d 1 of the stop device 104 is chosen such that in the second vibration mode, the stop device 104 the membrane device 401 in one area 403 between the feathery elements 402a to 402d in the edge region of the membrane device 401 and the feathery elements 404a to 404d in the interior of the membrane device 401 touched.

Die federartigen Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401 weisen vorzugsweise eine höhere Elastizität, d.h. eine höhere Steifigkeit, als die federartigen Elemente 404a bis 404d im Innenbereich der Membraneinrichtung 401 auf. Im in 4 gezeigten ersten Schwingungsmodus tragen dadurch hauptsächlich die federartigen Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401 zur Elastizität der Membraneinrichtung 401 bei.The feathery elements 402a to 402d in the edge region of the membrane device 401 preferably have a higher elasticity, ie a higher stiffness, than the spring-like elements 404a to 404d in the interior of the membrane device 401 on. Im in 4 As a result, the first mode of vibration shown mainly carry the spring-like elements 402a to 402d in the edge region of the membrane device 401 to the elasticity of the membrane device 401 at.

Im zweiten Schwingungsmodus sind die federartigen Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401 im Wesentlichen fixiert, wodurch die Elastizität der Membraneinrichtung 401 im Wesentlichen durch die Elastizität der federartigen Elemente 404a bis 404d im Innenbereich der Membraneinrichtung 401 gegeben ist. Dadurch ist die Elastizität der Membraneinrichtung 401 im zweiten Schwingungsmodus niedriger als im ersten Schwingungsmodus.In the second mode of vibration are the spring-like elements 402a to 402d in the edge region of the membrane device 401 essentially fixed, reducing the elasticity of the membrane device 401 essentially by the elasticity of the spring-like elements 404a to 404d in the interior of the membrane device 401 given is. As a result, the elasticity of the membrane device 401 lower in the second vibration mode than in the first vibration mode.

Die MEMS-Sensor-Vorrichtung 400 kann wiederum eine Magnetvorrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld an die Membraneinrichtung 105 anzulegen, wobei die Elastizität der Membraneinrichtung durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist.The MEMS sensor device 400 may in turn comprise a magnetic device, which is adapted to an external magnetic field to the membrane device 105 to be applied, wherein the elasticity of the membrane device is adjustable by changing the applied external magnetic field.

7 zeigt eine Querschnittsansicht gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 7 shows a cross-sectional view according to a third embodiment of the present invention.

Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform weist die MEMS-Sensor-Vorrichtung 700 gemäß der dritten Ausführungsform keine kreisringförmige Anschlagseinrichtung auf, welche an der Abdeckvorrichtung 102 angeordnet ist. Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform weist die MEMS-Sensor-Vorrichtung 700 Gegenelektroden 704a und 704b auf, welche aus einem zumindest teilweise elektrisch leitenden Material gefertigt sind und an dem Substrat 101 angeordnet sind.In contrast to the first and second embodiments, the MEMS sensor device 700 according to the third embodiment, no annular stop means on which the cover 102 is arranged. In contrast to the first and second embodiments, the MEMS sensor device 700 counter electrodes 704a and 704b on which one of at least partially electrically conductive material are made and on the substrate 101 are arranged.

Weiter unterscheidet sich die dritte Ausführungsform von den ersten und zweiten Ausführungsformen in Form und Gestalt der Membraneinrichtung 701. Die Membraneinrichtung 701 gemäß der dritten Ausführungsform umfasst ein Membranelement 702, sowie ein erstes federartiges Element 703a und ein zweites federartiges Element 703b, welche in einem Randbereich der Membraneinrichtung 701 an dem Membranelement 702 angeordnet sind. Die Membraneinrichtung 701 ist mittels der ersten und zweiten federartigen Elemente 703a und 703b an dem Substrat 101 eingespannt. Die erste Gegenelektrode 704a und die zweite Gegenelektrode 704b sind parallel zu dem ersten federartigen Element 703a und dem zweiten federartigen Element 703b oberhalb der Membraneinrichtung 701 in Richtung der Abdeckvorrichtung 102 angeordnet.Further, the third embodiment differs from the first and second embodiments in the form and shape of the membrane device 701 , The membrane device 701 according to the third embodiment comprises a membrane element 702 , as well as a first spring-like element 703a and a second spring-like element 703b , which in an edge region of the membrane device 701 on the membrane element 702 are arranged. The membrane device 701 is by means of the first and second spring-like elements 703a and 703b on the substrate 101 clamped. The first counter electrode 704a and the second counter electrode 704b are parallel to the first spring-like element 703a and the second spring-like element 703b above the membrane device 701 in the direction of the cover 102 arranged.

Die Membraneinrichtung 701 kann eine beliebige Form aufweisen. So kann die Membraneinrichtung 701 insbesondere kreisförmig oder rechteckig ausgebildet sein. Auch Anzahl und Form der federartigen Elemente können beliebig gewählt werden.The membrane device 701 can have any shape. Thus, the membrane device 701 be formed in particular circular or rectangular. Also number and shape of the spring-like elements can be chosen arbitrarily.

Die erste Gegenelektrode 704a und die zweite Gegenelektrode 704b bilden eine erste Kopplungseinrichtung 704a und eine zweite Kopplungseinrichtung 704b. Die Steuervorrichtung 109 ist ausgebildet, eine Spannung zwischen der ersten Gegenelektrode 704a und dem ersten federartigen Element 703a sowie zwischen der zweiten Gegenelektrode 704b und dem zweiten federartigen Element 703b anzulegen.The first counter electrode 704a and the second counter electrode 704b form a first coupling device 704a and a second coupling device 704b , The control device 109 is formed, a voltage between the first counter electrode 704a and the first spring-like element 703a and between the second counter electrode 704b and the second spring-like element 703b to apply.

Legt die Steuervorrichtung 109 eine erste Spannung, insbesondere eine Spannung gleich null, zwischen der ersten Gegenelektrode 704a und dem ersten federartigen Element 703a sowie zwischen der zweiten Gegenelektrode 704b und dem zweiten federartigen Element 703b an, so wirkt keine oder nur eine geringe Kraft von der ersten und zweiten Gegenelektrode 704a und 704b auf das erste bzw. zweite federartige Element 703a bzw. 703b, und die erste und zweite Gegenelektrode 704a und 704b sind von der Membraneinrichtung 701 beabstandet, wie in 7 illustriert.Sets the control device 109 a first voltage, in particular a voltage equal to zero, between the first counterelectrode 704a and the first spring-like element 703a and between the second counter electrode 704b and the second spring-like element 703b on, so no or only a small force from the first and second counter electrode 704a and 704b on the first and second spring-like element 703a respectively. 703b , and the first and second counter electrodes 704a and 704b are from the membrane device 701 spaced as in 7 illustrated.

Legt die Steuereinrichtung 109 eine zweite Spannung höher als die erste Spannung zwischen der ersten und zweiten Gegenelektrode 704a und 704b an dem ersten bzw. zweiten federartigen Element 703a bzw. 703d an, so entsteht eine Kraft zwischen der ersten bzw. zweiten Gegenelektrode 704a bzw. 704b und der Membraneinrichtung 701, wodurch die erste bzw. zweite Gegenelektrode 704a bzw. 704d die Membraneinrichtung 701 berührt. Die MEMS-Sensor-Vorrichtung 700 befindet sich in dem in 8 illustrierten zweiten Schwingungsmodus.Sets the controller 109 a second voltage higher than the first voltage between the first and second counter electrodes 704a and 704b on the first and second spring-like elements 703a respectively. 703d At, so creates a force between the first and second counter electrode 704a respectively. 704b and the membrane device 701 , whereby the first and second counterelectrode 704a respectively. 704d the membrane device 701 touched. The MEMS sensor device 700 is located in the 8th illustrated second mode of vibration.

Im ersten Schwingungsmodus ist die Elastizität, d.h. das Elastizitätsmodul der Membraneinrichtung 701, vorwiegend durch die Elastizität des ersten bzw. zweiten federartigen Elements 703a bzw. 703b gegeben, und im zweiten Schwingungsmodus ist die Elastizität der Membraneinrichtung 701 sowohl durch die Elastizität des ersten und zweiten federartigen Elements 703a und 703b als auch durch die Elastizität der ersten und zweiten Gegenelektrode 704a und 704b bestimmt.In the first mode of vibration is the elasticity, ie the modulus of elasticity of the membrane device 701 , mainly by the elasticity of the first and second spring-like element 703a respectively. 703b given, and in the second mode of vibration, the elasticity of the membrane device 701 both by the elasticity of the first and second spring-like elements 703a and 703b as well as by the elasticity of the first and second counterelectrode 704a and 704b certainly.

Insbesondere ist die Elastizität der Membraneinrichtung 701 in dem ersten Schwingungsmodus höher als die Elastizität der Membraneinrichtung 701 in dem zweiten Schwingungsmodus.In particular, the elasticity of the membrane device 701 in the first mode of vibration higher than the elasticity of the membrane device 701 in the second vibration mode.

Die zwischen die erste Gegenelektrode 704a und das erste federartige Eleemnt 703a bzw. zwischen die zweite Gegenelektrode 704b und das zweite federartige Element 703b angelegte Spannung dient als Steuerspannung, wobei durch Änderung der Steuerspannung die Elastizität der Membraneinrichtung 701 verändert werden kann. Weiter dient die Abdeckung 102 als eine zusätzliche Gegenelektrode 108. Durch Anlegen einer Spannung zwischen die Gegenelektrode 108 und die Membraneinrichtung 701 können die Schwingungen der Membraneinrichtung 701 gemessen werden und dadurch Mikrofon-Sensordaten erzeugt werden.The between the first counter electrode 704a and the first feathery eleemnt 703a or between the second counterelectrode 704b and the second spring-like element 703b applied voltage serves as a control voltage, whereby by changing the control voltage, the elasticity of the membrane device 701 can be changed. Next serves the cover 102 as an additional counter electrode 108 , By applying a voltage between the counter electrode 108 and the membrane device 701 can the vibrations of the membrane device 701 be measured and thereby microphone sensor data are generated.

Die MEMS-Sensor-Vorrichtung 700 kann wiederum eine Magnetvorrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld an die Membraneinrichtung 105 anzulegen, wobei die Elastizität der Membraneinrichtung durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist.The MEMS sensor device 700 may in turn comprise a magnetic device, which is adapted to an external magnetic field to the membrane device 105 to be applied, wherein the elasticity of the membrane device is adjustable by changing the applied external magnetic field.

Die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. So kann sowohl die Anzahl als auch die Lage der federartigen Elemente und/oder Gegenelektroden unterschiedlich sein.The invention is not limited thereto. Thus, both the number and the position of the spring-like elements and / or counter electrodes may be different.

9 zeigt ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens für eine MEMS-Sensor-Vorrichtung, insbesondere eine der oben beschriebenen Ausführungsformen. 9 shows a flowchart of a manufacturing method for a MEMS sensor device, in particular one of the embodiments described above.

In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird eine Membraneinrichtung an einem Substrat 101 eingespannt, wobei die Membraneinrichtung 701 bewegbar bzw. durch Schallwellen in Schwingung bringbar ist. Die Membraneinrichtung kann insbesondere eine Vielzahl von federartigen Elementen umfassen. Die federartigen Elemente können beispielsweise durch Ätzen, insbesondere durch Trenchätzen strukturiert werden.In a first method step S1, a membrane device is attached to a substrate 101 clamped, wherein the membrane device 701 movable or can be brought into vibration by sound waves. The membrane device may in particular comprise a plurality of spring-like elements. The spring-like elements can be structured, for example, by etching, in particular by trench etching.

In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird mindestens eine Gegenelektrode an dem Substrat ausgebildet. Die Gegenelektrode kann insbesondere Bestandteil einer Abdeckvorrichtung 102 sein, welche die Membraneinrichtung zumindest teilweise überspannt.In a second method step S2, at least one counterelectrode is formed on the substrate. The counter electrode can in particular part of a covering device 102 be, which at least partially spans the membrane device.

In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird mindestens eine Anschlagseinrichtung an dem Substrat ausgebildet. Die Anschlagseinrichtung kann sich insbesondere an der Abdeckvorrichtung 102 befinden. Die Anschlagseinrichtung kann aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein.In a third method step S3, at least one stop device is formed on the substrate. The stop device can in particular on the cover 102 are located. The stop device may be made of an electrically insulating material.

Die Anschlagseinrichtung kann jedoch auch durch die mindestens eine Gegenelektrode gebildet werden.However, the stop device can also be formed by the at least one counter electrode.

In einem vierten Verfahrensschritt S4 wird eine Steuervorrichtung 109 ausgebildet, welche dazu ausgebildet wird, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung eine Spannung anzulegen.In a fourth method step S4, a control device 109 formed, which is adapted to apply a voltage between the at least one counter electrode and at least a part of the membrane device.

In einem ersten Schwingungsmodus, in welchem die Steuervorrichtung zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung eine erste Spannung, insbesondere eine Spannung gleich null, anlegt, ist die Anschlagseinrichtung von der Membraneinrichtung beabstandet.In a first vibration mode in which the control device applies a first voltage, in particular a voltage equal to zero, between the at least one counter electrode and at least part of the membrane device, the stop device is spaced from the diaphragm device.

In einem zweiten Schwingungsmodus, in welchem die Steuervorrichtung zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung eine von der ersten Spannung unterschiedenen zweite Spannung, insbesondere eine zweite Spannung, welche höher als die erste Spannung ist, anlegt, berührt die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung. Die Elastizität der Membraneinrichtung ist hierbei in dem ersten Schwingungsmodus höher als die Elastizität der Membraneinrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus.In a second mode of vibration in which the control device applies a second voltage different from the first voltage, in particular a second voltage which is higher than the first voltage, between the at least one counter electrode and at least one part of the membrane device, the stop device contacts the membrane device. In this case, the elasticity of the membrane device in the first oscillation mode is higher than the elasticity of the membrane device in the second oscillation mode.

Vorzugsweise wird weiter eine Sensorvorrichtung 110 ausgebildet, welche mit der Steuervorrichtung 109 gekoppelt ist. Die Sensorvorrichtung ist hierbei ausgebildet, eine Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung zu detektieren. Die Steuervorrichtung legt hierbei eine zweite Spannung zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung an, falls die Sensorvorrichtung eine Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung detektiert, welche größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Ist die von der Sensorvorrichtung 110 detektierte Schwingungsamplitude kleiner als der vorgegebene Schwellenwert, oder detektiert die Sensorvorrichtung 110 keine Schwingung der Membraneinrichtung, so legt die Steuervorrichtung eine erste Spannung zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung an, insbesondere eine Spannung gleich null. In diesem Fall befindet sich die MEMS-Sensor-Vorrichtung in dem ersten Schwingungsmodus.Preferably, a sensor device is further provided 110 formed, which with the control device 109 is coupled. The sensor device is in this case designed to detect a vibration amplitude of the membrane device. In this case, the control device applies a second voltage between the at least one counterelectrode and at least one part of the membrane device if the sensor device detects a vibration amplitude of the membrane device which is greater than a predefined threshold value. Is that of the sensor device 110 detected vibration amplitude less than the predetermined threshold value, or detects the sensor device 110 no vibration of the membrane device, so the controller applies a first voltage between the at least one counter electrode and at least a part of the membrane device, in particular a voltage equal to zero. In this case, the MEMS sensor device is in the first oscillation mode.

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Claims (9)

MEMS-Sensor-Vorrichtung (100; 400; 700) mit einem Substrat (101); einer an dem Substrat (101) eingespannten Membraneinrichtung (105; 401; 701), welche bewegbar ist, mindestens einer an dem Substrat (101) angeordneten Gegenelektrode (108; 704a, 704b); mindestens einer an dem Substrat (101) angeordneten Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b); einer Steuervorrichtung (109), welche ausgebildet ist, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode (108; 704a, 704b) und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in einem ersten Schwingungsmodus eine erste Spannung anzulegen und in einem zweiten Schwingungsmodus eine zweite Spannung anzulegen, sodass in dem ersten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b) von der Membraneinrichtung (105; 401; 701) beabstandet ist; sodass in dem zweiten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b) die Membraneinrichtung (105; 401; 701) berührt; und wobei eine Elastizität der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in dem ersten Schwingungsmodus höher ist als die Elastizität der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in dem zweiten Schwingungsmodus.MEMS sensor device ( 100 ; 400 ; 700 ) with a substrate ( 101 ); one on the substrate ( 101 ) clamped membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ), which is movable, at least one on the substrate ( 101 ) arranged counter electrode ( 108 ; 704a . 704b ); at least one on the substrate ( 101 ) stop device ( 104 ; 704a . 704b ); a control device ( 109 ), which is formed between the at least one counter electrode ( 108 ; 704a . 704b ) and at least a part of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) to apply a first voltage in a first oscillation mode and to apply a second voltage in a second oscillation mode such that in the first oscillation mode the stop device ( 104 ; 704a . 704b ) from the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) is spaced; so that in the second oscillation mode the stop device ( 104 ; 704a . 704b ) the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) touched; and wherein an elasticity of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) in the first mode of vibration is higher than the elasticity of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) in the second vibration mode. MEMS-Sensor-Vorrichtung (100; 400; 700) nach Anspruch 1, wobei die Membraneinrichtung (105; 401; 701) in einem Randbereich mindestens ein federartiges Element (106a bis 106d; 402a bis 402d; 704a, 704b) umfasst.MEMS sensor device ( 100 ; 400 ; 700 ) according to claim 1, wherein the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) in an edge region at least one spring-like element ( 106a to 106d ; 402a to 402d ; 704a . 704b ). MEMS-Sensor-Vorrichtung (100; 400) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die mindestens eine Anschlagseinrichtung (104) zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.MEMS sensor device ( 100 ; 400 ) according to one of claims 1 or 2, wherein the at least one stop device ( 104 ) consists at least partially of an electrically insulating material. MEMS-Sensor-Vorrichtung (100; 400) nach Anspruch 3, mit einer Abdeckvorrichtung (102), welche die Membraneinrichtung (105; 401) zumindest teilweise überspannt; wobei die Gegenelektrode (108) durch zumindest einen Teil der Abdeckvorrichtung (102) gebildet ist; und wobei die mindestens eine Anschlagseinrichtung (104) an der Abdeckvorrichtung (102) angeordnet ist.MEMS sensor device ( 100 ; 400 ) according to claim 3, with a covering device ( 102 ), which the membrane device ( 105 ; 401 ) at least partially spanned; the counterelectrode ( 108 ) by at least a part of the covering device ( 102 ) is formed; and wherein the at least one stop device ( 104 ) on the cover device ( 102 ) is arranged. MEMS-Sensor-Vorrichtung (400) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Membraneinrichtung (401) in einem Innenbereich mindestens ein weiteres federartiges Element (404a bis 404d) umfasst, wobei in dem zweiten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b) die Membraneinrichtung (105; 401; 701) in einem Bereich (403) zwischen dem mindestens einen federartigen Element (402a bis 402d) im Randbereich und dem mindestens einen federartigen Element (404a bis 404d) im Innenbereich berührt.MEMS sensor device ( 400 ) according to one of claims 3 or 4, wherein the membrane device ( 401 ) in an interior at least one further spring-like element ( 404a to 404d ), wherein in the second oscillation mode the stop device ( 104 ; 704a . 704b ) the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) in one area ( 403 ) between the at least one spring-like element ( 402a to 402d ) in the edge region and the at least one spring-like element ( 404a to 404d ) touched inside. MEMS-Sensor-Vorrichtung (700) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine Anschlagseinrichtung (704a, 704b) durch die mindestens eine Gegenelektrode (704a, 704b) gebildet ist.MEMS sensor device ( 700 ) according to claim 1 or 2, wherein the at least one stop device ( 704a . 704b ) through the at least one counterelectrode ( 704a . 704b ) is formed. MEMS-Sensor-Vorrichtung (100; 400; 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Sensorvorrichtung (110), welche mit der Steuervorrichtung (109) gekoppelt ist und ausgebildet ist, eine Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung (105; 401; 701) zu detektieren, wobei die Steuervorrichtung (109) ausgebildet ist, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode (108; 704a, 704b) und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung (105; 401; 701) die zweite Spannung anzulegen, falls eine von der Sensorvorrichtung (110) detektierte Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung (105; 401; 701) über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt.MEMS sensor device ( 100 ; 400 ; 700 ) according to one of claims 1 to 6, with a sensor device ( 110 ), which with the control device ( 109 ) and is adapted to a vibration amplitude of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ), wherein the control device ( 109 ) is formed, between the at least one counter electrode ( 108 ; 704a . 704b ) and at least part of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) apply the second voltage if any of the sensor device ( 110 ) detected vibration amplitude of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) is above a predetermined threshold. MEMS-Sensor-Vorrichtung (100; 400; 700) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einer Magnetvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld anzulegen, wobei die Elastizität der Membraneinrichtung 107 durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist.MEMS sensor device ( 100 ; 400 ; 700 ) according to one of claims 1 to 7, with a magnetic device which is adapted to apply an external magnetic field, wherein the elasticity of the membrane device 107 is adjustable by changing the applied external magnetic field. Herstellungsverfahren für eine MEMS-Sensor-Vorrichtung (100; 400; 700), mit den Schritten Einspannen (S1) einer Membraneinrichtung (105; 401; 701) an einem Substrat (101), wobei die Membraneinrichtung (105; 401; 701) bewegbar ist; Anordnen (S2) von mindestens einer Gegenelektrode (108; 704a, 704b) an dem Substrat (101); Ausbilden (S3) von mindestens einer Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b) an dem Substrat (101); und Ausbilden (S4) einer Steuervorrichtung (109), welche ausgebildet wird, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode (108; 704a, 704b) und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in einem ersten Schwingungsmodus eine erste Spannung anzulegen und in einem zweiten Schwingungsmodus eine zweite Spannung anzulegen, sodass in dem ersten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b) von der Membraneinrichtung (105; 401; 701) beabstandet ist; sodass in dem zweiten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung (104; 704a, 704b) die Membraneinrichtung (105; 401; 701) berührt; und wobei eine Elastizität der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in dem ersten Schwingungsmodus höher ist als die Elastizität der Membraneinrichtung (105; 401; 701) in dem zweiten Schwingungsmodus.Manufacturing method for a MEMS sensor device ( 100 ; 400 ; 700 ), with the steps of clamping (S1) a membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) on a substrate ( 101 ), wherein the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) is movable; Arranging (S2) at least one counterelectrode ( 108 ; 704a . 704b ) on the substrate ( 101 ); Forming (S3) of at least one stop device ( 104 ; 704a . 704b ) on the substrate ( 101 ); and forming (S4) a control device ( 109 ), which is formed between the at least one counter electrode ( 108 ; 704a . 704b ) and at least a part of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) to apply a first voltage in a first oscillation mode and to apply a second voltage in a second oscillation mode such that in the first oscillation mode the stop device ( 104 ; 704a . 704b ) from the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) is spaced; so that in the second oscillation mode the stop device ( 104 ; 704a . 704b ) the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) touched; and wherein an elasticity of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) in the first mode of vibration is higher than the elasticity of the membrane device ( 105 ; 401 ; 701 ) in the second vibration mode.
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