DE102017213277B4 - Mems-sensoren, verfahren zum bereitstellen derselben und verfahren zum betreiben eines mems-sensors - Google Patents

Mems-sensoren, verfahren zum bereitstellen derselben und verfahren zum betreiben eines mems-sensors Download PDF

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Abstract

MEMS-Sensor (10; 10'; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90) mit folgenden Merkmalen:
einer MEMS-Anordnung (12; 12') umfassend:
eine bewegliche Elektrode (14; 141, 142)
eine Statorelektrode (16), die der beweglichen Elektrode (14; 141, 142) gegenüberliegend angeordnet ist;
eine mit der Statorelektrode (16; 16a, 16b) verbundene erste Vorspannungsquelle (18; 181, 182), die konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung (V1, V5) an die Statorelektrode (16, 16a, 16b) anzulegen; und
eine durch eine kapazitive Kopplung (24) mit der Statorelektrode (16; 16a, 16b) verbundene Gleichtaktausleseschaltung (22) umfassend eine zweite Vorspannungsquelle (26), die ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung (U2) an eine der Statorelektrode (16; 16a, 16b) abgewandte Seite der kapazitiven Kopplung (24) anzulegen;
wobei die bewegliche Elektrode eine erste bewegliche Elektrode (141) ist, und die MEMS-Anordnung ferner eine zweite bewegliche Elektrode (142) umfasst, die der ersten beweglichen Elektrode (141) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Statorelektrode (16; 16a, 16b) zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode (141, 142) angeordnet ist; und
wobei der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um an der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf MEMS-Sensoren, insbesondere MEMS-Sensoren zum Interagieren mit einem Fluid, wie beispielsweise MEMS-Mikrofone oder MEMS-Drucksensoren. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf Verfahren zum Bereitstellen derartiger MEMS-Sensoren und auf ein Verfahren zum Betreiben eines MEMS-Sensors. Die vorliegende Offenbarung beschreibt ferner ein robuster Auslesen eines MEMS-Mikrofons.
  • MEMS-Sensoren können unterschiedliche physikalische Effekte ausnutzen, um sensorische Messungen auszuführen. Ein Beispiel hierfür ist die Auslenkung einer Membran, etwa durch einen Kontakt mit einem Fluid, das bedeutet, einer Flüssigkeit und/oder einem Gas. Derartige MEMS-Sensoren können basierend auf einer Halbleiter-Technologie gebildet sein, das bedeutet, sie können Halbleitermaterialien wie beispielsweise Silizium und/oder Galliumarsenid aufweisen. Auch können weitere Materialien angeordnet sein, die eine entsprechende Funktionalisierung und/oder Passivierung ermöglichen, etwa leitende Materialien wie Metalle und/oder passivierende Materialien wie Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid.
  • Unter http://claus-brell.de/Bilder/Bauanleitungen/Mikrofon-Vorverstaerker_Schaltung_Claus_Brell.jpg ist ein Schaltbild eines Mikrofon-Vorverstärkers mit Hochpass, der auf ca. 200 Hz eingestellt ist, sowie eine 50-fache Verstärkung aufweist, sichtbar.
  • In US 9,602,930 B2 ist ein Mikrofon mit zwei Membranen beschrieben, das genutzt werden kann, um Komponenten in dem Ausgangssignal, die auf einer Beschleunigung des Mikrofons basieren, zu reduzieren oder zu eliminieren.
  • In US 2005/0229710 A1 ist ein kapazitiven Sensor mit einem Gehäuse beschrieben. Das Gehäuse weist eine hermetisch versiegelte Kavität auf. Eine Membran bildet einen Teil der Kavität.
  • In DE 10 2015 104 879 A1 ist ein dynamischer Drucksensor mit einem Substrat und einem darin ausgeformten Referenzvolumen beschrieben.
  • In DE 10 2014 212 340 A1 ist ein MEMS-Mikrofon beschrieben, das ein erstes Membranelement, ein Gegenelektrodenelement und einen Niederdrucktemperaturbereich zwischen dem ersten Membranelement und dem Gegenelektrodenelement umfasst.
  • Wünschenswert wären MEMS-Sensoren, die robust gegenüber einer Umgebung sind, in welcher sie eingesetzt werden.
  • Ausführungsbeispiele schaffen einen MEMS-Sensor mit einer MEMS-Anordnung, die eine bewegliche Elektrode aufweist. Gegenüberliegend zu der beweglichen Elektrode ist eine Statorelektrode angeordnet. Der MEMS-Sensor weist eine mit der Statorelektrode verbundene erste Vorspannungsquelle auf, die konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung an die Statorelektrode anzulegen. Der MEMS-Sensor weist eine durch eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode verbundene Gleichtaktausleseschaltung umfassend eine zweite Vorspannungsquelle, die ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung an eine der Statorelektrode abgewandten Seite der kapazitiven Kopplung anzulegen, auf. Die bewegliche Elektrode ist eine erste bewegliche Elektrode. Die MEMS-Anordnung umfasst ferner eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Statorelektrode zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist. Hierdurch wird im Zusammenspiel mit der Gleichtaktausleseschaltung erreicht, dass sich aufeinander zu- oder voneinander wegbewegende bewegliche Elektroden jeweils einen additiven Beitrag zu einem von der Gleichtaktausleseschaltung erhaltenen Messsignal liefern, im Gegensatz zu sich gegenseitig kompensierenden Beiträgen. Dies ermöglicht den Erhalt robuster MEMS-Sensoren. Der MEMS-Sensor ist ausgebildet, um an der ersten beweglichen Elektrode und der zweiten beweglichen Elektrode mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die bewegliche Elektrode eine erste bewegliche Elektrode. Der MEMS-Sensor umfasst eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Statorelektrode zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist. Hierdurch wird im Zusammenspiel mit der Gleichtaktausleseschaltung erreicht, dass sich aufeinander zu- oder voneinander wegbewegende bewegliche Elektroden jeweils einen additiven Beitrag zu einem von der Gleichtaktausleseschaltung erhaltenen Messsignal liefern, im Gegensatz zu sich gegenseitig kompensierenden Beiträgen. Dies ermöglicht den Erhalt robuster MEMS-Sensoren.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft einen MEMS-Sensor mit einer MEMS-Anordnung umfassend eine erste bewegliche Elektrode, eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist. Der MEMS-Sensor ist so gebildet, dass die erste bewegliche Elektrode in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist, der von dem ersten Abstand verschieden ist. Dies führt zu unterschiedlichen Beiträgen in einer kapazitiven Änderung zwischen der ersten beweglichen Elektrode und der Statorelektrode bzw. der zweiten beweglichen Elektrode und der Statorelektrode, so dass Beeinflussungen des MEMS-Sensors durch äußere Störungen, wie etwa Partikel, Drücke oder variierende Temperaturen in den unterschiedlichen Teilmessungen unterschiedliche Veränderungen hervorrufen und basierend hierauf eine hohe Störunempfindlichkeit erhalten wird, was ebenfalls einen robusten MEMS-Sensor ermöglicht. Der MEMS-Sensor weist ein Gehäuse mit einer Öffnung auf, wobei ein durch die Öffnung eintretender oder austretender Schall und/oder Druck eine Bewegung der ersten beweglichen Elektrode und der zweiten beweglichen Elektrode bewirkt
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft einen MEMS-Sensor mit einer MEMS-Anordnung umfassend eine erste bewegliche Elektrode, eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist. Der MEMS-Sensor ist so gebildet, dass die erste bewegliche Elektrode in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist, der von dem ersten Abstand verschieden ist. Dies führt zu unterschiedlichen Beiträgen in einer kapazitiven Änderung zwischen der ersten beweglichen Elektrode und der Statorelektrode bzw. der zweiten beweglichen Elektrode und der Statorelektrode, so dass Beeinflussungen des MEMS-Sensors durch äußere Störungen, wie etwa Partikel, Drücke oder variierende Temperaturen in den unterschiedlichen Teilmessungen unterschiedliche Veränderungen hervorrufen und basierend hierauf eine hohe Störunempfindlichkeit erhalten wird, was ebenfalls einen robusten MEMS-Sensor ermöglicht. Der MEMS-Sensor ist ferner ausgebildet, um an der ersten beweglichen Elektrode und der zweiten beweglichen Elektrode mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden. Der MEMS-Sensor weist ferner eine Einrichtung zum Anlegen eines ersten Potenzials an die erste bewegliche Elektrode und zum Anlegen eines zweiten Potenzials an die zweite bewegliche Elektrode auf; wobei das erste Potential und das zweiter Potential proportional zu den voneinander verschiedenen Abständen sind, um die voneinander verschiedenen Abstände auszugleichen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer MEMS-Anordnung, die eine erste bewegliche Elektrode, eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Statorelektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend und zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist, aufweist, so dass der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um an der ersten beweglichen Elektrode und der zweiten beweglichen Elektrode mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden. Das Verfahren umfasst ein Verbinden einer ersten Vorspannungsquelle mit der Statorelektrode, so dass die erste Vorspannungsquelle konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung an die Statorelektrode anzulegen. Das Verfahren umfasst ein Verbinden einer Gleichtaktausleseschaltung umfassend eine zweite Vorspannungsquelle durch eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode, so dass die zweite Vorspannungsquelle ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung an eine der Statorelektrode abgewandten Seite der kapazitiven Kopplung anzulegen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein weiteres Verfahren zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer MEMS-Anordnung umfassend eine erste bewegliche Elektrode, eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist. Das Bereitstellen der MEMS-Anordnung wird so ausgeführt, dass die erste bewegliche Elektrode in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist, der von dem ersten Abstand verschieden ist. Das Verfahren umfasst ein Anordnen eines Gehäuse mit einer Öffnung, so dass ein durch die Öffnung eintretender oder austretender Schall und/oder Druck eine Bewegung der ersten beweglichen Elektrode und der zweiten beweglichen Elektrode bewirkt.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein weiteres Verfahren zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen einer MEMS-Anordnung umfassend eine erste bewegliche Elektrode, eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist. Das Bereitstellen der MEMS-Anordnung wird so ausgeführt, dass die erste bewegliche Elektrode in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist, der von dem ersten Abstand verschieden ist. Das Verfahren wird so ausgeführt, dass der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um an der ersten beweglichen Elektrode und der zweiten beweglichen Elektrode mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden. Das Verfahren umfasst ein Anordnen einer Einrichtung zum Anlegen eines ersten Potenzials an die erste bewegliche Elektrode und zum Anlegen eines zweiten Potenzials an die zweite bewegliche Elektrode; und wird so ausgeführt dass das erste Potential und das zweiter Potential proportional zu den voneinander verschiedenen Abständen sind, um die voneinander verschiedenen Abstände auszugleichen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Steuern eines MEMS-Sensors, der eine erste bewegliche Elektrode, eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist, aufweist. Das Verfahren umfasst ein Anlegen einer ersten Vorspannung an die Statorelektrode und ein Anlegen einer zweiten Vorspannung an die Statorelektrode über eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode und an einer der Statorelektrode abgewandten Seite der kapazitiven Kopplung. Das Verfahren umfasst ein Beaufschlagen der ersten beweglichen Elektrode und der zweiten beweglichen Elektrode mit unterschiedlichen Potenzialen.
  • Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassend eine bewegliche Elektrode;
    • 1b eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, der ähnlich aufgebaut ist wie der MEMS-Sensor aus 1a und eine zweite bewegliche Elektrode umfasst;
    • 2 ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die beweglichen Elektroden mit einem Referenzpotenzial verbunden sind;
    • 3 ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die beweglichen Elektroden bezüglich einer Statorelektrode einen voneinander verschiedenen Abstand aufweisen;
    • 4 ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem verglichen mit dem MEMS-Sensor aus 3 nur eine der beweglichen Membranen angeordnet ist;
    • 5 ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die beweglichen Elektroden verglichen mit dem MEMS-Sensor aus 2 mit voneinander unterschiedlichen Potenzialen verbindbar sind;
    • 6 ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Statorelektrode ein erstes Statorelektrodenelement und ein zweites Statorelektrodenelement aufweist;
    • 7 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, der als sogenanntes Top-Port-Mikrofon ausgeführt ist;
    • 8 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, der verglichen mit dem MEMS-Sensor aus 7 als Bottom-Port-Mikrofon ausgeführt ist;
    • 9 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine elektrische Verbindung in eine Platine integriert ist;
    • 10 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
    • 11 ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
    • 12 ein schematisches Flussdiagramm eines weiteren Verfahrens zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
  • Nachfolgende Ausführungsbeispiele beziehen sich auf MEMS-Sensoren, insbesondere solche Sensoren, die mit einem Fluid kontaktierbar sind, etwa um einen Druck und/oder einen Druckverlauf des Fluids zu erfassen, d. h., auf MEMS-Mikrofone und MEMS-Drucksensoren. Manche der nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich ferner auf solche MEMS-Sensoren, die eine Statorelektrode aufweisen, die vergleichsweise unbeweglich ist, das bedeutet, so ausgeführt ist, dass sie einen mit anderen Elektroden vergleichsweise geringen Hub ausführt. Die Statorelektrode ist zwischen einer ersten und einer zweiten beweglichen Elektrode angeordnet, so dass eine Bewegung der ersten beweglichen Elektrode gegenüber der Statorelektrode und eine Bewegung der zweiten beweglichen Elektrode gegenüber der Statorelektrode zu einer Veränderung eines Kapazitätswerts zwischen dem jeweiligen Elektrodenpaar führt.
  • Zwischen den beweglichen Elektroden kann ein Umgebungsfluid, etwa Luft, angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, dass zwischen den beiden beweglichen Elektroden ein geschlossenes Volumen vorliegt, in welchem beispielsweise ein Referenzfluid, ein Referenzdruck und/oder ein Vakuum angeordnet ist. Die beweglichen Elektroden können mechanisch miteinander über Stützstrukturen verbunden sein, etwa um eine Veränderung eines Abstands zwischen den beiden beweglichen Elektroden durch einen äußeren Druck oder dergleichen zu verringern.
  • Ein Material für die Statorelektrode und/oder die beweglichen Elektroden kann beispielsweise ein dotiertes Halbleitermaterial wie etwa Silizium sein. Als Dotiermaterialien können beliebige hierfür geeignete Materialien eingesetzt werden, etwa Bor oder Phosphor. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, eine leitende Beschichtung auf ein möglicherweise nicht-leitendes Halbleitermaterial aufzubringen, etwa durch Abscheiden oder Aufdampfen eines Metallmaterials. In ähnlicher Weise kann die Statorelektrode gebildet sein, wobei diese durch strukturelle Maßnahmen, etwa eine erhöhte Dicke, mit einer geringen Beweglichkeit gebildet sein kann. Zwischen zwei zueinander in Beziehung stehenden Elektroden, d. h. der ersten beweglichen Elektrode und der Statorelektrode sowie der zweiten beweglichen Elektrode und der Statorelektrode kann jeweils eine Isolationsschicht angeordnet sein, die einen Kurzschluss im Falle eines mechanischen Kontakts vermeidet. Eine derartige Isolationsschicht kann beispielsweise ein Siliziumoxidmaterial oder ein Siliziumnitridmaterial umfassen.
  • 1a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der MEMS-Sensor 10 umfasst eine MEMS-Anordnung 12, die eine bewegliche Elektrode 14 und eine Statorelektrode 16 aufweist. Die Statorelektrode 16 kann der beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet sein. Die bewegliche Elektrode 14 kann entlang einer Richtung z in positiver und/oder negativer Richtung derselben auslenkbar sein und sich so der Statorelektrode 16 annähern oder von dieser weg bewegen, so dass eine Funktionalität gemäß einem variablen Plattenkondensator und gemäß einem Mikrophon oder Drucksensor erhalten wird.
  • Eine Bewegung oder Auslenkung der beweglichen Elektrode 14 ist durch gestrichelte Linien angedeutet, die mit den Bezugszeichen 14' und 14" versehen sind, wobei 14' eine Bewegung der beweglichen Elektrode 14 von der Statorelektrode 16 weg bezeichnen kann, während das Bezugszeichen 14" eine Bewegung hin zu der Statorelektrode 16 bezeichnen kann.
  • Die beweglichen Elektrode 14 und/oder die Statorelektrode 16 können gegenüber einander von einem Substrat 17 gehalten werden und/oder mit diesem mechanisch fest verbunden sein. Das Substrat 17 kann beispielsweise ein Halbleitermaterial umfassen.
  • Der MEMS-Sensor 10 umfasst eine Vorspannungsquelle 18, die mit der Statorelektrode 16 verbunden ist und konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung U1 an die Statorelektrode 16 anzulegen.
  • Der MEMS-Sensor 10 umfasst ferner eine Gleichtaktausleseschaltung 22, die über eine kapazitive Kopplung 24 ebenfalls mit der Statorelektrode 16 elektrisch verbunden ist. Obwohl die Statorelektrode 16 so dargestellt ist, dass die Vorspannungsquelle 18 und die Gleichtaktausleseschaltung 22 an unterschiedlichen Stellen elektrisch mit der Statorelektrode 16 verbunden sind, ist es möglich, die kapazitive Kopplung auch räumlich benachbart zu der Vorspannungsquelle 18 zu implementieren, etwa durch ein Verbinden der kapazitiven Kopplung 24 in einem Pfad zwischen der Vorspannungsquelle 18 und der Statorelektrode 16 sowie einer Anordnung der Gleichtaktausleseschaltung 22 über die kapazitive Kopplung an die Statorelektrode 16. Die Gleichtaktausleseschaltung 22 kann eine zweite Vorspannungsquelle 26 aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Vorspannung U2 über die kapazitive Kopplung 24 an die Statorelektrode 16 anzulegen. Hierfür ist die Vorspannungsquelle 26 an einer der Statorelektrode 16 abgewandten Seite der kapazitiven Kopplung 24 mit der kapazitiven Kopplung 24 verbunden. Die Gleichtaktausleseschaltung 22 kann konfiguriert sein, um ein Messsignal 28 bereitzustellen, das eine Information bezüglich einer Bewegung der beweglichen Elektrode 14 gegenüber der Statorelektrode 16 angibt.
  • Verglichen mit einer differenziellen Ausleseschaltung kann beispielsweise die Bewegung 14"1 , die gleichzeitig mit der Bewegung 14"2 erfolgt, in dem Messsignal 28 festgestellt werden, da sich die kapazitiven Veränderungen zwischen der beweglichen Elektrode 141 und der Statorelektrode 16 sowie der beweglichen Elektrode 142 und der Statorelektrode 16 aufaddieren. Dies ist durch die Kapazität C1 dargestellt, die es ermöglicht, dass eine Veränderung des Abstands zwischen der beweglichen Elektrode 141 und der Statorelektrode 16 eine Spannungsänderung am Messsignal 28 bewirkt. Die Gleichtaktausleseschaltung 22 kann konfiguriert sein, um durch das Messsignal 28 einen hiermit korrelierten ersten Kapazitätswert zwischen der beweglichen Elektrode 141 und der Statorelektrode 16 und einem zweiten Kapazitätswert zwischen der beweglichen Elektrode 142 und der Statorelektrode zu erfassen.
  • Der MEMS-Sensor 10 kann somit auch in variierenden Umgebungsbedingungen eingesetzt werden, wo beispielsweise äußere Drücke oder Temperaturänderungen dazu führen, dass sich die beweglichen Elektroden 141 und 142 gleichzeitig auf die Statorelektrode 16 zu bewegen oder von dieser weg bewegen, was mit einer differenziellen Ausleseschaltung schwer oder nicht feststellbar wäre.
  • 1b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors 10' gemäß einem Ausführungsbeispiel, der ähnlich aufgebaut ist wie der MEMS-Sensor 10 und eine zweite bewegliche Elektrode 142 umfasst. Die bewegliche Elektrode 141 kann der beweglichen Elektrode 14 aus 1a entsprechen. Die bewegliche Elektrode 142 kann gleich implementiert sein wie die bewegliche Elektrode 141 und so angeordnet sein, dass bewegliche Elektrode 141 gegenüberliegend der beweglichen Elektrode 142 angeordnet ist und die Statorelektrode 16 zwischen den beweglichen Elektroden 141 und 142 angeordnet ist.
  • Die bewegliche Elektrode 141 und 142 können beide entlang der Richtung z in jeweils positiver und/oder negativer Richtung derselben auslenkbar sein. Beispielsweise können sich die beweglichen Elektroden 141 und 142 zumindest näherungsweise gleich oder synchron bewegen, etwa die Bewegung 14'1 und 14"2 oder 14"1 und 14'2 gleichzeitig ausführen oder sich aufeinander zubewegen oder voneinander wegbewegen. Eine Bewegung oder Auslenkung der beweglichen Elektroden 141 und/oder 142 ist in Übereinstimmung mit 1a durch gestrichelte Linien angedeutet, die mit den Bezugszeichen 14'1 bzw. 14'2 versehen sind. Hierbei können 14'1 und 14'2 eine Bewegung der jeweiligen beweglichen Elektrode 141 bzw. 142 von der Statorelektrode 16 weg bezeichnen, während die Bezeichnungen 14"1 und 14"2 eine Bewegung hin zu der Statorelektrode 16 bezeichnen können.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die beweglichen Elektroden 141 und 142 mechanisch mit einander durch eine Ebene der Statorelektrode 16 hindurch verbunden sein und ausgebildet sein, um eine simultane Bewegung auszuführen. Hierfür kann die Statorelektrode 16 Öffnungen oder Aussparungen aufweisen, durch die Stützelemente ragen, die die beweglichen Elektroden 141 und 142 mit einander verbinden.
  • Die beweglichen Elektroden 141 und/oder 142 können ebenfalls mit einem Potenzial verbindbar sein und/oder einzeln oder gemeinsam mit einem anderen Potenzial verbindbar sein, das zwischen den beweglichen Elektroden 141 und 142 gleich sein kann oder von einander verschieden sein kann. So kann auch das Verbinden mit dem Bezugspotenzial einzeln oder gemeinsam erfolgen, das bedeutet, die beweglichen Elektroden 141 und 142 können ein gemeinsames oder ein voneinander verschiedenes Potenzial aufweisen. Die beweglichen Elektroden 141 und 142 können beispielsweise mit einem Referenzpotenzial verbindbar sein oder dieses aufweisen, um eine geringe Störempfindlichkeit gegenüber äußeren Komponenten aufzuweisen, wenn diese mit den beweglichen Elektroden in Kontakt treten oder in deren Nähe gelangen.
  • Wie es für die bewegliche Elektrode 14 in 1a beschrieben ist kann auch bezüglich der beweglichen Elektrode 142 eine Kapazität C2 zwischen der beweglichen Elektrode 142 und der Statorelektrode 16 wirken, so dass das von der Gleichtaktausleseschaltung bereitgestellte Messsignal 28 eine Information bezüglich einer Bewegung der beweglichen Elektroden 141 und/oder 142 gegenüber der Statorelektrode 16 angeben kann. Jede der einzelnen Bewegungen der beweglichen Elektroden 141 und 142 kann einen Beitrag zu dem Messsignal 28 liefern.
  • In anderen Worten kann durch eine Anordnung, die beide Membrane auf dasselbe Potenzial zieht und deswegen als kurzgeschlossene Membrane bezeichnet werden können, und die auch mit dem MEMS-Substrat das gleiche Potenzial aufweisen, etwa GND, erreicht werden, dass es robust auf beiden Seiten des MEMS ist, insbesondere für das vorderseitige und rückseitige Volumen. Ein derartiges MEMS kann einfach gefertigt werden, da auf eine Isolation zwischen den beiden beweglichen Membranen verzichtet werden kann. Für die kurzgeschlossenen Membrane kann eine Ausleseschaltung gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen verwendet werden. In der dargestellten Konfiguration kann das elektrische Signal, das durch die Verschiebung der oberen Membran 141 erhalten wird, umgekehrt proportional zu dem Signal sein, das durch die untere Membran 142 erzeugt wird, so dass das akustische Signal kompensiert oder ausgelöscht wird oder zumindest gedämpft wird. Die Ausführung gemäß 2 ermöglicht eine robuste Topologie, bei der akustische Signale gedämpft oder ausgelöscht werden können, so dass eine hohe Effizienz als Drucksensor möglich ist. Insbesondere ist eine Verwendung als Umgebungsdrucksensor möglich.
  • 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die beweglichen Elektroden 141 und 142 der MEMS-Anordnung 12 können mit einem Referenzpotenzial Uref verbunden sein, beispielsweise 0 Volt oder Masse (Ground - GND) oder eine anderes Potenzial. Alternativ oder zusätzlich kann das Substrat 17 mit dem Referenzpotenzial Uref verbunden sein. Die Konnektierung/Verbindung der beweglichen Membrane 141 und/oder 142 und/oder die Konnektierung des Substrats 17 mit dem Bezugspotenzial Uref kann eine hohe Unempfindlichkeit der MEMS-Anordnung 12 gegenüber Leckströmen ermöglichen, wenn beispielsweise Verunreinigungen oder Partikel mit den jeweiligen Komponenten in Kontakt treten und/oder eine elektrische oder mechanische Verbindung zu anderen leitenden Teilen herstellen. Die Statorelektrode 16 kann gegenüber dem Substrat 17 elektrisch isoliert sein, etwa durch Verwendung einer Isolationsschicht oder dergleichen. Dies ermöglicht die Verringerung oder gar Vermeidung von Leckströmen oder dergleichen zwischen der Statorelektrode 16 und dem Substrat 17. Eine mögliche Ursache für derartige Leckströme können bspw. leitfähige Partikel sein, die in den MEMS-Sensor eindringen. Ein Abstand der beweglichen Elektroden 141 und 142 zu der Statorelektrode kann beispielsweise zumindest 0,5 µm und höchstens 10 µm, zumindest 1 µm und höchstens 5 µm oder zumindest 1,5 µm und höchstens 4 µm, etwa 2 µm betragen. Partikel in entsprechender Größe können eine mechanische und möglicherweise elektrische Verbindung herstellen.
  • Obwohl das Substrat 17 so dargestellt ist, dass es mit den beweglichen Elektroden 141 und 142 auf dem gemeinsamen Bezugspotenzial Uref liegt, können alternativ auch voneinander verschiedene Potenziale anlegbar sein. Zumindest eine der beweglichen Elektroden 141 und 142 können von einer Umgebung des Substrats 17 elektrisch isoliert sein.
  • Zwischen der Vorspannungsquelle 18 und der Statorelektrode 16 kann eine Filteranordnung 32 angeordnet sein, die ausgebildet ist, um die von der Vorspannungsquelle 18 bereitgestellte Spannung U1 gegenüber der Statorelektrode 16 sowie eine Spannungsänderung an der Statorelektrode 16 durch eine Bewegung der beweglichen Elektroden 141 und/oder 142 gegenüber der Vorspannungsquelle 18 zu filtern. Beispielsweise kann das Filter 32 als Tiefpassfilter gebildet sein und einen ohmschen Widerstand R1 sowie eine elektrische Kapazität C3 aufweisen. Weitere ohmsche Widerstände können zwischen dem Filter 32 und der MEMS-Anordnung 12 angeordnet sein, wie es durch R2 dargestellt ist. Beispielsweise kann es sich hier um Leitungswiderstände und/oder um Widerstandselemente handeln.
  • Die Gleichtaktausleseschaltung 22 kann ebenfalls ohmsche Widerstände aufweisen, wie es durch R3 angedeutet ist. Hierbei kann es sich, vergleichbar mit R2 , um Leitungswiderstände und/oder ohmsche Widerstandselemente handeln. Ferner kann die Gleichtaktausleseschaltung 22 ein Verstärkerelement 34 aufweisen, das ausgebildet sein kann, um das von der kapazitiven Kopplung 24 und der Vorspannungsquelle 26 erhaltene Signal zu verstärken, um das Messsignal 28 bereitzustellen. Bei dem Verstärkerelement 34 kann es sich beispielsweise um einen Operationsverstärker handeln. Alternativ ist es ebenfalls möglich, andere oder weitere Verstärkerelemente anzuordnen, etwa Röhrenverstärker oder dergleichen.
  • Die Vorspannungsquelle 18 kann, wie es bereits in 1 ersichtlich ist, ausgebildet sein, um die MEMS-Anordnung 12 mit einer Vorspannung zu versehen, so dass die Spannung U1 auch als eine MEMS-Vorspannung (MEMS Bias) bezeichnet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorspannungsquelle 26 ausgebildet sein, um die Gleichtaktausleseschaltung mit einer Vorspannung, der Spannung U2 , zu versorgen. Die Gleichtaktausleseschaltung 22 kann Teil einer Steuerschaltung zum Steuern und/oder Auswerten des MEMS-Sensors 20 sein. Eine derartige Steuerschaltung kann beispielsweise als anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit - ASIC) gebildet sein, so dass es sich bei der Spannung U2 um eine ASIC-Vorspannung (ASIC Bias) handeln kann. Das MEMS bzw. die MEMS-Anordnung 12 und der ASIC können mit unterschiedlichen Spannungslevel oder Potentialwerten betrieben werden. Die Anordnung zweier, getrennt voneinander steuerbarer Vorspannungsquellen 18 und 26 ermöglicht es, die MEMS-Anordnung 12 sowie die Gleichtaktausleseschaltung 22 mit jeweils hierfür geeigneten Spannungen zu versorgen. Die Vorspannungsquelle 18 kann ausgebildet sein, um die Spannung U1 so anzulegen, dass diese ein Potenzial von zumindest 3 Volt aufweist. gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das Potenzial U1 einen Wert von zumindest 3 Volt und höchstens 15 Volt, zumindest 4 Volt und höchstens 13 Volt oder zumindest 5 Volt und höchstens 10 Volt. Im Gegensatz hierzu kann die Spannung U2 bzw. das zugeordnete Potenzial einen Wert von höchstens 2,5 Volt aufweisen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt ein Wert der Spannung U2 einen Wert von zumindest 0 Volt und höchstens 2,5 Volt, von zumindest 0,1 Volt und höchstens 1,5 Volt oder von zumindest 0,2 Volt und höchstens 1 Volt. Die Spannungen U1 und U2 können gemäß einem Ausführungsbeispiel Gleichspannungen sein.
  • Obwohl die beweglichen Elektroden 141 und 142 so dargestellt sind, dass sie mit dem Referenzpotenzial Uref verbunden sind, können die Elektroden auch mit einem anderen gemeinsamen Potenzial verbunden sein. Die Statorelektrode 16 ist mit einem hiervon verschiedenen Potenzial verbunden.
  • 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die beweglichen Elektroden 141 und 142 bezüglich der Statorelektrode 16 einen voneinander verschiedenen Abstand 361 bzw. 362 aufweisen. Der Abstand 362 kann innerhalb der im Zusammenhang mit der 2 erwähnten Bereiche liegen und beispielsweise 2 µm betragen. Dahingegen kann der hier gegenüber vergrößerte Abstand 361 einen Wert von zumindest 2 µm und höchstens 20 µm, zumindest 3 µm und höchstens 15 µm, zumindest 5 µm und höchstens 12 µm, in etwa 10 µm betragen. Obwohl die Abstände 361 und 362 so beschrieben sind, dass der Abstand 361 größer ist als der Abstand 362 , kann alternativ auch der Abstand 362 größer sein als der Abstand 361 .
  • Die beweglichen Membrane 141 und 142 weisen ein gemeinsames Bezugspotenzial Uref auf, so dass eine gleiche Bewegungsamplitude in den beweglichen Elektroden 141 und 142 basierend auf den voneinander verschiedenen Abständen 361 und 362 zur Statorelektrode 16 unterschiedliche Auswirkungen in den Änderungen der Kapazitätswerte zwischen der jeweiligen beweglichen Elektrode 141 bzw. 142 und der Statorelektrode 16 hervorruft. Dies ermöglicht eine Überlagerung unterschiedlicher Wertebereiche von Spannungsänderungen in dem Messsignal 28, die durch eine entsprechende Auslese- oder Auswerteschaltung erkennbar und auswertbar sind. Das bedeutet, dass die Kompensation der Bewegungen der beweglichen Elektroden 141 und 142 , etwa im Zusammenhang mit der Verwendung als Mikrofon, dadurch reduziert oder aufgehoben werden kann, dass ein bewusst voneinander verschiedener Abstand zwischen den beweglichen Elektroden 141 und 142 zu der Statorelektrode 36 eingestellt wird. Ein Quotient aus den Abständen 361 und 362 kann einen Wert aufweisen, der zumindest 1,1 beträgt. Alternativ ist es ebenfalls möglich, die Abstände 361 und 362 so zu wählen, dass der Wert zumindest 2, zumindest 5 oder zumindest 10 beträgt, wobei dies unter der Annahme erfolgen kann, dass der größere Abstand im Zähler eines Bruchs und der geringere Abstand im Nenner eines Bruchs steht.
  • Der Aspekt der unterschiedlichen Abstände 361 und 362 kann auch unabhängig von der Konnektierung des MEMS-Sensors mit der Gleichtaktausleseschaltung 22 erfolgen. Das bedeutet, dass sich ein Ausführungsbeispiel auf einen MEMS-Sensor mit der MEMS-Anordnung 12, das bedeutet, der beweglichen Elektroden 141 und 142 , zwischen denen die Statorelektrode 16 angeordnet ist, beziehen kann, bei dem die bewegliche Elektrode 141 in einem Ruhezustand, das bedeutet, in einem unausgelenkten oder nicht mit Drücken oder Spannungen beaufschlagten Zustand, mit dem Abstand 361 zu der Statorelektrode 16 angeordnet ist und die bewegliche Elektrode 142 in dem Ruhezustand mit dem Abstand 362 zu der Statorelektrode angeordnet ist, wobei die Abstände 361 und 362 wie beschrieben voneinander verschieden sind.
  • 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors 40, bei dem verglichen mit dem MEMS-Sensor 30 nur eine der beweglichen Membranen angeordnet ist, das bedeutet, eine Abwesenheit der zweiten beweglichen Membran kann implementiert sein. Die Gleichtaktausleseschaltung 22 kann ohne Einschränkungen das Messsignal 28 basierend auf einer Bewegung der auslenkbaren Membran 14 erhalten.
  • Der MEMS-Sensor 40 kann als Extremfall des MEMS-Sensors 30 verstanden werden, bei dem der Abstand 361 beispielsweise unendlich beträgt. Eine derartige Annahme kann jedoch auch bereits getroffen werden, wenn der im Zusammenhang mit der 3 beschriebene Quotient einen Wert von 10 übersteigt, das bedeutet, der Abstand 361 ist um einen Faktor von zumindest 10 größer als der Abstand 362 , so dass ein Einfluss der wirkenden Kapazität zwischen der auslenkbaren Membran 141 und der Statorelektrode 16 gering bis vernachlässigbar wird. Dies kann so betrachtet werden als sei eine der Elektroden abwesend, was in Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1a ist.
  • In anderen Worten kann zum Erhalten einer Sensitivät gegenüber Schallwellen und zum Betrieb des MEMS-Sensors 30 oder 40 als Mikrofon eine Asymmetrie in dem MEMS-Sensor implementiert werden, so dass Abstände zwischen den beweglichen Elektroden und der Statorelektrode durch Auslegung, das bedeutet absichtlich unterschiedlich zueinander sind und/oder eine der beweglichen Elektroden abwesend ist. Durch die erhaltene mechanische Asymmetrie können Signale mit unterschiedlicher Amplitude erhalten werden. Dadurch kann der Effekt der gegenseitigen Auslöschung reduziert oder verhindert werden. Ein dominanter Anteil der Signale kann beispielsweise von der beweglichen Elektrode 142 herrühren, da der nähere Kondensator mehr Ladungen trägt. Dessen Signalanteil kann durch das Signal des Kondensators mit der geringeren Menge an Ladungsträgern, d. h., der beweglichen Membran 141 reduziert werden.
  • 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die beweglichen Elektroden 141 und 142 verglichen mit dem MEMS-Sensor 20 mit voneinander unterschiedlichen Potenzialen verbindbar sind. So kann die bewegliche Elektrode 141 über eine Spannung U3 mit einem ersten Potenzial und die bewegliche Elektrode 142 mit einer Spannung U4 auf ein zweites Potenzial gehoben werden. Die Potenziale durch die Spannungen U3 und U4 können von dem Referenzpotenzial Uref verschieden sein. Die beweglichen Elektroden 141 und 142 können gegenüber dem Substrat elektrisch isoliert sein, wobei das Substrat 17 mit dem Referenzpotenzial Uref elektrisch verbunden sein kann.
  • Die Spannungen U3 und U4 können beide jeweils das Erhalten eines Potenzials ermöglichen, das von dem Referenzpotenzial Uref verschieden ist, das bedeutet, die Spannungen U3 und U4 können von NULL verschieden sein. Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass eine der Spannungen U3 oder U4 einen Wert von NULL aufweist, so dass die entsprechende bewegliche Elektrode 141 oder 142 mit dem Referenzpotenzial elektrisch verbunden ist und dessen Potenzial aufweist. Werden beide Spannungen U3 und U4 zu NULL gesetzt, so kann die Konfiguration gemäß dem MEMS-Sensor 20 erhalten werden. In diesem Fall kann auch auf eine Isolierung der beweglichen Elektroden 141 und 142 verzichtet werden.
  • Ist zumindest eine der Spannungen U3 oder U4 von NULL verschieden und sind die Spannungen U3 und U4 voneinander verschieden, so kann ein voneinander verschiedener Abstand zwischen der beweglichen Elektrode 141 und der Statorelektrode 16 und der beweglichen Elektrode 142 und der Statorelektrode 16 ausgeglichen werden. Beispielsweise kann es sich hierbei um Fertigungstoleranzen handeln, die zu einem möglicherweise unbeabsichtigt voneinander verschiedenen Abstand führen. Bei einem voneinander verschiedenen Abstand kann ein gleiches Potenzial an den beweglichen Elektroden 141 und 142 zu voneinander verschiedenen Amplituden im Ausschlag des Messsignals 28 führen, was durch eine Anpassung der Spannungen U3 und U4 proportional zu den voneinander verschiedenen Abständen ausgeglichen oder kompensiert werden kann. Das bedeutet, ein Anlegen unterschiedlicher Potenziale an die Elektroden 141 und 142 ermöglicht eine hohe Robustheit von MEMS-Sensoren.
  • An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass das Einstellen unterschiedlicher Potenziale an unterschiedlichen beweglichen Elektroden 141 und 142 beispielsweise auch in der Konfiguration gemäß 1b und/oder der Konfiguration gemäß 3 angewendet werden kann, etwa um ähnliche Effekte, wie sie die mechanische Asymmetrie gemäß 3 ermöglicht, durch eine elektrische Asymmetrie zu erhalten. Das bedeutet, voneinander verschiedene Spannungen U3 und U4 können unterschiedliche Empfindlichkeiten einer jeweiligen Bewegung der jeweiligen beweglichen Elektroden 141 und 142 ermöglichen.
  • 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines MEMS-Sensors 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Statorelektrode ein erstes Statorelektrodenelement 16a und ein zweites Statorelektrodenelement 16b aufweist. Das erste Statorelektrodenelement 16a ist der beweglichen Elektrode 141 zugewandt angeordnet. Das Statorelektrodenelement 16b ist gegenüberliegend dem Statorelektrodenelement 16a angeordnet und der beweglichen Elektrode 142 zugewandt angeordnet. Der MEMS-Sensor 60 ist ausgebildet, um das erste Statorelektrodenelement 16a und das zweite Statorelektrodenelement 16b mit einem voneinander verschiedenen Potenzial zu beaufschlagen. Hierfür kann der MEMS-Sensor 60 eine Vorspannungsquelle 181 aufweisen, die beispielsweise der Vorspannungsquelle 18 aus 1 entsprechen kann. Die Vorspannungsquelle 181 kann ausgebildet sein, um das Potenzial U1 an das Statorelektrodenelement 16a anzulegen. Zusätzlich kann der MEMS-Sensor 60 eine Vorspannungsquelle 182 aufweisen, die ausgebildet ist, um basierend auf einer Spannung U5 ein entsprechendes Potenzial an das Statorelektrodenelement 16b anzulegen. Die Spannung U5 kann betragsmäßig innerhalb eines Toleranzbereichs von ± 50%, ± 20%, ± 10% oder ± 5% gleich sein wie die Spannung U1 und kann beispielsweise eine hiervon verschiedene Polarität aufweisen. Das bedeutet, dass die Potenziale, die basierend auf den Spannungen U1 und U2 erhalten werden, voneinander verschiedene Vorzeichen bezogen auf das Referenzpotenzial Uref aufweisen können.
  • Die Statorelektrodenelemente 16a und 16b können auch als eine zweifache Ausführung der Statorelektrode verstanden werden, wobei jeweils eines der Statorelektrodenelemente 16a und 16b zur kapazitiven Kopplung mit einer der beweglichen Elektroden 141 bzw. 142 gebildet ist. Durch die voneinander verschiedenen Potenziale kann ebenfalls eine hohe Messsensitivät erhalten werden. Jedes der Statorelektrodenelemente 16a und 16b kann über eine kapazitive Kopplung 241 bzw. 242 mit der gemeinsamen Vorspannungsquelle 26 verbunden sein.
  • Alternativ zu einer betragsmäßig gleichen Ausführung der Spannung U5 zu der Spannung U1 , was zu betragsmäßig gleichen jedoch vorzeicheninvertierten Potenzialen an den Statorelektrodenelementen 16a und 16b führen kann, können auch vorzeichengleiche Potenzial U1 und U5 angelegt werden und/oder betragsmäßig gleiche Potenzial U1 und U5 . Sind die Potenziale U1 und U5 sowohl vorzeichenmäßig als auch betragsmäßig gleich, so kann sich der MEMS-Sensor 60 beispielsweise so verhalten, wie es im Zusammenhang mit der 2 beschrieben ist.
  • Durch die Ausführung der Statorelektrode in Form der Statorelektrodenelemente 16a und 16b kann der MEMS-Sensor 60 ausgebildet sein, um eine erste Bewegung der beweglichen Elektrode 141 gegenüber dem Statorelektrodenelement 16a und eine Bewegung der beweglichen Elektrode 142 gegenüber dem Statorelektrodenelement 142 zu erfassen. Diese können beispielsweise zwei im Wesentlichen unabhängig voneinander ausgestaltete Komponenten in dem Messsignal 28 sein. So kann beispielsweise ein äußerer Druck, der lediglich auf eine der beiden beweglichen Elektroden 141 oder 142 wirkt, in dem Messsignal 28 erkannt werden.
  • Ferner ermöglichen die voneinander getrennt erzeugbaren und/oder einstellbaren Spannungen U1 und U2 eine Kompensation von Herstellungstoleranzen unter gleichzeitiger Beaufschlagung der beweglichen Elektroden mit dem Referenzpotenzial. Absichtlich oder unabsichtlich, das bedeutet basierend auf Fertigungstoleranzen, können Abstände 381 zwischen dem Steuerelektrodenelement 16a und der beweglichen Elektrode 141 und 382 zwischen dem Steuerelektrodenelement 16b und der beweglichen Elektrode 142 voneinander verschieden sein. Der MEMS-Sensor 60 kann so ausgestaltet sein, dass ein Verhältnis aus dem Abstand 381 und dem Abstand 382 innerhalb eines Toleranzbereichs von ± 33%, ± 20% oder ± 15% einem betragsmäßigem Verhältnis zwischen den Spannungen U3 und U5 bzw. den daraus erhaltenen Potenzialen entspricht. Dies trifft insbesondere auf vorzeichenverkehrte Spannungen U2 und U5 zu, bei denen der Betrag der jeweiligen Spannungen zu betrachten ist.
  • Die Konfiguration gemäß 6 ermöglicht eine robuste Auslesung mit einer dualen Statorelektrode. Eine Außenfläche oder äußere Oberfläche des MEMS-Sensors können großteils oder vollständig mit dem Referenzpotenzial verbunden sein, das heißt geschirmt ausgeführt sein.
  • In anderen Worten zeigt 6 eine weitere Konfiguration einer robusten Ausleseschaltung. Die Rückplatte, das bedeutet der Stator, ist mit zwei voneinander isolierten Elektroden ausgeführt. Jede der Statorelektroden 16a und 16b ist mit einer Gleichspannung vorgespannt, die unabhängig voneinander ist. Eine Gleichspannung, etwa die Spannung U1 kann ein positives Vorzeichen aufweisen, so dass eine positive Spannung erhalten wird. Die andere Spannung, etwa die Spannung U5 kann eine negative Spannung mit einem negativen Vorzeichen sein. Die beweglichen Elektroden 141 und 142 und/oder das Substrat 17 können mit einer mittleren Vorspannung beaufschlagt werden, etwa Masse, wenn eine Spannung positiv und die andere negativ ist oder ein geometrisches Mittel der Spannungen U1 und U5 . Die Ausführung der 6 kann auch als einendige Ausleseschaltung (engl.: single-ended read-out) bezeichnet werden.
  • 7 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel, der beispielsweise als sogenanntes „Top-Port“-Mikrofon (Mikrofon mit oben angeordneter Schallöffnung) ausgeführt ist. Obwohl der MEMS-Sensor 70 so dargestellt ist, dass er zwei bewegliche Elektroden 141 und 142 aufweist, kann auch lediglich eine der beweglichen Elektroden angeordnet sein. Die Statorelektrode 16 kann perforiert ausgeführt sein, das bedeutet, Löcher aufweisen, so dass eine Verschiebung von zwischen den beweglichen Elektroden 141 und 142 angeordnetem Fluid mit lediglich geringem Widerstand möglich ist. Der MEMS-Sensor 70 kann einen ASIC 42 aufweisen, der zumindest die Funktionalität der Gleichtaktausleseschaltung 22 umfassen kann. Der ASIC 42 kann ferner die Funktionalität der Vorspannungsquelle 18 bereitstellen. Das Substrat 17 kann mit einer Platine (Printed Circuit Board - PCB) mechanisch verbunden sein oder daran angeordnet sein. Benachbart hierzu kann der ASIC 42 angeordnet sein und über eine elektrische Verbindung 46 mit zumindest einer der beweglichen Elektroden 141 und/oder 142 und/oder der Statorelektrode 16 verbunden sein.
  • Die Anordnung kann von einem Gehäuse 48 größtenteils umschlossen sein, wobei eine Öffnung 52 einen Austausch und/oder Eintritt von Fluid in das Innere des Gehäuses 48 ermöglicht, so dass Fluidschall und/oder Druck von dem MEMS-Sensor 70 erfassbar ist.
  • In anderen Worten können die Ausleseschaltungen gemäß den 1 bis 6 in Top-Port-Mikrofonen angewendet werden. In diesem Fall kann die Schaltung so modifiziert werden, dass die Membrane 141 und 142 angeschlossen werden.
  • 8 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors 80 gemäß einem Ausführungsbeispiel, der verglichen mit dem MEMS-Sensor 70 aus 7 als Bottom-Port-Mikrofon ausgeführt ist (unten angeordnete Öffnung). Beispielsweise kann die Öffnung 52 in dem Substrat angeordnet sein und es ermöglichen, dass durch eine Ebene der Platine 44 hindurch der Schall und/oder Druck an zumindest die bewegliche Elektrode 142 gelangt. Das Gehäuse 48 kann ferner eine optionale Belüftungsöffnung 54 aufweisen, die beispielsweise auch in der Platine 44 des MEMS-Sensors 70 angeordnet sein kann, und es ermöglicht, dass variierende Drücke, etwa durch Temperaturgradienten, durch einen Austausch von Fluid ausgeglichen werden können.
  • In Ausführungsbeispielen kann die Ausleseschaltung mit einem MEMS-Design kombiniert werden, welches in Abwesenheit von Belüftungsöffnungen realisiert ist. Dies ermöglicht, dass eine Kontaminierung, die in das rückseitige Volumen eintreten kann, reduziert oder verhindert ist. Anstelle dessen kann die Belüftung durch eine kleine Öffnung in dem Gehäusedeckel 48 realisiert werden. Dies ermöglicht, dass lediglich der Sound-Port, d. h. die Öffnung 52, der Umweltbedingung ausgesetzt ist.
  • 9 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die elektrische Verbindung 46 anders als in den 7 und 8, wo die elektrische Verbindung 46 möglicherweise freitragend ausgeführt sein kann, im Inneren der Platine 44 oder als Leiterbahn hierauf implementiert ist, was als gedrehte Chip-Anordnung (Flip-Chip-Assembly) bezeichnet werden kann. Das bedeutet, eine in 8 der Belüftungsöffnung 54 zugewandte Seite des ASIC 42 kann in der Ausführungsform der 9 der Platine 44 zugewandt angeordnet sein.
  • Die beweglichen Elektroden 141 und 142 können ebenso wie die Statorelektrode 16 Öffnungen aufweisen, etwa um eine Funktionalität einer Belüftungsöffnung zu implementieren. Hieraus kann es resultieren, dass beispielsweise ein mit einem gewissen Druck von etwa mehr als 1,5 bar, mehr als 2 bar, mehr als 3 bar oder mehr als 5 bar, durch die Elektroden 141 und 142 hindurch in ein rückseitiges Volumen 56 eindringt. Hierbei kann es sich beispielsweise um Wasser oder dergleichen handeln. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen es, dass derartige Drücke erfasst werden und dass eine Anwesenheit eines derartigen Fluids in dem rückseitigen Volumen 56 zu keiner oder höchstens einer geringen Beeinflussung der Messgenauigkeit des MEMS-Sensors führt. Optional kann die Belüftungsöffnung 54 angeordnet sein.
  • Unbewegliche Komponenten, etwa der ASIC 42 können von einem möglicherweise elektrisch isolierenden Material umschlossen sein, der einen Kontakt mit dem entsprechenden Baustein und einem in dem rückseitigen Volumen 56 angeordneten Fluid reduziert oder verhindert. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Klebstoff, ein Harz oder einen Kunststoff handeln. Das Material 58 kann als GEOTOP (engl.: Globtop) eingesetzt werden. Alternativ oder zusätzlich können auch Teile des Substrats 17 mit dem Material 58 bedeckt sein.
  • In anderen Worten, kann das MEMS und/oder der ASIC in Flip-Chip-Techniken ausgeführt sein. Zwischen den jeweiligen Komponenten, d. h. dem Substrat 17 und/oder dem ASIC 42 und der Platine 44 kann eine Unterfüllung angeordnet sein. Dies ermöglicht, das MEMS-ASIC Interface weiter zu schützen.
  • Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele ermöglichen eine hohe Leistung von MEMS-Sensoren, insbesondere MEMS-Mikrofonen, wenn diese in Verbindung mit Partikeln, Dampf oder fluidischen Kontaminierungen gelangen. So ermöglicht beispielsweise das Verbinden der beweglichen Membranen 14, 141 und/oder 142 eine Verringerung oder Verhinderung von Leckströmen.
  • Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen ein MEMS mit einer dualen Membran und einem speziellen, unkonventionellen Auslesebaustein, bzw. einer Auslesearchitektur, die den MEMS-Sensor robust ausgestalten. Die duale Membran, das bedeutet, die Anwesenheit der beweglichen Elektroden 141 und 142 kann eine mechanische Kontaminierung, etwa eine Blockade, reduzieren oder verhindern. Die beschriebenen Ausleseschaltungen ermöglichen eine hohe Robustheit gegenüber elektrischen Leckströmen.
  • 10 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 100 zum Steuern eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei dem gesteuerten MEMS-Sensor kann es sich um einen beliebigen MEMS-Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel handeln, etwa dem MEMS-Sensor 10, 10', 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 und/oder 90. Ein Schritt 110 umfasst ein Anlegen einer ersten Vorspannung an die Statorelektrode des MEMS-Sensors, etwa die Statorelektrode 16. Ein Schritt 120 umfasst ein Anlegen einer zweiten Vorspannung an die Statorelektrode über eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode und an einer der Statorelektrode abgewandten Seite der kapazitiven Kopplung.
  • 11 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa dem MEMS-Sensor 10, 10', 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 und/oder 90. Ein Schritt 210 umfasst ein Bereitstellen einer MEMS-Anordnung umfassend eine bewegliche Elektrode und eine Statorelektrode, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist. Ein Schritt 220 umfasst ein Verbinden einer ersten Vorspannungsquelle mit der Statorelektrode, so dass die erste Vorspannungsquelle konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung an die Statorelektrode anzulegen. Ein Schritt 230 umfasst ein Verbinden einer Gleichtaktausleseschaltung umfassend eine zweite Vorspannungsquelle durch eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode, so dass die zweite Vorspannungsquelle ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung an eine der Statorelektrode abgewandten Seite der kapazitiven Kopplung anzulegen.
  • 12 zeigt ein schematisches Flussdiagramm eines Verfahrens 300 zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, etwa des MEMS-Sensors 30. Das Verfahren 300 umfasst einen Schritt 310, in welchem ein Bereitstellen einer MEMS-Anordnung umfassend eine erste bewegliche Elektrode, eine zweite bewegliche Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, und eine Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist, erfolgt. Das Bereitstellen wird so ausgeführt, dass die erste bewegliche Elektrode in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist, der von dem ersten Abstand verschieden ist.
  • Ausführungsbeispiele beschreiben MEMS-Sensoren, bei denen unterschiedliche bewegliche Elektroden mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt werden, etwa im Zusammenhang mit der 5. Andere Ausführungsbeispiele beschreiben Ausführungen, bei denen unterschiedliche bewegliche Elektroden unterschiedliche Abstände zu der Statorelektrode aufweisen, etwa im Zusammenhang mit der 3. Andere Ausführungen beziehen sich auf MEMS-Sensoren, bei denen die Statorelektrode doppelt ausgeführt ist bzw. zwei Statorelektrodenelemente aufweist, etwa im Zusammenhang mit der 6. Obwohl diese Ausführungen im Zusammenhang mit unterschiedlichen MEMS-Sensoren erläutert sind, können die genannten Aspekte beliebig miteinander kombiniert werden oder einzeln ausgeführt werden.
  • Zusätzliche Ausführungsbeispiele und Aspekte der Erfindung werden beschrieben, die einzeln oder in Kombination mit den hierin beschriebenen Merkmalen und Funktionalitäten verwendet werden können.
  • Gemäß einem ersten Aspekt kann ein MEMS-Sensor 10; 10'; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90 folgende Merkmale aufweisen: einer MEMS-Anordnung 12; 12' umfassend: eine bewegliche Elektrode 14; 141 , 142 , eine Statorelektrode 16, die der beweglichen Elektrode 14; 141 , 142 gegenüberliegend angeordnet ist; eine mit der Statorelektrode 16; 16a, 16b verbundene erste Vorspannungsquelle 18; 181 , 182 , die konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung V1 , V5 an die Statorelektrode 16, 16a, 16b anzulegen; und eine durch eine kapazitive Kopplung 24 mit der Statorelektrode 16; 16a, 16b verbundene Gleichtaktausleseschaltung 22 umfassend eine zweite Vorspannungsquelle 26, die ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung U2 an eine der Statorelektrode 16; 16a, 16b abgewandte Seite der kapazitiven Kopplung 24 anzulegen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor die bewegliche Elektrode eine erste bewegliche Elektrode 141 sein, und derselbe ferner eine zweite bewegliche Elektrode 142 umfassen, die der ersten beweglichen Elektrode 141 gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Statorelektrode 16; 16a, 16b zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode 141 , 142 angeordnet ist.
  • Gemäß einem dritten Aspekt unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt können bei dem MEMS-Sensor die erste und die zweite bewegliche Elektrode 141 , 142 konfiguriert sein, um mit einem gemeinsamen ersten Potenzial Uref verbunden zu werden, und wobei die Statorelektrode 16; 16a, 16b konfiguriert ist, um mit einem zweiten, von dem ersten Potenzial verschiedenen Potenzial U1 verbunden zu werden;
  • Gemäß einem vierten Aspekt unter Bezugnahme auf den dritten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor das erste Potenzial Uref ein Referenzpotenzial des MEMS-Sensors sein.
  • Gemäß einem fünften Aspekt unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt können bei dem MEMS-Sensor die erste und die zweite bewegliche Elektrode 141 , 142 sind entlang der gleichen Richtung z beweglich sein.
  • Gemäß einem sechsten Aspekt unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt können bei dem MEMS-Sensor die erste und die zweite bewegliche Elektrode 141 , 142 mechanisch mit einander durch eine Ebene der Statorelektrode 16; 16a, 16b hindurch verbunden sein, und ausgebildet sein, um eine simultane Bewegung auszuführen.
  • Gemäß einem siebten Aspekt unter Bezugnahme auf den zweiten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor die Gleichtaktausleseschaltung 22 ausgebildet sein, um einen ersten Kapazitätswert C1 zwischen der ersten beweglichen Elektrode 141 und der Statorelektrode 16; 16a, 16b und einen zweiten Kapazitätswert C2 zwischen der zweiten beweglichen Elektrode 142 und der Statorelektrode 16; 16a, 16b zu erfassen.
  • Gemäß einem achten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor zumindest eine der beweglichen Elektrode 14; 141 , 142 und der Statorelektrode 16; 16a, 16b von einem Substrat 17 gehalten sein, das konfiguriert ist, um mit einem Referenzpotenzial Uref des MEMS-Sensors verbunden zu werden.
  • Gemäß einem neunten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor zumindest eine der beweglichen Elektrode 14; 141 , 142 und der Statorelektrode 16; 16a, 16b von einem Substrat 17 gehalten sein, wobei das Substrat von der beweglichen Elektrode 14; 141 , 142 und einer Umgebung des Substrats 17 elektrisch isoliert ist.
  • Gemäß einem zehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor die erste Vorspannungsquelle 18; 181 , 182 ausgebildet ist, um die erste Vorspannung U1 , U5 mit einem Potenzial von zumindest 3 V anzulegen, und die zweite Vorspannungsquelle 26 ausgebildet sein, um die zweite Vorspannung U2 mit höchstens 2,5 V anzulegen.
  • Gemäß einem elften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor die erste Vorspannung U1 , U5 und die zweite Vorspannung U2 Gleichspannungen sein.
  • Gemäß einem zwölften Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor die bewegliche Elektrode eine erste bewegliche Elektrode 141 sein, und derselbe ferner eine zweite bewegliche Elektrode 142 umfassen, die der ersten beweglichen Elektrode 141 gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Statorelektrode 16; 16a, 16b zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode 141 , 142 angeordnet ist; wobei die erste bewegliche Elektrode 141 in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand 361 zu der Statorelektrode 16; 16a, 16b angeordnet ist und die zweite bewegliche Elektrode 142 in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand 362 zu der Statorelektrode 16; 16a, 16b angeordnet ist, der von dem ersten Abstand 361 verschieden ist.
  • Gemäß einem dreizehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den elften Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor ein Quotient aus dem ersten und dem zweiten Abstand 361 , 362 einen Wert von zumindest 1,1 aufweisen.
  • Gemäß einem vierzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den ersten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor die bewegliche Elektrode eine erste bewegliche Elektrode 141 sein, und derselbe ferner eine zweite bewegliche Elektrode 142 umfassen, die der ersten beweglichen Elektrode 141 gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Statorelektrode 16; 16a, 16b zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode 141 , 142 angeordnet ist; wobei die Statorelektrode ein erstes Statorelektrodenelement 16a aufweist, das der ersten beweglichen Elektrode 141 zugewandt angeordnet ist, und ein gegenüberliegendes zweites Statorelektrodenelement 16b aufweist, das der zweiten beweglichen Elektrode 142 zugewandt angeordnet ist, wobei der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um das erste Statorelektrodenelement 16a und das zweite Statorelektrodenelement 16b mit einem voneinander verschiedenen Potenzial U1 , U5 zu beaufschlagen.
  • Gemäß einem fünfzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierzehnten Aspekt kann der MEMS-Sensor ausgebildet sein, um eine erste Bewegung der ersten beweglichen Elektrode 141 gegenüber dem ersten Statorelektrodenelement 16a und eine zweite Bewegung der zweiten beweglichen Elektrode 142 gegenüber dem zweiten Statorelektrodenelement 16b zu erfassen.
  • Gemäß einem sechzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierzehnten Aspekt können bei dem MEMS-Sensor das erste Potenzial U1 und das zweite Potenzial U5 voneinander verschiedene Vorzeichen bezogen auf ein Referenzpotenzial Uref aufweisen.
  • Gemäß einem siebzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierzehnten Aspekt können bei dem MEMS-Sensor das erste Potenzial U1 und das zweite Potenzial U5 Gleichspannungspotenziale sein und innerhalb eines Toleranzbereichs von 50 % betragsmäßig gleich sein.
  • Gemäß einem achtzehnten Aspekt unter Bezugnahme auf den vierzehnten Aspekt kann bei dem MEMS-Sensor ein Verhältnis aus einem ersten Abstand 381 zwischen dem ersten Statorelektrodenelement 16a und der ersten beweglichen Elektrode 141 und einem zweiten Abstand 382 zwischen dem zweiten Statorelektrodenelement 16b und der zweiten beweglichen Elektrode 142 innerhalb eines Toleranzbereichs von 33 % einem betragsmäßigem Verhältnis zwischen dem ersten Potenzial U1 und dem zweiten Potenzial U5 entsprechen.
  • Gemäß einem neunzehnten Aspekt kann ein MEMS-Sensor 30 folgende Merkmale aufweisen: einer MEMS-Anordnung 12 umfassend: einer ersten beweglichen Elektrode 141 ; einer zweiten beweglichen Elektrode 142 , die der ersten beweglichen Elektrode 141 gegenüberliegend angeordnet ist; und einer Statorelektrode 16, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode 141 , 142 angeordnet ist; wobei die erste bewegliche Elektrode 141 in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand 361 zu der Statorelektrode 16 angeordnet ist und die zweite Elektrode 142 in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand 362 zu der Statorelektrode 16 angeordnet ist, der von dem ersten Abstand 361 verschieden ist.
  • Gemäß einem zwanzigsten Aspekt unter Bezugnahme auf den neunzehnten Aspekt kann bei der MEMS-Sensor ferner folgende Merkmale umfassen: eine mit der Statorelektrode 16 verbundene erste Vorspannungsquelle 18 die konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung U1 an die Statorelektrode 16 anzulegen; und eine durch eine kapazitive Kopplung 24; 241 , 242 mit der Statorelektrode 16 verbundene Gleichtaktausleseschaltung 22 umfassend eine zweite Vorspannungsquelle 26, die ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung U2 an eine der Statorelektrode 16 abgewandte Seite der kapazitiven Kopplung 24 anzulegen.
  • Gemäß einem einundzwanzigsten Aspekt kann ein Verfahren 100 zum Steuern eines MEMS-Sensors mit einer ersten beweglichen Elektrode; einer zweiten beweglichen Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist; und einer Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist, folgende Schritte aufweisen: Anlegen 110 einer ersten Vorspannung an die Statorelektrode; und Anlegen 120 einer zweiten Vorspannung an die Statorelektrode über eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode und an einer der Statorelektrode abgewandten Seite der kapazitiven Kopplung.
  • Gemäß einem zweiundzwanzigsten Aspekt kann ein Verfahren 200 zum Bereitstellen einem MEMS-Sensors folgende Schritte aufweisen: Bereitstellen 210 einer MEMS-Anordnung umfassend: einer beweglichen Elektrode; einer Statorelektrode, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist; Verbinden 220 einer ersten Vorspannungsquelle mit der Statorelektrode, so dass die erste Vorspannungsquelle konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung an die Statorelektrode anzulegen; und Verbinden 230 einer Gleichtaktausleseschaltung umfassend eine zweite Vorspannungsquelle durch eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode, so dass die zweite Vorspannungsquelle ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung an eine der Statorelektrode abgewandte Seite der kapazitiven Kopplung anzulegen.
  • Gemäß einem dreiundzwanzigsten Aspekt kann ein Verfahren 300 zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors folgende Schritte aufweisen: Bereitstellen 310 einer MEMS-Anordnung umfassend: einer ersten beweglichen Elektrode; einer zweiten beweglichen Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist; und einer Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist; so dass die erste bewegliche Elektrode in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist, der von dem ersten Abstand verschieden ist.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
  • Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
  • Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
  • Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
  • Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
  • Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims (26)

  1. MEMS-Sensor (10; 10'; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90) mit folgenden Merkmalen: einer MEMS-Anordnung (12; 12') umfassend: eine bewegliche Elektrode (14; 141, 142) eine Statorelektrode (16), die der beweglichen Elektrode (14; 141, 142) gegenüberliegend angeordnet ist; eine mit der Statorelektrode (16; 16a, 16b) verbundene erste Vorspannungsquelle (18; 181, 182), die konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung (V1, V5) an die Statorelektrode (16, 16a, 16b) anzulegen; und eine durch eine kapazitive Kopplung (24) mit der Statorelektrode (16; 16a, 16b) verbundene Gleichtaktausleseschaltung (22) umfassend eine zweite Vorspannungsquelle (26), die ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung (U2) an eine der Statorelektrode (16; 16a, 16b) abgewandte Seite der kapazitiven Kopplung (24) anzulegen; wobei die bewegliche Elektrode eine erste bewegliche Elektrode (141) ist, und die MEMS-Anordnung ferner eine zweite bewegliche Elektrode (142) umfasst, die der ersten beweglichen Elektrode (141) gegenüberliegend angeordnet ist, wobei die Statorelektrode (16; 16a, 16b) zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode (141, 142) angeordnet ist; und wobei der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um an der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden.
  2. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, bei dem durch die unterschiedlichen Potentiale eine elektrische Asymmetrie erhalten wird, die unterschiedliche Empfindlichkeiten einer jeweiligen Bewegung der jeweiligen beweglichen Elektroden (141, 142) ermöglicht.
  3. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Vorspannungsquelle (18; 181, 182) und die zweite Vorspannungsquelle (26) getrennt voneinander steuerbare Vorspannungsquellen sind.
  4. MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite bewegliche Elektrode (141, 142) entlang der gleichen Richtung (z) beweglich sind.
  5. MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste und die zweite bewegliche Elektrode (141, 142) mechanisch mit einander durch eine Ebene der Statorelektrode (16; 16a, 16b) hindurch verbunden sind, und ausgebildet, um eine simultane Bewegung auszuführen.
  6. MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Gleichtaktausleseschaltung (22) ausgebildet ist, um einen ersten Kapazitätswert (C1) zwischen der ersten beweglichen Elektrode (141) und der Statorelektrode (16; 16a, 16b) und einen zweiten Kapazitätswert (C2) zwischen der zweiten beweglichen Elektrode (142) und der Statorelektrode (16; 16a, 16b) zu erfassen, wobei jede der einzelnen Bewegungen der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) einen Beitrag zu einem Messsignal (28) des MEMS-Sensors liefert.
  7. MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem zumindest eine der beweglichen Elektrode (14; 141, 142) und der Statorelektrode (16; 16a, 16b) von einem Substrat (17) gehalten sind, das konfiguriert ist, um mit einem Referenzpotenzial (Uref) des MEMS-Sensors verbunden zu werden.
  8. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zumindest eine der beweglichen Elektrode (14; 141, 142) und der Statorelektrode (16; 16a, 16b) von einem Substrat (17) gehalten sind, wobei das Substrat von der beweglichen Elektrode (14; 141, 142) und einer Umgebung des Substrats (17) elektrisch isoliert ist.
  9. MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Vorspannungsquelle (18; 181, 182) ausgebildet ist, um die erste Vorspannung (U1, U5) mit einem Potenzial von zumindest 3 V anzulegen, und bei dem die zweite Vorspannungsquelle (26) ausgebildet ist, um die zweite Vorspannung (U2) mit höchstens 2,5 V anzulegen.
  10. MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Vorspannung (U1, U5) und die zweite Vorspannung (U2) Gleichspannungen sind.
  11. MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; wobei die erste bewegliche Elektrode (141) in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand (361) zu der Statorelektrode (16; 16a, 16b) angeordnet ist und die zweite bewegliche Elektrode (142) in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand (362) zu der Statorelektrode (16; 16a, 16b) angeordnet ist, der von dem ersten Abstand (361) verschieden ist.
  12. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 11, bei dem ein Quotient aus dem ersten und dem zweiten Abstand (361, 362) einen Wert von zumindest 1,1 aufweist.
  13. MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; wobei die Statorelektrode ein erstes Statorelektrodenelement (16a) aufweist, das der ersten beweglichen Elektrode (141) zugewandt angeordnet ist, und ein gegenüberliegendes zweites Statorelektrodenelement (16b) aufweist, das der zweiten beweglichen Elektrode (142) zugewandt angeordnet ist, wobei der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um das erste Statorelektrodenelement (16a) und das zweite Statorelektrodenelement (16b) mit einem voneinander verschiedenen Potenzial (U1, U5) zu beaufschlagen.
  14. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 13, der ausgebildet ist, um eine erste Bewegung der ersten beweglichen Elektrode (141) gegenüber dem ersten Statorelektrodenelement (16a) und eine zweite Bewegung der zweiten beweglichen Elektrode (142) gegenüber dem zweiten Statorelektrodenelement (16b) zu erfassen.
  15. MEMS-Sensor gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem das erste Potenzial (U1) und das zweite Potenzial (U5) voneinander verschiedene Vorzeichen bezogen auf ein Referenzpotenzial (Uref) aufweisen.
  16. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das erste Potenzial (U1) und das zweite Potenzial (U5) Gleichspannungspotenziale sind und innerhalb eines Toleranzbereichs von 50 % betragsmäßig gleich sind.
  17. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem ein Verhältnis aus einem ersten Abstand (381) zwischen dem ersten Statorelektrodenelement (16a) und der ersten beweglichen Elektrode (141) und einem zweiten Abstand (382) zwischen dem zweiten Statorelektrodenelement (16b) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) innerhalb eines Toleranzbereichs von 33 % einem betragsmäßigem Verhältnis zwischen dem ersten Potenzial (U1) und dem zweiten Potenzial (U5) entspricht.
  18. MEMS-Sensor (30) mit folgenden Merkmalen: einer MEMS-Anordnung (12) umfassend: eine erste bewegliche Elektrode (141); eine zweite bewegliche Elektrode (142), die der ersten beweglichen Elektrode (141) gegenüberliegend angeordnet ist; und eine Statorelektrode (16), die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode (141, 142) angeordnet ist; wobei die erste bewegliche Elektrode (141) in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand (361) zu der Statorelektrode (16) angeordnet ist und die zweite Elektrode (142) in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand (362) zu der Statorelektrode (16) angeordnet ist, der von dem ersten Abstand (361) verschieden ist; und wobei der MEMS-Sensor ein Gehäuse (48) mit einer Öffnung (52) aufweist, wobei ein durch die Öffnung (52) eintretender oder austretender Schall und/oder Druck eine Bewegung der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) bewirkt.
  19. MEMS-Sensor (30) mit folgenden Merkmalen: einer MEMS-Anordnung (12) umfassend: eine erste bewegliche Elektrode (141); eine zweite bewegliche Elektrode (142), die der ersten beweglichen Elektrode (141) gegenüberliegend angeordnet ist; und eine Statorelektrode (16), die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode (141, 142) angeordnet ist; wobei die erste bewegliche Elektrode (141) in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand (361) zu der Statorelektrode (16) angeordnet ist und die zweite Elektrode (142) in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand (362) zu der Statorelektrode (16) angeordnet ist, der von dem ersten Abstand (361) verschieden ist; wobei der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um an der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden; wobei der MEMS-Sensor ferner eine Einrichtung zum Anlegen eines ersten Potenzials (U3) an die erste bewegliche Elektrode (141) und zum Anlegen eines zweiten Potenzials (U4) an die zweite bewegliche Elektrode (142) aufweist; wobei das erste Potential (U3) und das zweiter Potential (U4) proportional zu den voneinander verschiedenen Abständen (361, 362) sind, um die voneinander verschiedenen Abstände auszugleichen.
  20. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 18 oder 19, ferner umfassend: eine mit der Statorelektrode (16) verbundene erste Vorspannungsquelle (18) die konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung (U1) an die Statorelektrode (16) anzulegen; und eine durch eine kapazitive Kopplung (24; 241, 242) mit der Statorelektrode (16) verbundene Gleichtaktausleseschaltung (22) umfassend eine zweite Vorspannungsquelle (26), die ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung (U2) an eine der Statorelektrode (16) abgewandte Seite der kapazitiven Kopplung (24) anzulegen.
  21. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 18-20, wobei zwischen der ersten beweglichen Elektrode und der Statorelektrode eine erste elektrische Kapazität angeordnet ist und zwischen der zweiten beweglichen Elektrode und der Statorelektrode eine zweite elektrische Kapazität des MEMS-Sensors angeordnet ist.
  22. MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei ein Quotient aus dem ersten Abstand (361) und dem zweiten Abstand (362) einen Wert aufweist, der zumindest 1,1 beträgt.
  23. Verfahren (100) zum Steuern eines MEMS-Sensors mit einer ersten beweglichen Elektrode; einer zweiten beweglichen Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist; und einer Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist, mit folgenden Schritten: Anlegen (110) einer ersten Vorspannung an die Statorelektrode; Anlegen (120) einer zweiten Vorspannung an die Statorelektrode über eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode und an einer der Statorelektrode abgewandten Seite der kapazitiven Kopplung; und Beaufschlagen der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) mit unterschiedlichen Potenzialen.
  24. Verfahren (200) zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors mit folgenden Schritten: Bereitstellen (210) einer MEMS-Anordnung mit: einer ersten beweglichen Elektrode und einer zweiten beweglichen Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode (141) gegenüberliegend angeordnet ist; einer Statorelektrode, die der beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist, und zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode (141, 142) angeordnet ist; so dass der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um an der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden; Verbinden (220) einer ersten Vorspannungsquelle mit der Statorelektrode, so dass die erste Vorspannungsquelle konfiguriert ist, um eine erste Vorspannung an die Statorelektrode anzulegen; und Verbinden (230) einer Gleichtaktausleseschaltung umfassend eine zweite Vorspannungsquelle durch eine kapazitive Kopplung mit der Statorelektrode, so dass die zweite Vorspannungsquelle ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannung an eine der Statorelektrode abgewandte Seite der kapazitiven Kopplung anzulegen.
  25. Verfahren (300) zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors mit folgenden Schritten: Bereitstellen (310) einer MEMS-Anordnung umfassend: einer ersten beweglichen Elektrode; einer zweiten beweglichen Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist; und einer Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist; so dass die erste bewegliche Elektrode in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist, der von dem ersten Abstand verschieden ist; Anordnen eines Gehäuse (48) mit einer Öffnung (52), so dass ein durch die Öffnung (52) eintretender oder austretender Schall und/oder Druck eine Bewegung der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) bewirkt.
  26. Verfahren (300) zum Bereitstellen eines MEMS-Sensors mit folgenden Schritten: Bereitstellen (310) einer MEMS-Anordnung umfassend: einer ersten beweglichen Elektrode; einer zweiten beweglichen Elektrode, die der ersten beweglichen Elektrode gegenüberliegend angeordnet ist; und einer Statorelektrode, die zwischen der ersten und zweiten beweglichen Elektrode angeordnet ist; so dass die erste bewegliche Elektrode in einem Ruhezustand mit einem ersten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist und die zweite Elektrode in dem Ruhezustand mit einem zweiten Abstand zu der Statorelektrode angeordnet ist, der von dem ersten Abstand verschieden ist; so dass der MEMS-Sensor ausgebildet ist, um an der ersten beweglichen Elektrode (141) und der zweiten beweglichen Elektrode (142) mit unterschiedlichen Potenzialen beaufschlagt zu werden; Anordnen einer Einrichtung zum Anlegen eines ersten Potenzials (U3) an die erste bewegliche Elektrode (141) und zum Anlegen eines zweiten Potenzials (U4) an die zweite bewegliche Elektrode (142); so dass das erste Potential (U3) und das zweiter Potential (U4) proportional zu den voneinander verschiedenen Abständen (361, 362) sind, um die voneinander verschiedenen Abstände auszugleichen.
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