DE102017214630A1

DE102017214630A1 - Mems, verfahren zum herstellen desselben und verfahren zum kalibrieren eines mems

Info

Publication number: DE102017214630A1
Application number: DE102017214630.3A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Manuel Dorfmeister; Ulrich Schmid; Michael Schneider
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2017-08-22
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Ein MEMS weist ein Substrat und eine an dem Substrat aufgehängte Membran auf, die in einem ersten stabilen Auslenkungszustand und in einem zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist. Das MEMS umfasst einen Aktuator, der ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand zu bewegen. Das MEMS umfasst ferner einen Sensor, der ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert. Das MEMS umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation der Membran zu erhalten.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein MEMS, insbesondere auf MEMS mit an einem Substrat aufgehängten Membran, auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen MEMS und auf ein Verfahren zum Kalibrieren eines MEMS. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf einen Selbsttest bzw. eine Kalibrierung von piezoelektrisch angesteuerten, bistabilen Membranen.
Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) können für unterschiedliche Verwendungszwecke implementiert werden. Manche MEMS können eine Membran aufweisen, die zum Interagieren mit einem Fluid ausgelegt sind. Allgemein kann es sich hier um Druckwandler handeln, beispielsweise um einen Umgebungsdruck zu erfassen. Eine derartige Erfassung kann statisch als Drucksensor und/oder dynamisch als Mikrophon erfolgen. Umgekehrt kann eine derartige Membran verwendet werden, um einen Druck in dem Fluid zu erzeugen, etwa als Pumpe und/oder als Lautsprecher. MEMS-Druckwandler können in Halbleitertechnologie gefertigt sein und/oder Halbleitermaterialien umfassen. Hierzu gehören beispielsweise Schichten oder Wafer, umfassend ein Siliziummaterial, ein Galliumarsenid-Material und/oder ein anderes Halbleitermaterial. MEMS-Strukturen können Schichtfolgen aufweisen, die elektrisch leitende, elektrisch halbleitende und/oder elektrisch schlecht leitende bzw. isolierende Schichten umfassen, um eine entsprechende MEMS-Funktionalität bereitzustellen.
Wünschenswert sind MEMS, deren Verhalten präzise bestimmbar ist.
Ausführungsbeispiele schaffen ein MEMS mit einem Substrat, einer an dem Substrat aufgehängten Membran, die in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist, einem Aktuator, der ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand zu bewegen, einem Sensor, der ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert, und einer Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation der Membran zu erhalten. Die Zustandsinformation kann somit auf der durch den Aktuator bewirkten Auslenkung der Membran basieren, was eine präzise Bestimmung eines Zustands der Membran ermöglicht.
Ein Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Substrats. Das Verfahren umfasst ferner ein Aufhängen einer Membran an dem Substrat, so dass die Membran in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist. Das Verfahren umfasst ein Anordnen eines Aktuators, so dass dieser ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand auszulenken. Das Verfahren umfasst ein Anordnen eines Sensors, so dass dieser ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert. Das Verfahren umfasst ein Anordnen einer Auswerteeinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation der Membran zu erhalten.
Ein Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zum Kalibrieren eines MEMS, das ein Substrat, eine an dem Substrat aufgehängte Membran, die in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist, einen Aktuator, der ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand auszulenken, einen Sensor, der ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert, und eine Auswerteeinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation der Membran zu erhalten. Das Verfahren umfasst ein Bewegen der Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand. Das Verfahren umfasst ferner ein Erfassen der durch den Aktuator bewirkten Bewegung der Membran mit dem Sensor und Ausgeben eines Sensorsignals, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert. Das Verfahren umfasst ein Auswerten der Auslenkinformation, um eine Zustandsinformation bereitzustellen, die einen Zustand der Membran angibt.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine an einem Substrat aufgehängte Membran einen ersten stabilen Auslenkungszustand aufweist;
1b eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS aus 1a in einem zweiten stabilen Auslenkungszustand;
2 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Aktuatorsteuereinrichtung aufweist;
3 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Steuereinrichtung aufweist, die ausgebildet ist, um die Membran zwischen stabilen Auslenkungszuständen anzusteuern;
4 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine modifizierte Aktuatorsteuereinrichtung aufweist;
5a ein schematisches Diagramm zur Illustrierung eines Verhaltens einer beispielhaften piezoelektrischen Schicht als Aktuator an der Membran gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5b eine Auslenkung der Membran gemäß einem Ausführungsbeispiel basierend auf der angelegten Spannung gemäß 5a über die gleiche Zeitachse wie 5a;
6 ein schematisches Blockschaltbild zur Illustrierung der Gewinnung einer Zustandsinformation durch die Auswerteeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Membran beispielhaft in der Mittenposition angeordnet ist;
7b eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei zwischen dem Substrat und der Membran eine Isolationsschicht angeordnet ist;
8 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Aktuatoren an der Membran angeordnet sind;
9a-c einige mögliche Anordnungen von Sensor und Aktuator an der Membran gemäß Ausführungsbeispielen;
10 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Mehrzahl von Membranen aufweist;
11 eine schematische Draufsicht auf einen Wafer gemäß einem Ausführungsbeispiel, umfassend eine Vielzahl von Wafer-Elementen, die jeweils eines oder mehrere der MEMS gemäß Ausführungsbeispielen aufweisen können;
12 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit dem ein MEMS gemäß Ausführungsbeispielen herstellbar ist;
13 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel, das zum Kalibrieren eines hierin beschriebenen MEMS verwendet werden kann; und
14a-d schematische Darstellungen einer Membran in vier verschiedenen stabilen Auslenkungszuständen.

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 Mikroelektromechanische Systeme (MEMS) mit einer an einem Substrat aufgehängten Membran, die in zumindest in einen ersten und einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist. Manche Details, die im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen erläutert werden, beziehen sich dabei auf den Einsatz eines derartigen MEMS als Lautsprecher und/oder Mikrofon. Die Ausführungsbeispiele sind jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern sind auf jedwede Form von MEMS mit einer derartigen Membran anwendbar, insbesondere auf MEMS, die als Druckwandler oder in Druckwandlern eingesetzt werden.
In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen können bewegliche Elemente, etwa eine Membran, an einem Substrat aufgehängt werden. Bei dem Substrat kann es sich beispielsweise um ein amorphes, polykristallines oder kristallines Halbleitermaterial handeln, etwa Silizium.
1a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine an einem Substrat 12 aufgehängte Membran 14 einen ersten stabilen Auslenkungszustand aufweist. Das MEMS 10 umfasst einen Aktuator 16, der ausgebildet ist, um die Membran 14 aus dem stabilen Auslenkungszustand zu bewegen, wie es durch die gestrichelte Linie 14' angedeutet ist. Wie es später erläutert werden wird, kann der Aktuator 16 mechanisch mit der Membran gekoppelt, daran angeordnet oder darin integriert sein. Alternativ oder zusätzlich kann der Aktuator 16 auch beabstandet sein und etwa durch eine zumindest in räumlicher Umgebung angeordnete weitere Membran implementiert sein, die basierend auf einem Umschalten und/oder einer Bewegung eine Kraft auf die Membran (14; 14-1) ausübt.
Das MEMS umfasst ferner einen Sensor 18, der ausgebildet ist, um eine Bewegung der Membran 14, insbesondere eine durch den Aktuator 16 bewirkte Bewegung der Membran 14 zu erfassen. Der Sensor 18 kann ausgebildet sein, um ein Sensorsignal 22 auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung der Membran 14 basiert. Ferner umfasst das MEMS eine Auswerteeinrichtung 24, die ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation 26 zu erhalten, die sich auf die Membran 14 bezieht. Das bedeutet, die Auswerteeinrichtung 24 kann das Sensorsignal 22 empfangen und so die darin enthaltene Auslenkinformation erhalten, extrahieren und/oder weiterverarbeiten.
Die Zustandsinformation 26 kann beispielsweise eine Amplitude der Bewegung der Membran 14, eine Frequenz der Bewegung der Membran 14 und/oder eine Geschwindigkeit der Bewegung der Membran 14 und/oder eine hieraus abgeleitete Information umfassen.
Bei dem Substrat 12 kann es sich um ein Halbleitermaterial, beispielsweise polykristallines Silizium, Galliumarsenid oder dergleichen handeln. Die Membran 14 kann basierend auf einem oder mehreren Halbleiterfertigungsprozessen erhalten werden, etwa durch einen oder mehrere Ätzschritte und/oder einen oder mehrere Abscheideprozesse, beispielsweise um zusätzliche Schichten mit speziellen elektrischen und/oder mechanischen Eigenschaften abzuscheiden, etwa leitende Schichten, elektrisch isolierende Schichten und/oder mechanisch stabilisierende Schichten. Beispiele für solche Schichten können beispielsweise Siliziumoxid-Schichten, Siliziumnitrid-Schichten und/oder Siliziumcarbid-Schichten sein. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, metallische Schichten abzuscheiden.
Die Membran 14 kann als sogenannte Gebäudemembran gebildet sein, was synonym auch als gewölbte oder gebuckelte Membran bezeichnet werden kann. Dies kann so verstanden werden, dass die Membran 14 in einer flachen, ebenen Auslenkung eine Abmessung entlang einer Richtung aufweist, die größer ist als ein Abstand 28 zwischen Einspannungsbereichen der Membran 14, etwa an dem Substrat 12. Das bedeutet, die Membran 14 kann größer sein als der Abstand 28, so dass durch Überschüsse in einer Ausdehnung der Membran 14 eine Ausbeulung derselben erfolgen kann. Die Ausbeulung kann einen stabilen Zustand der Membran 14 bereitstellen.
Durch das Bewegen der Membran aus dem stabilen Zustand heraus kann das Verhalten der Membran 14, und das bedeutet, die Zustandsinformation 26, erkannt werden, ohne dass eine Umschaltung der Membran von einem Zustand in den anderen Zustand erforderlich ist, was beispielsweise bei Lautsprechern vorteilhaft ist, da auf die Erzeugung von Schall verzichtet werden kann.
Eine Auslenkung der Membran 14 aus dem dargestellten stabilen Zustand über eine Mittenposition 32 hinaus kann dazu führen, dass die Membran 14 in einen beispielsweise in 1b dargestellten zweiten stabilen Auslenkungszustand bewegt wird. Die beiden stabilen Auslenkungszustände sind bspw. jeweils außerhalb der Mittenposition 32 angeordnet sein, die eine ebene und/oder flächige Form oder Position der Membran 14 andeutet. Obwohl lediglich zwei stabile Zustände dargestellt sind, ist es ebenfalls möglich, dass die Membran 14 eine höhere Anzahl stabiler Zustände aufweist, etwa drei, vier oder mehr. Dies kann dadurch implementiert werden, dass die Membran 14 bezüglich ihrer Bewegung und/oder bezüglich einer Kraftaufnahme oder Kraftweiterleitung über eine Membranebene anisotrop gebildet ist. So kann beispielsweise mittels einer Kombination zweiter Vorzugsrichtungen in einer Ebene, etwa um 90° gedreht, eine Wölbung in zwei voneinander verschiedene Richtungen erhalten werden, was in Kombination mit der gebeulten Membran den Erhalt von vier stabilen Zuständen ermöglichen kann, wie es bspw. anhand der 14a-d dargestellt ist.
In anderen Worten kann die Membran 14 gezielt vorgespannt sein, um den sogenannten Buckling-Effekt auszunutzen, der eine Ausbeulung der Membran ermöglicht. Diese definierte, mechanische Vorspannung kann dadurch erreicht werden, dass z. B. zusätzlich Schichten in Dünnschichttechnik mit definiertem Schichtstress auf eine Membran aufgebracht werden, oder dass der Schichtstress in die Membran direkt, etwa durch einen Implantationsschritt, eingebracht oder durch das umgebende Package (Gehäuse) der gewünschte Spannungswert in der Membranstruktur erzeugt wird. Durch Überschreiten eines membranspezifischen Stresswerts kann bei Vorliegen von Druckspannung z. B. der in 1a dargestellte Zustand eingenommen werden. Membranspezifisch kann sich hierbei auf eine Geometrie, auf ein Membranmaterial und/oder auf eine Aufhängung oder dergleichen beziehen. Der Übergang von dem in 1a dargestellten stabilen Zustand in den in 1b dargestellten stabilen Zustand kann durch eine Bewegung der Membran 14, etwa unter Verwendung des Aktuators 16 erfolgen. Die Membran 14 kann eine beliebige Geometrie aufweisen. Beispielsweise kann sie rund, oval, elliptisch oder polygon gebildet sein. Auch sind Kombinationen geometrischer Formen möglich, beispielsweise kreuzförmig oder dergleichen.
Der Aktuator 16 kann ausgebildet sein, um basierend auf einer Aktuierung desselben eine Bewegung in der Membran 14 hervorzurufen. Dies kann beispielsweise durch eine piezoelektrischen Aktuator ermöglicht werden, wobei auch die Verwendung anderer Aktuatorprinzipien möglich ist, beispielsweise hydraulisch und/oder pneumatisch und/oder elektrostatisch und/oder elektrodynamisch. Wird der Aktuator 16 als piezoelektrischer Aktuator ausgebildet, so kann eine zwischen Elektroden eingebettete piezoelektrische Schicht die Membran 14 zumindest teilweise bedecken, so dass bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die piezoelektrische Schicht eine Deformation derselben hervorgerufen wird, die sich auf die Membran 14 überträgt, da der Aktuator bzw. die piezoelektrische Schicht mechanisch mit der Membran 14 gekoppelt ist, so dass sich die Membran 14 aus der stabilen Position herausbewegt.
Obwohl der Aktuator 16 ausgebildet sein kann, um die Membran 14 so stark aus dem stabilen Zustand auszulenken, dass die Membran 14 in einen anderen stabilen Zustand gelenkt wird und/oder die Mittenposition 32 überschreitet, ist dies nicht erforderlich. Es können bereits geringe Bewegungsamplituden ausreichen, um das Verhalten der Membran 14 in dem Sensorsignal 22 bzw. der Auslenkinformation festzustellen. Beispielsweise kann eine Auslenkung von zumindest 1 % und höchstens 99 % einer Bewegung, die erforderlich ist, um die Membran 14 in den jeweils anderen stabilen Zustand auszulenken, angelegt werden, um die mit 14' bezeichnete Bewegung zu erhalten und um die Auslenkinformation zu erhalten. Eine höhere Bewegungsamplitude kann einen erhöhten Zeitaufwand zum Erzeugen und/oder Erfassen der entsprechenden Signale bedeuten, kann gleichzeitig jedoch einen erhöhten Informationsgehalt ermöglichen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Aktuator 16 so angesteuert, dass er die Membran um zumindest 5 % und höchstens 95 % oder zumindest 10 % und höchstens 70 % der Bewegung, die erforderlich ist, um die Membran in den anderen stabilen Zustand auszulenken, bewegt.
Der Sensor 18 kann eine mechanische Kopplung mit der Membran 14 aufweisen, die es ermöglicht, die Bewegung der Membran 14 zu erfassen. Alternativ kann auch eine optische Kopplung implementiert werden, etwa durch ein Laser-Vibrometer oder dergleichen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der Sensor 18 eine piezoelektrische Funktionsschicht, die mit der Membran 14 mechanisch gekoppelt ist. Der Sensor ist ausgebildet, um die von dem Aktuator 16 bewirkte Bewegung basierend auf einer Verformung der piezoelektrischen Funktionsschicht zu erfassen. Wie es bspw. im Zusammenhang mit den 7a-b, 8 und 9a-c ausführlich erläutert ist, können der Aktuator 16 und der Sensor 18 eine piezoelektrische Funktionsschicht umfassen. Hierbei kann es sich um separate piezoelektrische Funktionsschichten handeln, die räumlich benachbart und/oder räumlich getrennt voneinander angeordnet sind. Es ist jedoch auch möglich, dass dieselbe piezoelektrische Funktionsschicht abwechselnd von dem Aktuator 16 zur Anregung der Membran 14 und von dem Sensor 18 zum Erfassen der erzeugen Auslenkung der Membran 14 verwendet wird. Ferner ist es möglich, dass der Aktuator 16 und der Sensor 18 eine identische piezoelektrische Funktionsschicht zur gleichen Zeit zum Ansteuern und zum Sensieren nutzen, etwa indem der Sensor 18 eine Überlagerung einer mechanischen Beeinflussung eines von dem Aktuator 16 bereitgestellten Signals erfasst.
1b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS 10 in dem zweiten stabilen Auslenkungszustand, der beispielsweise dadurch erhalten werden kann, dass die Membran 14 aus 1a über die Mittenposition 32 hinausbewegt wird. Der Aktuator 16 kann ausgebildet sein, um in dem dargestellten zweiten stabilen Auslenkungszustand die Membran 14 zu bewegen, wie es durch die gestrichelte Linie 14" dargestellt ist. Für die Bewegung 14" gilt das für die Bewegung 14' Erläuterte, das bedeutet, sie kann eine Bewegungsamplitude aufweisen, die geringer ist als eine Amplitude zum Umschalten zwischen stabilen Auslenkungszuständen.
Die in dem Sensorsignal 22 enthaltene Auslenkinformation kann einzeln und/oder in Kombination mit weiteren Informationen nutzbar sein, um auf den Zustand der Membran 14 zu schließen. So kann beispielsweise bei gleichbleibender Ansteuerung durch den Aktuator 16 aber variierendem Sensorsignal 22 auf eine Veränderung in der Membran 14 geschlossen werden. Alternativ oder zusätzlich kann bei Kenntnis, was eine bestimmte Auslenkung durch den Aktuator 16 in einem Referenzzustand in oder an der Membran 14 bewirkt wird, ein Abgleich erfolgen, was tatsächlich bewirkt wird. So kann eine Abweichung des erfassten Ist-Zustands von dem Referenzzustand bestimmt werden. Dies ermöglicht beispielsweise eine Feststellung oder ein Bestimmen von Temperatur- oder Alterungseffekten in der Membran 14.
2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ähnlich aufgebaut ist wie das MEMS 10 und eine Aktuatorsteuereinrichtung 34 aufweist, die ausgebildet ist, um den Aktuator 16 durch Bereitstellen und Liefern eines Aktuatorsteuersignals 36 an den Aktuator 16 anzusteuern. Die Ansteuerung des Aktuators 16 kann dynamisch oder statisch erfolgen. Das bedeutet, die Aktuatorsteuereinrichtung 34 kann ausgebildet sein, um den Aktuator 16 so anzusteuern, dass dieser die Membran 14 in eine Hin- und Herbewegung versetzt wird, beispielsweise eine Schwingung. Alternativ kann die Aktuatorsteuereinrichtung 34 den Aktuator 16 so ansteuern, dass dieser mit einer sich zeitlich langsam verändernden Amplitude oder einer konstanten Amplitude der Membran 14 aus dem stabilen Zustand herausbewegt. Die Aktuatorsteuereinrichtung 34 kann ausgebildet sein, um den Aktuator 16 so anzusteuern, dass dieser die Membran in den zuvor genannten Wertebereichen von zumindest 1 % und höchstens 99 %, zumindest 5 % und höchstens 95 % oder zumindest 10 % und höchstens 70 % der Bewegung, die erforderlich ist, um die Membran in den anderen stabilen Zustand auszulenken, auslenkt.
3 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Steuereinrichtung 38 aufweist, die ausgebildet ist, um die Membran 14 zwischen stabilen Auslenkungszuständen anzusteuern. Hierfür kann die Steuereinrichtung 38 ein Membransteuersignal 42 an die Membran 14 und/oder einen hiermit verbundenen Aktuator liefern, um eine Umschaltung zwischen den stabilen Zuständen zu erhalten. Beispielsweise kann die Membran 14 eine Elektrode aufweisen, die elektrostatisch oder elektrodynamisch mit einer weiteren Elektrode, die beispielsweise mit dem Substrat verbunden ist, in Wechselwirkung steht. Das Membranansteuersignal 42 kann beispielsweise ein elektrisches Potenzial umfassen, das gegenüber der Referenzelektrode das Ausbilden einer elektrostatischen oder elektrodynamischen Kraft ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich kann die Membran 14 einen Aktuator umfassen oder mit einem derartigen Aktuator in mechanischem Kontakt stehen, so dass das Membranansteuersignal 42 ein Ansteuersignal für den entsprechenden Aktuator ist. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen piezoelektrischen Aktuator handeln, beispielsweise einen flächigen piezoelektrischen Aktuator (Patch-Aktuator). Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Steuereinrichtung 38 ausgebildet sein, um das Membransteuersignal 42 an den Aktuator 16 zu liefern, wie es durch das Bezugszeichen 42' dargestellt ist. Das bedeutet, der Aktuator 16 kann sowohl zum Bewegen der Membran 14 aus dem jeweiligen stabilen Zustand als auch zum Auslenken der Membran 14 in dem jeweiligen anderen stabilen Zustand genutzt werden. Die Steuereinrichtung 38 kann ausgebildet sein, um die Ansteuerung der Membran 14 zeitvariant anzupassen. Hierfür kann die Steuereinrichtung 38 beispielsweise eine Amplitude, eine Frequenz oder andere Eigenschaften des Membranansteuersignals 42 zeitvariant anpassen. Die Steuereinrichtung 38 kann hierfür die Auslenkinformation und/oder die Zustandsinformation 26 verwenden. Liefert die Zustandsinformation 26, die auf der Auslenkinformation basiert, beispielsweise einen Hinweis darauf, dass durch eine Auslenkung des Aktuators 16 eine geringere oder langsamere Auslenkung der Membran 14 erhalten wird, so kann die Steuereinrichtung 38 ausgebildet sein, um das Membranansteuersignal 42 derart anzupassen, dass eine höhere und/oder schnellere Auslenkung der Membran 14 erhalten wird. Dies ermöglicht die Kompensation von Temperatureffekten und/oder Alterungseffekten in der Membran 14. Beispielsweise kann eine erhöhte Temperatur der Membran 14 zu einer Verringerung der Materialsteifigkeit in der Membran 14 führen, was durch die Anpassung des Membranansteuersignals 42 kompensiert werden kann. Selbiges gilt für die Kompensation von Alterungseffekten, beispielsweise lokale Beschädigungen und/oder Fehlstellen.
4 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine modifizierte Aktuatorsteuereinrichtung 34' aufweist, die kombinatorisch die Funktionalität der Aktuatorsteuereinrichtung 34 und der Steuereinrichtung 38 aufweisen kann. Ein an den Aktuator 16 geliefertes Aktuatorsteuersignal 36' kann somit sowohl zum Bewegen der Membran 14 als auch zum Auslenken der Membran 14 in den anderen stabilen Zustand nutzbar sein.
Im Folgenden werden nun Einzelheiten in Bezug auf die Auslenkinformation und die Zustandsinformation erläutert.
5a zeigt ein schematisches Diagramm zur Illustrierung eines Verhaltens einer beispielhaften piezoelektrischen Schicht als Aktuator 16 an der Membran 14. Der Graph weist zwei Kurven 44a und 44b auf, die an einer gemeinsamen Zeitachse t dargestellt sind. Eine erste Ordinate zeigt eine Spannung U der Kurve 44a, die an die piezoelektrische Schicht anlegbar ist. Eine zweite Ordinate zeigt eine Geschwindigkeit v der Kurve 44b, die die Geschwindigkeit der Membran 14 repräsentiert, die durch die angelegte Spannung gemäß der Kurve 44a erhalten wird.
Ein erhaltener Hub einer Membran gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise im Rahmen von 1 - 100 µm, von 2 - 20 µm oder von 8 - 10 µm liegen.
5b zeigt über die gleiche Zeitachse t eine Auslenkung Δx (Displacement) der Membran 14 basierend auf der angelegten Spannung gemäß Kurve 44a und in einer Kurve 44c. In Bereichen 46a bis 46d der Kurve 44b, das bedeutet, des Beschleunigungssignals, können Rippel oder harmonische Schwingungen erkannt werden, die eine Abweichung von einer gleichförmigen Bewegung darstellen. Derartige Rippel können auch an anderer Stelle der Kurve 44b angeordnet oder vorhanden sein, dort aber beispielsweise eine geringere Amplitude aufweisen. Die Kurve 44b kann auf der Auslenkinformation basieren und beispielsweise von der Auswerteeinrichtung 24 aus dem Sensorsignal 22 abgeleitet werden. Die Rippel können eine Information darüber bereitstellen, wie mechanische Eigenschaften, etwas eine Steifigkeit und/oder eine Dämpfung der Membran 14 der Bewegung oder Auslenkung der Membran 14 entgegenwirken.
Die Bereiche 46a bis 46d können jeweils benachbart zu den stabilen Auslenkungszuständen bzw. zwischen zwei stabilen Auslenkungszuständen, etwa in einem Bereich der Mittenposition angeordnet sein. Die Kurven 44a bis 44c können im Zusammenhang mit einem Hin- und Herschalten zwischen stabilen Zuständen der Membran 14 verstanden werden. Ein derartiger stabiler Zustand kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt t₀ erhalten werden, in welchem die Beschleunigung beispielsweise einen Wert von 0 betragen kann. Ausgehend hiervon kann die Beschleunigung zunehmen und in dem Bereich 46c die deutlich sichtbaren Rippel aufweisen. Zu einem Zeitpunkt t₁ kann ein Umschalten der Membran 14 erfolgen, das bedeutet, die Beschleunigung 44b nimmt ab, um zu einem Zeitpunkt t₂ wieder einen Wert von 0 aufzuweisen, was dem anderen stabilen Zustand der Membran 14 entsprechen kann. Wie es vorangehend erläutert wurde, können die Rippel, d. h. Variationen in der Beschleunigung, auch im Umfeld der zu den Zeitpunkten t₀ und t₂ erhaltenen stabilen Positionen feststellbar oder erkennbar sein. Das bedeutet, obwohl die Kurven 44a bis 44c so dargestellt sind, dass zwischen den stabilen Zuständen hin- und hergeschaltet wird, kann auch in einem stabilen Zustand lediglich ein Bewegen der Membran 14, ggf. ohne Umschalten in den anderen stabilen Zustand erfolgen, um die Abweichungen in dem Beschleunigungssignal festzustellen.
In anderen Worten zeigt 5a eine Vibrometer-Messung einer bistabilen Membran bei hohen Auslenkungen in einem Grundzustand. Die Kurve 44a zeigt den Spannungsverlauf und die Kurve 44b den gemessenen Geschwindigkeitsverlauf. 5b zeigt hierzu eine berechnete Membranbewegung.
6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Illustrierung der Gewinnung der Zustandsinformation 26 durch die Auswerteeinrichtung 24. Die Auswerteeinrichtung 24 kann das Sensorsignal 22 aufweisen, das beispielsweise die Kurve 44b umfassen kann oder entsprechende Informationen aufweisen kann. Beispielsweise kann das Sensorsignal 22 Informationen bezüglich eines Spektrums 48₁ aufweisen, etwa indem das Sensorsignal 22 als analoges Signal darstellbar ist, aus dem das Spektrum 48₁ extrahierbar ist oder indem das Sensorsignal 22 bereits eine Darstellung des Spektrums 48₁ aufweist.
Die Auswerteeinrichtung 24 kann ferner optional Informationen bezüglich des Aktuatorsteuersignals 36 erhalten, etwa durch Erhalten des Aktuatorsteuersignals 36 direkt oder durch eine Kenntnis bezüglich des Signals. So kann die Auswerteeinrichtung 24 beispielsweise Informationen bezüglich des Aktuatorsteuersignals 36 erhalten, etwa von einem Speicher, und so weitere Berechnungen in der Annahme einer Kenntnis des Aktuatorsteuersignals 36 ausführen. Das Aktuatorsteuersignal 36 kann ebenfalls ein Spektrum 48₂ aufweisen, das beispielsweise mit der Kurve 44a korrelieren kann. Das Spektrum 48₂ kann somit beispielsweise Informationen bezüglich einer Ansteuerfrequenz des Aktuators 16 aufweisen, etwa eine Frequenz von 1 kHz. Demgegenüber können die Rippel in der Kurve 44b zu weiteren Spektralanteilen in dem Spektrum 48₁ führen. Die Auswerteeinrichtung 24 kann ausgebildet sein, um ein Spektrum 48₃ zu berechnen, etwa durch Subtraktion des Spektrums 48₁ und 48₂ und alternativ oder zusätzlich können auch andere Verarbeitungsschritte durchgeführt werden, etwa Faltungsoperationen, Multiplikationen, Additionen oder dergleichen.
Durch einen so vorgenommenen Vergleich zwischen dem Sensorsignal 22 und dem Aktuatorsteuersignal 36 kann eine Abweichung zwischen der Anregung der Membran 14 und der mechanischen Reaktion der Membran 14 erhalten werden. Diese Abweichung kann Rückschlüsse auf den tatsächlichen Zustand der Membran 14 ermöglichen und so die Zustandsinformation bereitstellen oder eine Grundlage hierfür bieten. Das bedeutet, dass die Auswerteeinrichtung 24 ausgebildet sein kann, um das Spektrum 48 das mit der Bewegung der Membran korreliert, zu bestimmen und/oder zu erhalten, um das Spektrum 48₂ des an den Aktuator 16 gelieferten Signals 36 zu erhalten, und um eine Abweichung zwischen die Spektren 48₁ und 48₂ zu bestimmen, um die Zustandsinformation 26 bereitzustellen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinrichtung 24 ausgebildet, um zum Bestimmen der Abweichung eine Differenz zwischen den Spektren 48₁ und 48₂ zu bilden.
Der Aktuator kann ausgebildet sein, um die Membran basierend auf einer dynamischen Anregung anzuregen. Hierunter können beispielsweise Frequenzen von zumindest 50 Hz bis hin zu einem MHz fallen. Manche Frequenzen können einen Frequenzwert von zumindest 20 kHz aufweisen. Die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, um eine elektrische Antwortfunktion des Aktuators und/oder Sensors basierend auf dem Ausgangssignal und der dynamischen Anregung zu bestimmen. Bei der elektrischen Antwortfunktion kann es sich um die erhaltene mechanische Auslenkung der Membran 14 und/oder um eine Rückkopplung eines mechanischen Widerstands, der durch die Membran 14 auf das Ansteuersignal des Aktuators hin bereitgestellt wird, handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich um einen Phasenverlauf des Ansteuersignals gegenüber der erhaltenen Auslenkung handeln.
Durch Kenntnis des Aufbaus der Membran 14 kann die Auswerteeinrichtung 24 ausgebildet sein, um die Abweichung, etwa Informationen des Spektrums 48₃ , mit einem mechanischen Spannungszustand in zumindest einer Schicht der Membran 14 zu korrelieren. Die Auswerteeinrichtung 24 kann die Zustandsinformation 26 so bereitstellen, dass diese einen Umschaltpunkt, das bedeutet, die Position der Mittenposition 32 in Korrelation mit der Kurve 44a und/oder 44b zwischen den stabilen Auslenkungszuständen zu bestimmen und als Zustandsinformation 26 bereitzustellen. Das bedeutet, die Auswerteeinrichtung 24 kann beispielsweise eine Verschiebung der Mittenposition 32 in 5b an der Ordinate mit einer Spannung der Kurve 44a und/oder einer Beschleunigung der Kurve 44b korrelieren. Diese Information kann von der Steuereinrichtung 38 und/oder der Aktuatorsteuereinrichtung 34' genutzt werden, um einen Betrieb und/oder eine Ansteuerung der Membran 14 anzupassen. Beispielsweise kann eine Spannungsamplitude so eingestellt werden, dass die Kurven 44a, 44b und/oder 44c symmetrisch bezüglich der Mittenposition 32 sind. Andere Einstellungen sind ebenfalls möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinrichtung 24 ausgebildet sein, um eine Abweichung, die in dem Spektrum 48₃ feststellbar ist, mit einer Resonanzfrequenz 14 der Membran zu korrelieren. So kann beispielsweise das Spektrum 48₁ Informationen über die Resonanzfrequenz aufweisen, so dass spektrale Anteile in dem Spektrum 48₃ in der Nähe von Frequenzen des Spektrums 48₂ auf eine Verschiebung der Resonanzfrequenz hinweisen können. Basierend hierauf kann die Steuereinrichtung beispielsweise eine Anpassung der Ansteuerfrequenz vornehmen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinrichtung 24 ausgebildet sein, um basierend auf der Auslenkinformation in dem Sensorsignal 22 eine Alterung der Membran zu erkennen und um das Signal mit der Zustandsinformation 26 so bereitzustellen, dass eine entsprechende Information weitergegeben wird. Beispielsweise kann diese Information auf einen bevorstehenden Ausfall der Membran 14 hindeuten, so dass ein Fehlersignal ausgebbar ist, das die Notwendigkeit oder das Erfordernis oder die Empfehlung eines Austausches anzeigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein hierin beschriebenes MEMS, etwa das MEMS 10, 20, 30 und/oder 40 einen Speicher 52, der mit der Auswerteeinrichtung 24 verbunden ist. Die Auswerteeinrichtung 24 kann ausgebildet sein, um die Auslenkinformation und/oder die Zustandsinformation in dem Speicher zu speichern. Das MEMS kann eine Steuereinrichtung, etwa die Steuereinrichtung 39 aufweisen, die ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Membran 14 basierend auf der gespeicherten Auslenkinformation (Zustandsinformation) bereitzustellen. Dies kann auch als Kalibrierung oder Selbstkalibrierung verstanden werden Beispielsweise kann eine Anpassung einer zu wählenden Resonanzfrequenz und/oder eine Anpassung einer Spannungsamplitude erfolgen, so dass die Steuereinrichtung in die Lage versetzt wird, die derzeitige Ansteuerung auf einen aktuellen Zustand des MEMS anzupassen. Der aktuelle Zustand kann hierbei von einem ursprünglichen Zustand, etwa während oder nach einer Auslieferung abweichen.
In anderen Worten kann für einen zuverlässigen und langzeitstabilen Betrieb von MEMS Sensoren und Aktuatoren eine in definierten und/oder unregelmäßigen Zeitintervallen durchzuführende Kalibrierung oder Selbsttests von hoher Bedeutung sein. MEMS, insbesondere Mikrolautsprecher, die eine bistabile Membrankonfiguration aufweisen können eine Anordnung bereitstellen, die hohe Amplituden und/oder hohe Beschleunigungen bereitstellen können. Der Umschaltvorgang von einem zum anderen stabilen Membranzustand kann durch eine auf der Membran integrierte piezoelektrische Schicht erfolgen. Wird eine bistabile Membran gemäß Ausführungsbeispielen mit einer hohen Auslenkung angeregt, während sie sich in einem der beiden stabilen Grundzustände befindet, so kann beobachtet werden, dass die Membran nicht mehr exakt dem Spannungsverlauf folgt, siehe hierzu die 5a und 5b. Als eine hohe Auslenkung kann in etwa 1/5, d. h. 20 %, der Auslenkung beim Umschalten zwischen den stabilen Zuständen verstanden werden. Die 5a zeigt eine mögliche Vibrometer-Messung einer bistabilen Membran, wobei die Kurve 44a dem angelegten elektrischen Spannungsverlauf und die Kurve 44b dem gemessenen Geschwindigkeitssignal der Membran entsprechen kann. 5b zeigt den Bewegungsverlauf der Membran, der aus einer Laser-Doppler-Vibrometer (LDV)-basierten Geschwindigkeitsmessung berechnet werden kann, mit welcher eine Geschwindigkeit von Oberflächen genau erfassbar oder messbar ist. Es kann erkannt werden, dass der Membranbewegung, im Gegensatz zu kleineren Auslenkungen, zusätzliche Schwingungen im Bereich der beiden Extremwerte und teilweise auch in den Nulldurchgängen aufweisen kann. Die Phasenverschiebung ist auf die Kapazität des Aufbaus zurückführbar.
Dieses charakteristische Schwingungsverhalten kann gemäß Ausführungsbeispielen verwendet werden, um den Umschaltpunkt als eine zentrale Kenngröße einer bistabilen Membran, um z. B. eine Mikrolautsprecheranwendung elektrisch zu bestimmen, ohne dabei zwischen den Grundzuständen umschalten zu müssen. Somit könnten Unterschiede von Membran zu Membran und von Bitgruppe zu Bitgruppe (jeweils mehrere Membrane zusammengefasst) erfasst und beispielsweise im Ansteuerverhalten angepasst werden, etwa durch Verwendung der Steuereinrichtung.
Dieses Verhalten kann für den elektrischen Endtest der Chips oder Bauteile und damit beispielsweise für die Kalibrierung der Ansteuerschaltung, das bedeutet der Aktuatorsteuereinrichting 34, und/oder der Steuereinrichtung 38 genutzt werden. Ferner können Alterungseffekte der Membran/Degenerationseffekte im Gesamtaufbau erfasst und berücksichtigt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann, verglichen mit einer elektrischen Spannung zum Umschalten der Membran von einem stabilen Zustand in den anderen, mit deutlich geringerer elektrischer Spannung die Membran zum Schwingen bei definierten Frequenzen in einem der beiden Grundzustände angeregt werden und die elektrische Antwortfunktion, das bedeutet der Impedanzverlauf, der piezoelektrischen Schicht gemessen werden. Die definierten Frequenzen können beispielsweise in einem Frequenzdurchlauf (Sweep) und/oder bei zuvor definierten Frequenzwerten getestet werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um bevorzugte und/oder zu vermeidende Frequenzen des MEMS handeln. Alternativ oder zusätzlich sind andere Anregefunktionen denkbar, etwa nicht-periodische. Damit kann beispielsweise der Schichtstress, der auf die Membran wirkt, erfasst werden und so eine Abschätzung der Membranauslenkung in den beiden stabilen Grundzuständen ermöglicht werden. Das bedeutet, die Auswerteeinrichtung kann ausgebildet sein, um die Zustandsinformation so bereitzustellen, dass eine Information über die Membranauslenkung, absolut oder relativ bezogen auf den Mittenzustand 32, in den beiden stabilen Grundzuständen erhalten werden kann. Dies ermöglicht den Erhalt einer weiteren Kenngröße der bistabilen Membran, etwa für eine Mikrolautsprecheranwendung. Ferner kann ein Schichtstress in der Membran 14 auch aus den überlagerten Schwingungen an den Extremwerten der Auslenkung erfasst werden.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf die mögliche Ausgestaltung von MEMS gemäß Ausführungsbeispielen.
7a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 70, bei dem die Membran 14 beispielhaft in der Mittenposition 32 angeordnet ist, etwa während einem Umschalten zwischen der ersten und zweiten stabilen Position/Auslenkungszustand. An der Membran 14 kann eine Schichtfolge umfassend eine erste Elektrode 54a, eine piezoelektrische Schicht 56 und eine zweite Elektrode 54b angeordnet sein, die gemeinsam beispielsweise den Aktuator 16 und/oder den Sensor 18 implementieren können. Die Schichtfolge steht in mechanischem Kontakt mit der Membran 14, so dass basierend auf der piezoelektrischen Schicht 56 eine Bewegung und/oder Auslenkung der Membran 14 und/oder eine Sensierung einer entsprechenden Bewegung erhalten werden kann.
7b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 70', das ähnlich aufgebaut sein kann wie das MEMS 70, wobei zwischen dem Substrat 12 und der Membran 14 eine Isolationsschicht 58 angeordnet sein kann, die es ermöglicht, elektrische Ströme und/oder Kurzschlüsse zwischen der Schichtfolge 62 umfassend die Elektroden 54a und 54b sowie die piezoelektrische Schicht 56 zu verringern oder zu verhindern. Darüber hinaus können die jeweils zwei benachbarte Schichten 54a und 56 bzw. 56 und 54b mit einem Überhand einer Schicht zu einer anderen Schicht, etwa die piezoelektrische Schicht 56 bezüglich der Elektrodenschicht 54b und die Elektrodenschicht 54a bezüglich der piezoelektrischen Schicht 56 gebildet sein, um das Auftreten von Kurzschlüssen zwischen den Elektroden 54a und 54b an Rändern der Schichtfolge zu verhindern oder zumindest zu erschweren.
8 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 80 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem zwei Aktuatoren 16a und 16b an der Membran 14 angeordnet sind. Ferner ist ein Sensor 18 an der Membran 14 angeordnet. Der Sensor 18 kann beispielsweise zwischen den Aktuatoren 16a und 16b angeordnet sein. Die Aktuatoren 16a und 16b sowie der Sensor 18 können jeweils eine Schichtfolge gemäß den Ausführungen im Zusammenhang mit der 7b aufweisen, die Schichtfolge 62 kann sowohl für die Aktuatoren 16a und 16b als auch für den Sensor 18 angeordnet werden. Die Anzahl von zwei Aktuatoren 16a und 16b sowie einen Sensor 18 ist lediglich beispielhaft zu verstehen. Es versteht sich, dass eine beliebige andere Anzahl von Aktuatoren und/oder Sensoren verwendet werden kann, jeweils etwa zumindest einer, zumindest zwei, zumindest drei oder mehr, wobei auch eine gemeinsame Ausführung von Sensor und Aktuator möglich ist. Die Schichtstapel 62a, 62b und 62c können eine gemeinsame Schichtfolge aufweisen, dass das bedeutet, untere Elektroden, piezoelektrische Schicht und obere Elektroden können jeweils in einer gemeinsamen Ebene 65 angeordnet sein. Beispielsweise können derartige Schichten als eine Schicht aufgetragen und anschließend strukturiert werden. Das bedeutet, dass eine piezoelektrische Funktionsschicht des Aktuators und eine piezoelektrische Funktionsschicht des Sensors in einer gemeinsamen Schichtebene 65 angeordnet sein können. Piezoelektrische Funktionsschichten des oder der Aktuatoren 16a und/oder 16b und eine piezoelektrische Funktionsschicht des Sensors 18 können räumlich beabstandet zueinander an der Membran angeordnet sein.
Anhand der 9a bis 9c sollen nun einige mögliche Anordnungen von Sensor und Aktuator an der Membran 14 erläutert werden. Die 9a bis 9c zeigen jeweils Draufsichten auf piezoelektrische Schichten. Obwohl die jeweiligen Ansichten so aufgefasst werden können, dass sich Sensor und Aktuator an derselben Seite der Membran 14 befinden, ist es auch möglich, dass sich Sensor und Aktuator an unterschiedlichen Seiten der Membran befinden. So könnte beispielsweise im Zusammenhang mit der 8 der Sensor 18 und/oder zumindest einer der Aktuatoren 16a und/oder 16b an einer dem Substrat 12 zugewandten Seite der Membran 14 angeordnet sein.
9a zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung 63 piezoelektrischer Schichten gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein elliptisch oder rund gebildetes piezoelektrisches Element als Sensor 18 verwendet wird. Alternativ ist auch eine beliebige andere Fläche oder Flächengeometrie vorstellbar, etwa ein Polygon, eine Freiformfläche und/oder eine Ringfläche oder dergleichen. Der Aktuator 18 umfasst eine ringförmige piezoelektrische Schicht, die den Sensor 18 umschließt. Flächenschwerpunkte des Aktuators 16 und des Sensors 18 können innerhalb eines Toleranzbereichs von höchstens 10%, höchstens 5% oder höchstens 1% der größten Abmessung des Aktuators 16 und des Sensors 18 deckungsgleich sein.
9b zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung 63' mit einer rund ausgeführten Membran 14, bei der vier, jeweils als Viertelkreis (Kuchenstück) ausgeführte piezoelektrische Schichten angeordnet sind, die räumlich voneinander beabstandet sind, etwa zur Vermeidung von Kurzschlüssen, abgesehen hiervon jedoch jeweils ein Viertel der Membranfläche 14 bedecken. Eine andere Anzahl von Sensoren 18 und/oder Aktuatoren 16a-16c ist möglich, was den entsprechenden Anteil an der Fläche der Membran 14 beeinflussen kann.
Die Darstellungen gemäß 9a und 9b ermöglichen eine kombinierte Funktionsschichtanordnung, bei der die piezoelektrischen Funktionsschichten der Sensoren 18 und/oder der Aktuatoren 16 bzw. 16a-16c innerhalb einer gemeinsamen geometrischen Anordnung angeordnet sind, die sich über die Membran 14 erstrecken kann. Dies kann als Alternative zu der Darstellung in 8 verstanden werden, wo eine räumliche Beabstandung der Aktuatoren 16a und 16b von dem Sensor 18 gezeigt ist. Obwohl ein Querschnitt durch die Anordnung gemäß 9a ebenfalls zu einer Seitenschnittansicht gemäß 8 führen kann, ist gemäß 8 eine Anordnung von zwei Aktuatoren 16a und 16b beschrieben.
9c zeigt eine schematische Draufsicht auf die Membran 14, die zumindest teilweise, beispielsweise vollständig, von der piezoelektrischen Schicht 56 bedeckt sein kann. Obwohl die piezoelektrische Funktionsschicht 56 in mechanischem Kontakt mit Elektroden stehen kann, sind diese der Einfachheit halber nicht gezeigt. Die piezoelektrische Funktionsschicht 56 kann sowohl für den aktuatorischen als auch für den sensorischen Betrieb verwendet werden, das bedeutet, als Aktuator 16 und als Sensor 18 verwendet werden. Dies kann zeitlich alternieren und/oder gleichzeitig erfolgen. Das bedeutet, eine piezoelektrische Funktionsschicht des Aktuators und eine piezoelektrische Funktionsschicht des Sensors können einstückig sein. Sowohl die Membran 14 als auch die piezoelektrische Funktionsschicht 56 können eine andere und eine voneinander verschiedene Oberflächengeometrie aufweisen, die jeweils rund, elliptisch, polygonförmig oder dergleichen gebildet sein kann und/oder eine geschlossene oder geöffnete Oberfläche aufweisen kann.
10 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 100, das eine Mehrzahl von Membranen 14a-14f aufweist. Die Membranen 14a-14f können in beliebiger Anordnung zueinander positioniert sein, können beispielsweise in Zeilen und Spalten angeordnet sein. Die Anzahl der Membranen 14a-14f ist hierbei beliebig, ebenso wie die Anzahl von Zeilen und/oder Spalten. Die Membranen 14a-14f bzw. die daran angeordneten Aktuatoren und/oder Sensoren können jeweils mit einer gemeinsamen Aktuatorsteuereinrichtung 34 und/oder Auswerteeinrichtung 24 verbunden sein, können aber auch individuell angesteuert oder ausgelesen werden. Es ist ferner möglich, dass einige der Sensoren und Aktuatoren nach gewissen Mustern und/oder räumlich benachbart zueinander zu Gruppen zusammengefasst werden können, was als Bitgruppe bezeichnet werden kann.
Die Membranen 14a-14f können räumlich benachbart zueinander angeordnet sein und gemeinsam ausgebildet sein, um den Druckwandler zu implementieren. Durch die räumliche Nachbarschaft der Membranen 14a-14f kann eine Wechselwirkung eine Auslenkung einer Membran auf eine andere Membran erhalten werden. So kann durch die Bewegung einer der Membranen, etwa der Membran 14b, durch Ansteuerung mit der Aktuatorsteuereinrichting 34, eine Kraft F erzeugt werden, die auf eine andere Membran, etwa die Membran 14a, einwirkt. Das bedeutet, dass in einem derartigen Fall der Aktuator zum Bewegen der Membran aus dem stabilen Zustand heraus auch auf einer anderen Membran angeordnet werden kann. Dies ermöglicht die Implementierung von Membranen in Abwesenheit von Aktuatoren, zumindest jene Aktuatoren, die zum Bewegen der Membran aus dem stabilen Auslenkungszustand heraus angeordnet sind. Das bedeutet, es können solche Aktuatoren weiter Verwendung finden, die zum Umschalten oder Wechsel der stabilen Auslenkungszustände verwendet werden.
Eine von der Membran 14b erzeugte Kraft F₁ bis F₃ kann in einer räumlichen Nachbarschaft andere Membranen bewegen, das bedeutet, eine Mehrzahl von Membranen kann durch die von der Membran 14b erzeugte Kraft F₁ bis F₃ bewegt werden. Bei den Kräften F₁ bis F₃ kann es sich beispielsweise um einen erzeugten Fluiddruck handeln, der auf die Membrane einwirkt. Durch eine räumliche Beabstandung kann eine Kraft, die auf andere Membrane, etwa die Membrane 14c und 14f wirkt, so gering sein, dass lediglich eine geringe oder keine Bewegung erhalten wird. Wird die Kraft F₁ und/oder die Kräfte F₁ bis F₃ durch ein Umschalten der Membran 14b von dem ersten in den zweiten stabilen Auslenkungszustand oder umgekehrt erhalten, so kann die Funktionalität des Aktuators zum Bewegen der Membran 14a, 14d und 14e aus den jeweiligen stabilen Zuständen von der Membran 14b erhalten werden, das bedeutet, die Membran 14b wird als Aktuator zum Bewegen der Membranen 14a, 14d und 14e.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine, aber auch mehrere der Membranen 14a-14f so ausgeführt sein, dass sie in den stabilen ersten Auslenkungszustand und in den stabilen zweiten Auslenkungszustand auslenkbar ist. Die Auswerteeinrichtung 24 kann ausgebildet sein, um die Auslenkinformationen für die Mehrzahl von Membranen 14a-14f zu bestimmen.
Die Steuereinrichtung 38 kann ausgebildet sein, um eine Ansteuerung der Vielzahl von Membranen 14a-14f bereitstellen, etwa unter Verwendung des Aktuatoransteuersignals 36, um die Ansteuerung der Membranen 14a-14f basierend auf der Auslenkinformation aufeinander abzustellen. Dies kann insbesondere so erfolgen, dass unterschiedliche mechanische Eigenschaften in den Membranen 14a-14f ausgeglichen werden, um einen gewollten Zeitabstand des Umschaltens der Membranen 14a-14f zu erhalten. Der gewollte Zeitabstand kann beispielsweise ein gleichzeitiges Umschalten bedeuten, das bedeutet, einen Zeitabstand von Null. Hierfür kann die Zustandsinformation derart genutzt werden, um zumindest eines aus einer Amplitude, bis die Mittenposition 32 überschritten werden kann, einer hierfür nötigen Spannung und/oder einer hierfür zu berücksichtigenden Phasenverschiebung beinhaltet, die derart berücksichtigt werden, dass die Ansteuerung der jeweiligen Membranen 14a-14f aufeinander abgestimmt wird, um den jeweils gewünschten Zeitabstand zu erhalten. Der Zeitabstand kann einen beliebigen anderen Wert aufweisen, beispielsweise können manche der Membranen 14a-14f bezüglich anderer Membranen mit einem bestimmten Fadenversatz und/oder im Gegentakt angesteuert werden.
Eine Übertragung der Bewegung kann beispielsweise durch ein Übersprechen über das Substrat erfolgen. In einem Ruhezustand des MEMS 10 kann ein Membran 14a-14f, eine Gruppe hiervon (Bitlet) oder einige Gruppen angesteuert werden, um ein Umschalten zwischen den stabilen Zuständen zu erhalten. Mit unangesteuerten Membranen kann erfasst werden, was in der Struktur des MEMS 100 erfolgt. Dies kann mit einem Ansatz zur Strukturüberwachung (Structural Health Monitoring - SHM) vergleichbar sein, wo lokal verteilt strukturelle Anregungen erfolgen und an anderer Stelle eine Bewegung in der Struktur erfasst wird.
In anderen Worten kann eine Membran in einer Array-Anordnung als Aktor verwendet werden, der eine definierte, mechanische Schwingung auf die gesamte Anordnung aufträgt und das Vibrationsverhalten/Schwingverhalten an anderen Membranen (Sensor) auslesbar macht. Wahlweise kann dieser Ansatz auch auf gesamte Bitgruppen übertragen werden.
11 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Wafer 64, umfassend eine Vielzahl von Wafer-Elementen 66, die jeweils eines oder mehrere der MEMS 10, 20, 30, 40, 70, 70', 80 und/oder 100 aufweisen können. In dem dargestellten Zustand vor einer Vereinzelung der Wafer-Elemente 66 kann bereits eine Ansteuerung der MEMS in den Wafer-Elementen 66 möglich sein. In dem Zustand kann ein Bewegen der Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand erfolgen, wobei die Membran Teil des MEMS in dem Wafer-Element 66 sein kann. Ferner kann ein Erfassen einer durch den Aktuator bewirkten Bewegung der Membran erfolgen, etwa unter Verwendung des Sensors 18. Das Sensorsignal 22 kann ausgegeben werden. Hierbei kann ein Auswerten der Auslenkinformation erfolgen, um eine Zustandsinformation bereitzustellen, die einen Zustand der Membran angibt. Diese Schritte können sowohl nach der Vereinzelung ausgeführt werden, etwa im Rahmen einer Kalibrierung, Selbstkalibrierung oder Funktionstest, können aber auch in dem dargestellten Zustand vor eine Vereinzelung des Wafers 64 ausgeführt werden. Dies ermöglicht einen On-Level-Wafertest, gemeinsam mit einem entsprechenden elektronischen Schaltkreis, etwa einem applikationsspezifischen integrierten Schaltkreis (Application-Specific lintegrated Circuit - ASIC), um beispielsweise ein Register mit Referenzwerten für spätere Kalibrierungen anzulegen und/oder um Ausfälle auf dem Wafer erkennen zu können und um entsprechende Wafer-Elemente 66 aussortieren zu können. Dies ermöglicht die Durchführung von Tests für eine Vielzahl von MEMS und/oder Wafer-Elementen 66 zu einem gemeinsamen Zeitpunkt und/oder bei einer gemeinsamen Umgebungsbedingung, etwa in einer Prozesskammer, so dass für alle Wafer-Elemente 66 gleiche oder zumindest vergleichbare Bedingungen in Bezug auf Temperatur und Druck vorherrschen können.
Die Rippel bzw. die überlagerte Schwingung in den Bereichen 46a-46d, aber auch an anderer Stelle kann für die Membran charakteristisch sein. Eine Resonanzfrequenz der Schwingung kann beispielsweise von einer Einspannung derselben beeinflusst sein.
12 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1200 gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit dem ein MEMS gemäß Ausführungsbeispielen herstellbar ist, etwa das MEMS 10, 20, 30, 40, 70, 70',und/oder 100. In einem Schritt 1100 des Verfahrens 1000 erfolgt ein Bereitstellen eines Substrats. In einem Schritt 1200 erfolgt ein Aufhängen einer Membran an dem Substrat, so dass die Membran in einem ersten stabilen Auslenkungszustand und in einem zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist. In einem Schritt 1300 erfolgt ein Anordnen eines Aktuators, so dass dieser ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand auszulenken. Dies kann durch Anordnen eines Aktuators an der Membran erfolgen und/oder durch Anordnen einer benachbarten Membran, die eine auf die Membran wirkende Kraft erzeugen kann. In einem Schritt 1400 erfolgt ein Anordnen eines Sensors, so dass dieser ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen und um ein Sensorsignal auszugeben, das eine Auslenkungsinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert. In einem Schritt 1500 erfolgt ein Anordnen einer Auswerteeinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um die Auslenkungsinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation der Membran zu erhalten.
13 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2000, das beispielsweise zum Kalibrieren eines hierin beschriebenen MEMS verwendet werden kann. Das bedeutet, das Verfahren 2000 bezieht sich auf ein Verfahren zum Kalibrieren eines MEMS, das ein Substrat, eine an dem Substrat aufgehängte Membran, die in einem ersten stabilen Auslenkungszustand und in einem zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist, einen Aktuator, der ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand zu bewegen, einen Sensor, der ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert. Das MEMS umfasst ferner eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, um die Auslenkungsinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation der Membran zu erhalten. Das Verfahren 2000 umfasst einen Schritt 2100, in dem ein Bewegen der Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand erfolgt. In einem Schritt 2200 erfolgt ein Erfassen der bewirkten Bewegung der Membran, beispielsweise unter Verwendung des Sensors, und ein Ausgeben eines Sensorsignals, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert. In einem Schritt 2300 erfolgt ein Auswerten der Auslenkungsinformation, um eine Zustandsinformation bereitzustellen, die einen Zustand der Membran angibt. In einem optionalen Schritt 2400 erfolgt ein Anpassen einer MEMS-Ansteuerung basierend auf der Zustandsinformation.
Unter Verwendung des Verfahrens 1000 kann ein entsprechendes MEMS hergestellt werden. Das Verfahren 2000 kann in Verbindung mit dem Verfahren 1000 ausgeführt werden, um ein Erfassen eines Referenzzustands und/oder eine Kalibrierung des MEMS auszuführen. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren 2000 während eines Betriebs des MEMS ausgeführt werden, um eine Kalibrierung und/oder einen Selbsttest auszuführen.
Mittels des Verfahrens 1000 kann auch der Wafer 110 erhalten werden. Das Verfahren 2000 kann ausgeführt werden, bevor eine Vereinzelung der einzelnen Elemente 66 erfolgt.
Anhand der 14a bis 14d werden beispielhaft stabile Auslenkungszustände einer in Ausführungsformen einer Membran 14-1 dargestellt, die in hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen einsetzbar ist. Die Membran 14-1 kann in zumindest zwei Richtungen, etwa zwei orthogonale Richtungen x und y, jeweils eine Vorzugsrichtung aufweisen. Für eine bessere Darstellung ist die Membran 14-1 bspw. als Rechteckstruktur dargestellt, wobei in Übereinstimmung mit den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen auch eine andere Form, etwa elliptisch, rund, polygon mit einer beliebigen Anzahl von Ecken sowie einer regelmäßigen oder unregelmäßigen Ausgestaltung oder eine Freiformfläche einsetzbar ist.
In 14a weist die Membran 14-1 einen ersten stabilen Auslenkungszustand auf, bei dem die Membran 14-1 entlang einer ersten Vorzugsrichtung, etwa der x-Richtung, gekrümmt sein kann und/oder entlang einer anderen Richtung, etwa einer zweiten Vorzugsrichtung wie der y-Richtung, ungekrümmt oder in einem geringeren Ausmaß gekrümmt sein kann, etwa höchstens 50 %, höchstens 30 % oder höchstens 10 %.
In 14b weist die Membran 14-1 einen bzgl. 14a komplementären zweiten stabilen Auslenkungszustand auf, bei dem die Krümmung, Wölbung oder Ausbeulung der Membran 14-1 entlang einer dritten Richtung, etwa einer orthogonal zu der x-Richtung und/oder der y-Richtung angeordneten z-Richtung, entgegengesetzt ist, wenn sie mit 14a verglichen wird. Diese Konfiguration kann bspw. in Übereinstimmung mit den Erläuterungen der 1a und 1b stehen.
In 14c weist die Membran 14-1 einen dritten stabilen Auslenkungszustand auf, bei dem die Krümmung der Membran entlang der zweiten Richtung erhalten wird und eine Krümmung entlang der ersten Richtung ein geringeres Ausmaß aufweist als entlang der zweiten Richtung, etwa höchstens 50 %, höchstens 30 % oder höchstens 10 %, wobei die Membran 14-1 entlang der ersten Richtung auch ungekrümmt sein kann.
In 14d weist die Membran 14-1 einen bzgl. 14c komplementären zweiten stabilen Auslenkungszustand auf, bei dem die Krümmung, Wölbung oder Ausbeulung der Membran 14-1 entlang einer dritten Richtung, etwa der z-Richtung, entgegengesetzt ist, wenn sie mit 14c verglichen wird. Diese Konfiguration gemäß 14c und 14d kann bspw. ebenfalls in Übereinstimmung mit den Erläuterungen der 1a und 1b stehen.
Es können auch weitere stabile Auslenkungszustände oder ein Teil der dargestellten stabilen Auslenkungszustände implementiert werden, etwa der erste stabile Auslenkungszustand gemäß 14a und der dritte stabile Auslenkungszustand gemäß 14c, und/oder in Kombination mit einem einzelnen weiteren stabilen Auslenkungszustand.
Die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Auslenkinformation und/oder auf eine Zustandsinformation. Die Zustandsinformation kann eine Information sein, die von der Auslenkinformation abgeleitet ist, das bedeutet, die Verwendung und/oder Speicherung der Zustandsinformation kann so verstanden werden, dass dabei auch die Auslenkinformation verarbeitet und/oder gespeichert wird.
Gemäß einem ersten Aspekt umfasst ein MEMS ein Substrat (12); eine an dem Substrat aufgehängten Membran (14; 14-1), die in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist; einen Aktuator (14; 16), der ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand zu bewegen; einen Sensor (18), der ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator (14; 16) bewirkte Bewegung (14'; 14") der Membran (14; 14-1) zu erfassen, und um ein Sensorsignal (22) auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung (14'; 14") basiert; und eine Auswerteeinrichtung (24), die ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation (26) der Membran (14; 14-1) zu erhalten.
Gemäß einem zweiten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt ist die Membran (14; 14-1) eine gebeulte Membran, bei der erste stabile Auslenkungszustand und der zweite stabile Auslenkungszustand außerhalb einer Mittenposition (32) der Membran (14; 14-1) angeordnet sind.
Gemäß einem dritten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt umfasst der Aktuator (16) eine piezoelektrische Funktionsschicht (56), die mit der Membran (14; 14-1) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Aktuator (16) ausgebildet ist, um die Membran (14; 14-1) basierend auf einer Verformung der piezoelektrischen Funktionsschicht (56) zu bewegen.
Gemäß einem vierten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten umfasst, der Sensor (18) eine piezoelektrische Funktionsschicht (56), die mit der Membran (14; 14-1) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Sensor (18) ausgebildet ist, um die von dem Aktuator bewirkte Bewegung (14'; 14") basierend auf einer Verformung der piezoelektrische Funktionsschicht (56) zu erfassen.
Gemäß einem fünften Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt, bilden eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Aktuators und eine piezoelektrischen Funktionsschicht des Sensors (18) eine kombinierte Funktionsschichtanordnung, bei der die piezoelektrischen Funktionsschichten innerhalb einer gemeinsamen geometrischen Anordnung (63; 63') angeordnet sind.
Gemäß einem sechsten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt sind eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Aktuators (16) und eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Sensors (18) in einer gemeinsamen Schichtebene (65) angeordnet.
Gemäß einem siebten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt sind eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Aktuators (16) und eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Sensors einstückig.
Gemäß einem achten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt sind eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Aktuators (16) und eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Sensors (18) räumlich beabstandet zueinander an der Membran (14; 14-1) angeordnet.
Gemäß einem neunten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt ist die Membran (14; 14-1) eine erste Membran (14a), und der Aktuator umfasst eine auslenkbare zweite Membran (14b), die ausgebildet ist, um bei einer Bewegung eine Kraft (F₁ ) zu erzeugen, die auf die erste Membran (14a) einwirkt, um diese zu bewegen.
Gemäß einem zehnten Aspekt in Übereinstimmung mit dem neunten Aspekt, umfasst das MEMS einer Mehrzahl von ersten Membranen (14a, 14c-d), die gemeinsam von der zweiten Membran (14b) ausgelenkt werden.
Gemäß einem elften Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt ist die zweite Membran (14b) eine in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar, wobei die zweite Membran (14b) ausgebildet ist, um die Kraft (F₁ -F₃ ) durch ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Zustand zu erzeugen.
Gemäß einem zwölften Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt, umfasst das MEMS eine Aktuatorsteuereinrichtung (34), die ausgebildet ist, um den Aktuator (14; 16) dynamisch oder statisch anzuregen.
Gemäß einem dreizehnten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt, umfasst das MEMS eine Aktuatorsteuereinrichtung (34), die ausgebildet ist, um den Aktuator (14; 16) so anzusteuern, dass dieser die Membran (14; 14-1) ausgehend von einem aus dem ersten und zweiten stabilen Zustand um zumindest 1 % und höchstens 99 % einer Bewegung auszulenken, die erforderlich ist, um die Membran in den anderen stabilen Zustand auszulenken.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt ist die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet, um ein erstes Spektrum (48₁ ) der Bewegung der Membran zu bestimmen, um ein zweites Spektrum (48₂ ) eines an den Aktuator (14b; 16) gelieferten Signals (36) zu erhalten, und um eine Abweichung (48₃ ) zwischen dem ersten Spektrum (48₁ ) und dem zweiten Spektrum (48₂ ) zu bestimmen, um die Zustandsinformation (26) bereitzustellen.
Gemäß einem fünfzehnten Aspekt in Übereinstimmung mit dem vierzehnten Aspekt ist die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet, um zum Bestimmen der Abweichung (48₃ ) eine Differenz zwischen dem ersten Spektrum (48₁ ) und dem zweiten Spektrum (48₂ ) zu bilden.
Gemäß einem sechzehnten Aspekt in Übereinstimmung mit dem vierzehnten Aspekt ist die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet, um die Abweichung (48₃ ) mit einem Spannungszustand in zumindest einer Schicht der Membran (14; 14-1) zu korrelieren, um einen Umschaltpunkt zwischen dem ersten und zweiten stabilen Auslenkungszustand und/oder eine hierfür an den Aktuator (14b; 16) anzulegende Spannung zu bestimmen.
Gemäß einem siebzehnten Aspekt in Übereinstimmung mit dem vierzehnten Aspekt ist die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um die Abweichung (48₃ ) mit einer Resonanzfrequenz der Membran (14; 14-1) zu korrelieren.
Gemäß einem achtzehnten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt ist die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um basierend auf der Auslenkinformation eine Alterung der Membran (14; 14-1) zu erkennen, und um ein Signal (26) bereitzustellen, das eine entsprechende Information umfasst.
Gemäß einem neunzehnten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt umfasst das MEMS eine Steuereinrichtung (34'; 38), die ausgebildet ist, um die Membran (14; 14-1) von dem ersten in den zweiten stabilen Auslenkzustand anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (34'; 38) ausgebildet ist, um die Ansteuerung basierend auf einer veränderlichen Auslenkinformation anzupassen.
Gemäß einem zwanzigsten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt umfasst das MEMS eine Mehrzahl von aufgehängten Membranen (14a-f), von denen jede in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um die Auslenkinformation für die Mehrzahl von Membranen (14a-f) zu bestimmen, wobei das MEMS eine Steuereinrichtung (38) umfasst, die ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Vielzahl von Membranen (14a-f) bereitzustellen, und um die die Ansteuerung der Vielzahl von Membranen (14a-f) basierend auf der Auslenkinformation auf einander abzustimmen.
Gemäß einem einundzwanzigsten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten umfasst das MEMS einen Speicher (52), wobei die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um die Zustandsinformation (26) in dem Speicher (52) zu speichern, wobei das MEMS eine Steuereinrichtung (34'; 38) umfasst, die ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Membran (14; 14-1) basierend auf der gespeicherten Zustandsinformation (26) bereitzustellen. Gemäß einem zweiundzwanzigsten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt ist der Aktuator (14b; 16) ausgebildet, um die Membran basierend auf einer dynamischen Anregung anzuregen, wobei die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um eine elektrische Antwortfunktion des Aktuators (14b; 16) und/oder Sensors (18) basierend auf der Auslenkinformation und der dynamischen Anregung zu bestimmen.
Gemäß einem dreiundzwanzigsten Aspekt in Übereinstimmung mit dem ersten Aspekt umfasst die Zustandsinformation (26) eines aus einer Amplitude (ΔX) der Bewegung, einer Frequenz der Bewegung, einer Geschwindigkeit (V) der Bewegung und einer Auslenkamplitude der Membran in dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand.
Gemäß einem vierundzwanzigsten Aspekt weist ein Verfahren (1000) zum Herstellen eines MEMS folgende Schritte auf:

Bereitstellen (1100) eines Substrats;
Aufhängen (1200) einer Membran an dem Substrat, so dass die Membran in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist;
Anordnen (1300) eines Aktuators, so dass dieser ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand auszulenken;
Anordnen (1400) eines Sensors, so dass dieser ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert; und
Anordnen (1500) einer Auswerteeinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation der Membran zu erhalten.

Gemäß einem fünfundzwanzigsten Aspekt in Übereinstimmung mit dem vierundzwanzigsten Aspekt weist das Verfahren ferner folge Schritte auf:

Bewegen (2100) der Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand;
Erfassen (2200), mit dem Sensor die durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran, und Ausgeben eines Sensorsignals, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert;
Auswerten (2300) der Auslenkinformation, um eine Zustandsinformation bereitzustellen, die einen Zustand der Membran angibt.

Gemäß einem sechsundzwanzigsten Aspekt in Übereinstimmung mit dem fünfundzwanzigsten Aspekt wird das MEMS in einem Wafer (110) als eines aus einer Vielzahl von MEMS hergestellt, wobei die Schritte des Bewegens (2100) der Membran, des Erfassens (2200) der bewirkten Bewegung und des Auswertens (2300) der Auslenkinformation vor einer Vereinzelung der MEMS ausgeführt wird.
Gemäß einem siebenundzwanzigsten Aspekt weist ein Verfahren (2000) zum Kalibrieren eines MEMS, das ein Substrat (12); eine an dem Substrat (12) aufgehängte Membran (14; 14-1), die in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist; einen Aktuator (14b; 16), der ausgebildet ist, um die Membran (14; 14-1) aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand zu bewegen; einen Sensor (18), der ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator (14b; 16) bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal (22) auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert; und eine Auswerteeinrichtung (24), die ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation (26) der Membran (14; 14-1) zu erhalten, umfasst, folgende Schritte auf:

Bewegen (2100) der Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand;
Erfassen (2200), mit dem Sensor, einer durch das Bewegen bewirkten Bewegung der Membran, und Ausgeben eines Sensorsignals, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert; und
Auswerten (2300) der Auslenkinformation, um eine Zustandsinformation bereitzustellen, die einen Zustand der Membran angibt.

Gemäß einem achtundzwanzigsten Aspekt in Übereinstimmung mit dem siebenundzwanzigsten Aspekt umfasst das Verfahren ferner:

Anpassen (2400) einer MEMS-Ansteuerung basierend auf der Zustandsinformation.

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

MEMS mit: einem Substrat (12); einer an dem Substrat aufgehängten Membran (14; 14-1), die in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist; einem Aktuator (14; 16), der ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand zu bewegen; einem Sensor (18), der ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator (14; 16) bewirkte Bewegung (14'; 14") der Membran (14; 14-1) zu erfassen, und um ein Sensorsignal (22) auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung (14'; 14") basiert; und einer Auswerteeinrichtung (24), die ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation (26) der Membran (14; 14-1) zu erhalten.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem die Membran (14; 14-1) eine gebeulte Membran ist, bei der erste stabile Auslenkungszustand und der zweite stabile Auslenkungszustand außerhalb einer Mittenposition (32) der Membran (14; 14-1) angeordnet sind.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem der Aktuator (16) eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) umfasst, die mit der Membran (14; 14-1) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Aktuator (16) ausgebildet ist, um die Membran (14; 14-1) basierend auf einer Verformung der piezoelektrischen Funktionsschicht (56) zu bewegen.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem der Sensor (18) eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) umfasst, die mit der Membran (14; 14-1) mechanisch gekoppelt ist, wobei der Sensor (18) ausgebildet ist, um die von dem Aktuator bewirkte Bewegung (14'; 14") basierend auf einer Verformung der piezoelektrische Funktionsschicht (56) zu erfassen.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Aktuators und eine piezoelektrischen Funktionsschicht des Sensors (18) eine kombinierte Funktionsschichtanordnung bilden, bei der die piezoelektrischen Funktionsschichten innerhalb einer gemeinsamen geometrischen Anordnung (63; 63') angeordnet sind.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Aktuators (16) und eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Sensors (18) in einer gemeinsamen Schichtebene (65) angeordnet sind.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Aktuators (16) und eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Sensors einstückig sind .
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Aktuators (16) und eine piezoelektrische Funktionsschicht (56) des Sensors (18) räumlich beabstandet zueinander an der Membran (14; 14-1) angeordnet sind.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem die Membran (14; 14-1) eine erste Membran (14a) ist, und bei dem der Aktuator eine auslenkbare zweite Membran (14b) umfasst, die ausgebildet ist, um bei einer Bewegung eine Kraft (F₁) zu erzeugen, die auf die erste Membran (14a) einwirkt, um diese zu bewegen.
MEMS gemäß Anspruch 9, mit einer Mehrzahl von ersten Membranen (14a, 14c-d), die gemeinsam von der zweiten Membran (14b) ausgelenkt werden.
MEMS gemäß Anspruch 9, bei der die zweite Membran (14b) eine in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist, wobei die zweite Membran (14b) ausgebildet ist, um die Kraft (F₁-F₃) durch ein Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten stabilen Zustand zu erzeugen.
MEMS gemäß Anspruch 1, umfassend eine Aktuatorsteuereinrichtung (34), die ausgebildet ist, um den Aktuator (14; 16) dynamisch oder statisch anzuregen.
MEMS gemäß Anspruch 1, umfassend eine Aktuatorsteuereinrichtung (34), die ausgebildet ist, um den Aktuator (14; 16) so anzusteuern, dass dieser die Membran (14; 14-1) ausgehend von einem aus dem ersten und zweiten stabilen Zustand um zumindest 1 % und höchstens 99 % einer Bewegung auszulenken, die erforderlich ist, um die Membran in den anderen stabilen Zustand auszulenken.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um ein erstes Spektrum (48₁) der Bewegung der Membran zu bestimmen, um ein zweites Spektrum (48₂) eines an den Aktuator (14b; 16) gelieferten Signals (36) zu erhalten, und um eine Abweichung (48₃) zwischen dem ersten Spektrum (48₁) und dem zweiten Spektrum (48₂) zu bestimmen, um die Zustandsinformation (26) bereitzustellen.
MEMS gemäß Anspruch 14, bei dem die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um zum Bestimmen der Abweichung (48₃) eine Differenz zwischen dem ersten Spektrum (48₁) und dem zweiten Spektrum (48₂) zu bilden.
MEMS gemäß Anspruch 14, bei dem die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um die Abweichung (48₃) mit einem Spannungszustand in zumindest einer Schicht der Membran (14; 14-1) zu korrelieren, um einen Umschaltpunkt zwischen dem ersten und zweiten stabilen Auslenkungszustand und/oder eine hierfür an den Aktuator (14b; 16) anzulegende Spannung zu bestimmen.
MEMS gemäß Anspruch 14, bei dem die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um die Abweichung (48₃) mit einer Resonanzfrequenz der Membran (14; 14-1) zu korrelieren.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um basierend auf der Auslenkinformation eine Alterung der Membran (14; 14-1) zu erkennen, und um ein Signal (26) bereitzustellen, das eine entsprechende Information umfasst.
MEMS gemäß Anspruch 1, umfassend eine Steuereinrichtung (34'; 38), die ausgebildet ist, um die Membran (14; 14-1) von dem ersten in den zweiten stabilen Auslenkzustand anzusteuern, wobei die Steuereinrichtung (34'; 38) ausgebildet ist, um die Ansteuerung basierend auf einer veränderlichen Auslenkinformation anzupassen.
MEMS gemäß Anspruch 1, umfassend eine Mehrzahl von aufgehängten Membranen (14a-f), von denen jede in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um die Auslenkinformation für die Mehrzahl von Membranen (14a-f) zu bestimmen, wobei das MEMS eine Steuereinrichtung (38) umfasst, die ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Vielzahl von Membranen (14a-f) bereitzustellen, und um die die Ansteuerung der Vielzahl von Membranen (14a-f) basierend auf der Auslenkinformation auf einander abzustimmen.
MEMS gemäß Anspruch 1 ferner umfassend einen Speicher (52), wobei die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um die Zustandsinformation (26) in dem Speicher (52) zu speichern, wobei das MEMS eine Steuereinrichtung (34'; 38) umfasst, die ausgebildet ist, um eine Ansteuerung der Membran (14; 14-1) basierend auf der gespeicherten Zustandsinformation (26) bereitzustellen.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem der Aktuator (14b; 16) ausgebildet ist, um die Membran basierend auf einer dynamischen Anregung anzuregen, wobei die Auswerteeinrichtung (24) ausgebildet ist, um eine elektrische Antwortfunktion des Aktuators (14b; 16) und/oder Sensors (18) basierend auf der Auslenkinformation und der dynamischen Anregung zu bestimmen.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei der die Zustandsinformation (26) eines aus einer Amplitude (ΔX) der Bewegung, einer Frequenz der Bewegung, einer Geschwindigkeit (V) der Bewegung und einer Auslenkamplitude der Membran in dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand umfasst.
Verfahren (1000) zum Herstellen eines MEMS mit folgenden Schritten: Bereitstellen (1100) eines Substrats; Aufhängen (1200) einer Membran an dem Substrat, so dass die Membran in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist; Anordnen (1300) eines Aktuators, so dass dieser ausgebildet ist, um die Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand auszulenken; Anordnen (1400) eines Sensors, so dass dieser ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert; und Anordnen (1500) einer Auswerteeinrichtung, so dass diese ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation der Membran zu erhalten.
Verfahren gemäß Anspruch 24, ferner umfassend Bewegen (2100) der Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand; Erfassen (2200), mit dem Sensor die durch den Aktuator bewirkte Bewegung der Membran, und Ausgeben eines Sensorsignals, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert; Auswerten (2300) der Auslenkinformation, um eine Zustandsinformation bereitzustellen, die einen Zustand der Membran angibt.
Verfahren gemäß Anspruch 25, bei dem das MEMS in einem Wafer (110) als eines aus einer Vielzahl von MEMS hergestellt wird, wobei die Schritte des Bewegens (2100) der Membran, des Erfassens (2200) der bewirkten Bewegung und des Auswertens (2300) der Auslenkinformation vor einer Vereinzelung der MEMS ausgeführt wird.
Verfahren (2000) zum Kalibrieren eines MEMS, das ein Substrat (12); eine an dem Substrat (12) aufgehängte Membran (14; 14-1), die in einen ersten stabilen Auslenkungszustand und in einen zweiten stabilen Auslenkungszustand auslenkbar ist; einen Aktuator (14b; 16), der ausgebildet ist, um die Membran (14; 14-1) aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand zu bewegen; einen Sensor (18), der ausgebildet ist, um eine durch den Aktuator (14b; 16) bewirkte Bewegung der Membran zu erfassen, und um ein Sensorsignal (22) auszugeben, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert; und eine Auswerteeinrichtung (24), die ausgebildet ist, um die Auslenkinformation auszuwerten, um eine Zustandsinformation (26) der Membran (14; 14-1) zu erhalten, umfasst, mit folgenden Schritten: Bewegen (2100) der Membran aus dem ersten oder zweiten stabilen Auslenkungszustand; Erfassen (2200), mit dem Sensor, einer durch das Bewegen bewirkten Bewegung der Membran, und Ausgeben eines Sensorsignals, das eine Auslenkinformation aufweist, die auf der Bewegung basiert; und Auswerten (2300) der Auslenkinformation, um eine Zustandsinformation bereitzustellen, die einen Zustand der Membran angibt.
Verfahren gemäß Anspruch 27, ferner umfassend: Anpassen (2400) einer MEMS-Ansteuerung basierend auf der Zustandsinformation.