DE102017223869A1 - MEMS-Bauelement und mobiles Gerät mit dem MEMS-Bauelement - Google Patents

Abstract

Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement 100 einen MEMS-Schallwandler 110 mit einer Membranstruktur 114 und einer zugeordneten Gegenelektrodenstruktur 112, und einer Schaltungseinheit 120, die elektrisch mit dem MEMS-Schallwandler 110 gekoppelt ist und die ferner ausgebildet ist, um in einem ersten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 im Audio-Frequenzbereich ein Audioausgangssignal des MEMS-Schallwandlers 110 basierend auf einer durch eine akustische Schalldruckänderung ΔP bewirkte Auslenkung der Membranstruktur 114 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 zu erfassen, und in einem zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 im Ultraschall-Frequenzbereich ferner den MEMS-Schallwandler 110 als einen Ultraschall-Sendeempfänger anzusteuern und auszulesen.

Description

• Technisches Gebiet
• Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein akustisches MEMS-Bauelement mit einem Membran-basierten MEMS-Schallwandler, der sowohl im Audiobereich als ein Audio-Mikrofon ausgelesen als auch im Ultraschall-Frequenzbereich als ein Ultraschall-Transceiver (Ultraschall-Sendeempfänger) ansteuerbar und auslesbar ist. Ausführungsbeispiele beziehen sich ferner auf eine Vorrichtung unter Verwendung des MEMS-Bauelements als Abstands- und/oder Temperatursensor. Ausführungsbeispiele beziehen sich ferner auf ein mobiles elektronisches Gerät, wie z. B. einem Smartphone, Notebook, Tablet, etc., mit einer Mehrzahl von MEMS-Bauelementen, die sowohl im Audio-Frequenzbereich als Audio-Mikrofon auslesbar als auch im Ultraschall-Frequenzbereich als Ultraschall-Transceiver ansteuerbar und auslesbar sind, um beispielsweise Umgebungsbedingungen, wie z. B. Temperatur, Windgeschwindigkeit, Windrichtung etc., in der Umgebungsatmosphäre des mobilen Geräts zu erfassen.
• Zusammenfassung
• Auf dem Gebiet von Sensoren besteht ein ständiger Bedarf nach Sensorelementen, die mit einer ausreichend hohen Genauigkeit die gewünschten Messgrößen, wie z. B. unterschiedliche Umgebungsbedingungen eines mobilen Geräts, erfassen.
• Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden unabhängigen Patentansprüche erfüllt werden. Weiterbildungen des vorliegenden Konzepts sind in Unteransprüchen definiert.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement 100 einen MEMS-Schallwandler 110 mit einer Membranstruktur 114 und einer zugeordneten Gegenelektrodenstruktur 112, und einer Schaltungseinheit 120, die elektrisch mit dem MEMS-Schallwandler 110 gekoppelt ist und die ferner ausgebildet ist, um in einem ersten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 im Audio-Frequenzbereich ein Audioausgangssignal des MEMS-Schallwandlers 110 basierend auf einer durch eine akustische Schalldruckänderung ΔP bewirkte Auslenkung der Membranstruktur 114 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 zu erfassen, und in einem zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 im Ultraschall-Frequenzbereich ferner den MEMS-Schallwandler 110 als einen Ultraschall-Sendeempfänger anzusteuern und auszulesen.
• Ausführungsbeispiele beziehen sich somit auf den Einsatz bzw. die Verwendung eines Membran-basierten MEMS-Schallwandlers (MEMS = microelectromechanical system = mikroelektromechanisches System) bzw. MEMS-Mikrofons als Audio-Mikrofon im Audio-Frequenzbereich, z. B. in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 20 kHz, und als Ultraschall-Transceiver (Transceiver = Sendeempfänger) im Ultraschall-Frequenzbereich, z. B. in einem Frequenzbereich zwischen 20 kHz bis 300 kHz. Gemäß Ausführungsbeispielen wird also ein MEMS-Mikrofon sowohl als ein Audio-Mikrofon als auch als ein Ultraschall-Transceiver verwendet, um einen sog. Kombinationssensor (auch: Kombo-Sensor) mit einer Mehrzahl von Sensorfunktionalitäten bereitzustellen.
• Während der Ultraschall-Betriebszustands des MEMS-Schallwandlers wird die Membranstruktur und/oder die Gegenelektrodenstruktur elektrostatisch (kapazitiv) oder piezoelektrisch angeregt, um ausreichend starke Schalldruckpegel bei Ultraschall-Frequenzen oberhalb des Audio-Frequenzbereichs zu erzeugen. Dabei kann beispielsweise eine Resonanzeigenschaft der Membranstruktur und/oder der Gegenelektrodenstruktur des MEMS-Schallwandlers genutzt werden, um im Ultraschall-Sendebetriebszustand die Gegenelektrodenstruktur oder die Membranstruktur des MEMS-Schallwandlers effektiv mit dem Ultraschall-Sendesignal ansteuern und im Ultraschall-Empfangsbetriebszustand auslesen zu können.
• Die Laufzeit bzw. Zeitdauer zwischen einem Sendezeitpunkt des Ultraschall-Sendesignals und dem Empfangszeitpunkt des zugeordneten Ultraschall-Empfangssignals kann nun hinsichtlich einer in der Umgebungsatmosphäre vorhandenen Umgebungsbedingung, z. B. der Umgebungstemperatur oder einer Bewegungsgeschwindigkeit des umgebenden Fluids, z. B. der Windgeschwindigkeit der Umgebungsluft, ausgewertet werden. Mit dem Einsatz von mehreren MEMS-Bauelementen bzw. mehreren Paaren von MEMS-Bauelementen können die jeweiligen Signallaufzeiten nun ferner hinsichtlich einer Bewegungsrichtung des umgebenden Fluids, d.h. der Windrichtung der Umgebungsluft, ausgewertet werden.
• Bei einem bekannten oder vorgegebenen Wert für die zurückgelegte Distanz des Ultraschall-Sendesignals durch die Umgebungsatmosphäre kann beispielsweise aus der resultierenden Laufzeit die Temperatur in der Umgebungsatmosphäre, z. B. der Umgebungsluft, ermittelt werden. Ist dagegen die Umgebungstemperatur bekannt, kann aus der Laufzeit des Ultraschall-Sendesignals auch der Abstand zu einem das Ultraschall-Signal reflektierenden Objekt, die relative Bewegungsgeschwindigkeit (Windstärke) der Umgebungsatmosphäre und bei mehreren Sensoren zusätzlich noch die Bewegungsrichtung (Windrichtung) der Umgebungsluft ermittelt werden.
• Somit können gemäß dem vorliegenden Konzept mit einem Membran-basierten MEMS-Bauelement mehrere Umgebungsparameter bzw. Umgebungsbedingungen als Messgröße mit einer hohen Genauigkeit erfasst werden.
• Gemäß dem vorliegenden Konzept wird es also ermöglicht, kapazitive oder piezoelektrische MEMS-Mikrofone einerseits im Audio-Frequenzbereich als Audio-Mikrofone zu verwenden und andererseits im Ultraschall-Frequenzbereich als Ultraschall-Transceiver (Ultraschall-Sendeempfänger) einzusetzen. Damit kann eine Dreifachnutzung eines einzelnen MEMS-Schallwandlers erreicht werden. Aufgrund der sehr geringen Größe dieses „Kombinationssensors“ ist daher insbesondere der Einsatz bei „handlichen“ mobilen Geräten möglich und attraktiv, die ohnehin MEMS-Schallwandler als Audio-Mikrofone verwenden.
• Diese Ultraschall-Funktionalität der MEMS-Mikrofone ermöglicht den Einsatz für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. bei der Gestenerkennung, der Abstandsmessung, z. B. für einen Parkassistenten, zur Drehgeschwindigkeitserfassung eines Rads oder einer Welle, zur Anwesenheitserfassung und/oder -Überwachung, zur Überwachung der strukturellen Integrität von Bauelementen, etc., um nur einige der Anwendungsmöglichkeiten beispielhaft aufzuzählen. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass Ultraschall-Sensoren insbesondere auch aufgrund ihres geringeren Leistungsverbrauchs gegenüber optischen Lösungen für die oben angegebenen Anwendungsbeispiele effizient und umfassend eingesetzt werden können.
• MEMS-Bauelemente gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen, die sowohl eine Funktionalität Audiomikrofon als auch als Ultraschall-Transceiver aufweisen, zeichnen sich durch einen geringen Flächenbedarf bzw. ein geringes Einbauvolumen aus, wobei bei allen Anwendungen, die ohnehin MEMS-Mikrofone verwenden, kein zusätzlicher Flächen- oder Volumenbedarf anfällt. Ferner kann ein Systemaufbau stark vereinfacht werden, da bei den MEMS-Bauelementen gemäß den vorliegenden Ausführungsbeispielen keine Trennung zwischen Lautsprecher (Sender) und Empfänger notwendig ist.
• Durch die Verwendung eines Membran-basierten MEMS-Schallwandlers als Ultraschall-Sendeempfänger im Ultraschall-Frequenzbereich kann eine sehr gute Impedanzanpassung zwischen dem Abstrahlelement des MEMS-Mikrofons und dem umgebenden Medium erreicht werden, d. h. das Abgeben bzw. Aussenden von Ultraschall-Energie in das Umgebungsmedium, wie z.B. Luft, und auch die Aufnehmen bzw. Empfangen von Ultraschall-Energie aus dem Umgebungsmedium kann mit einem relativ hohen Wirkungsgrad erfolgen. Dies trifft insbesondere zu, wenn ein kapazitives MEMS-Mikrofon mit Gegenelektrodenstruktur und Rückvolumen in einem Gehäuse sowohl als Audio-Mikrofon als auch als Ultraschall-Sendeempfänger verwendet wird.
• Mobile Geräte, wie z. B. Mobiltelefone, Smartphones, Notebooks, Laptops, Tablets, Smart-Watches, etc. können somit mit einer zusätzliche Funktionalität bzw. Sensoreigenschaft versehen werden, ohne dafür einen zusätzlichen Platzbedarf im Vergleich zu Standard-MEMS-Bauelementen zu benötigen, wobei gut etablierte und hinsichtlich ihrer Robustheit bewährte Technologien für die MEMS-Bauelemente bzw. für die MEMS-Mikrofone eingesetzt werden können. Ferner können durch das Anordnen einer Mehrzahl von MEMS-Bauelementen gemäß dem vorliegenden Konzept Strahlformungseigenschaften sowohl im Audiobetriebszustand als auch im Ultraschall-Betriebszustand die jeweilige Mess- und Erfassungsgenauigkeit erhöhen. Durch die Anordnung dieser MEMS-Bauelemente in einem Array können diese Strahlformungseigenschaften noch weiter verbessert werden.
• Gemäß Ausführungsbeispielen können die vorliegenden MEMS-Bauelemente mit den Membran-basierten MEMS-Mikrofonen durch die Verwendung als Ultraschall-Transceiver die Umgebungstemperatur erfassen bzw. messen, indem eine bekannte Referenzweglänge für das Ultraschall-Signal und die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in dem Fluid, z. B. in der Umgebungsluft, vorgegeben wird. Eine bekannte Wegstrecke für das Ultraschall-Signal kann beispielsweise angenommen werden, wenn eine Reflexion an einem Objekt, das in einer vorgegebenen Entfernung zu dem Ultraschall-Sendeempfänger angeordnet ist, erfolgt und die Laufzeit ausgehend vom Sendezeitpunkt bis zum Eintreffen des reflektierten Ultraschall-Sendesignals ermittelt wird. Alternativ kann die Laufzeit zwischen zwei Ultraschall-Sendeempfängern, die in einem festen Abstand zueinander angeordnet sind, erfasst werden.
• Das vorliegende Konzept nutzt dabei die bekannte Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in einem Gas, z. B. in Luft, aus. Dazu wird eine vorgegebene Wegstrecke für das Ultraschall-Signal benötigt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem an dem mobilen Gerät zwei MEMS-Bauelemente gemäß Ausführungsbeispielen in einem vorgegebenen, festen Abstand zueinander angeordnet sind, oder indem ein zusätzliches Gerät eingesetzt wird, das die Laufstrecke des Ultraschall-Signals mit hoher Genauigkeit und idealerweise unabhängig von der Fluidtemperatur (Lufttemperatur) messen kann, wie z. B. mittels einer optischen Messung oder einer HF-Messung. Dazu können in dem mobilen Gerät beispielsweise auch zusätzliche optische Sensoren oder HF-Sensoren zur Abstands- bzw. Laufwegmessung für das Ultraschall-Signal eingesetzt werden.
• Dieser Referenzabstand bzw. diese Referenzweglänge für das Ultraschall-Signal wird dann verwendet, indem die Laufzeit des Ultraschall-Signals erfasst und mit dem Referenzabstand verglichen wird, wobei die Fluid- bzw. Lufttemperatur durch einen Vergleich des Messergebnisses mit der bekannten Referenzstrecke extrahiert werden kann. Falls zwei oder mehr feste Ultraschall-Sendeempfänger an dem mobilen Gerät verwendet werden, kann die Sende-Empfangs-Richtung dieser Ultraschall-Sendeempfänger umgeschaltet bzw. gewechselt werden. So kann die Auswirkung von einem sich bewegendem Fluid, z. B. von sich bewegender Luft, auf den Laufzeitunterschied in den beiden entgegengesetzten Sende-Empfangs-Richtungen bei der Temperaturbestimmung berücksichtigt werden, wobei darüber hinaus als ein weiteres Messergebnis die Fluidgeschwindigkeit, z. B. Windgeschwindigkeit, an dem mobilen Gerät ermittelt werden kann.
• Ausführungsbeispiele des vorliegenden MEMS-Bauelements ermöglichen somit eine Messung der tatsächlichen Umgebungstemperatur, wobei die Messung nicht durch eine etwaige erhöhte Temperatur innerhalb des mobilen Geräts, die beispielsweise auf eine Verlustleistung der verwendeten Prozessorchips in dem mobilen Gerät zurückzuführen ist, negativ beeinflusst bzw. beeinträchtigt wird.
• Da also die Temperatur der Umgebung außerhalb des mobilen Geräts erfasst wird, kann ein bisheriges Problem umgangen werden, dass das mobile Gerät, z. B. das Smartphone, erst eine Gleichgewichtstemperatur mit der Umgebung erreichen muss, um eine ausreichend exakte Messung der Umgebungstemperatur erhalten zu können.
• Figurenliste
• Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren und Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
• 1a eine Prinzipdarstellung in einer Querschnittsansicht eines MEMS-Bauelements mit einem Membran-basierten MEMS-Schallwandler bzw. MEMS-Mikrofon und einer damit elektrisch gekoppelten Schaltungseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 1b einen beispielhafter Dämpfungsverlauf eines MEMS-Mikrofons gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 1c eine beispielhafte zeitliche Darstellung eines Signalverlaufs eines Ultraschall-Sendesignals und eines zeitlich versetzten Signalverlaufs eines Ultraschall-Empfangssignals eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 2a eine prinzipielle Querschnittsansicht eines Membran-basierten MEMS-Mikrofons mit einer beispielhaften Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 2b eine prinzipielle Querschnittsansicht eines Membran-basierten MEMS-Mikrofons in einer Doppelgegenelektrodenkonfiguration (Dual-Backplate-Konfiguration) mit einer beispielhaften Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 2c eine prinzipielle Querschnittsansicht eines Membran-basierten MEMS-Mikrofons in einer Doppelmembrankonfiguration (sealed Dual-Membrane-Konfiguration) mit einer beispielhaften Ausleseschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 2d eine prinzipielle Draufsicht und Unteransicht eines Arrays von Membran-basierten MEMS-Mikrofonen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
• 3a eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in Luft von der Temperatur; und
• 3b eine graphische Darstellung der erwarteten Laufzeitunterschiede eines Ultraschall-Sendesignals in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur des Umgebungsmediums, d. h. in Abhängigkeit von der Umgebungslufttemperatur
• 4 eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung mit einem MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
• 5 eine Prinzipdarstellung eines mobilen Geräts mit einem MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel.
• Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente, Objekte, Funktionsblöcke und/oder Verfahrensschritte untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
• Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Stärken von Linien, Schichten und/oder Bereichen zur Verdeutlichung nicht maßstäblich dargestellt sein.
• Im Folgenden wird nun anhand von 1a in Form einer Prinzipdarstellung in einer Querschnittsansicht ein MEMS-Bauelement 100 bzw. ein akustisches MEMS-Bauelement mit einem Membran-basierten Schallwandler bzw. MEMS-Schallwandler 110 und einer damit elektrisch gekoppelten Schaltungseinrichtung 120 beschrieben. Wie in 1a dargestellt ist, kann das MEMS-Mikrofon 110 in einem Gehäuse 130 mit einem Innenvolumen V angeordnet sein, wobei das Gehäuse 130 eine Zugangs- bzw. Schallöffnung 132 zu dem Innenvolumen V aufweist. Das MEMS-Mikrofon 110 ist in dem Gehäuse 130 beispielsweise benachbart zu der Schallöffnung 132 angeordnet. Das Gehäuse 130 kann nun beispielsweise ein Substrat 134 und ein Abdeckungselement 136, das zumindest bereichsweise elektrisch leitfähig ausgebildet sein kann, aufweisen. Das MEMS-Mikrofon 110 kann bei einer beispielhaften Anordnung das Innenvolumen V in ein Vordervolumen V₁ und ein Rückvolumen V₂ unterteilen, wobei sich das Vordervolumen V₁ im Bereich zwischen der Schallöffnung 132 und dem MEMS-Mikrofon 110 befindet, und wobei sich das Rückvolumen V₂ auf der dazu gegenüberliegenden Seite des MEMS-Mikrofons 110 im Innenvolumen des Gehäuses befindet.
• In diesem Zusammenhang wird ferner auf die beispielhafte Darstellung unterschiedlicher MEMS-Schallwandleranordnungen 110 in den 2a-d verwiesen, die beispielhaft unterschiedliche Ausführungsformen von MEMS-Schallwandlern bzw. MEMS-Mikrofonen 110 darstellen. In diesem Zusammenhang wird ferner darauf hingewiesen, dass diese beispielhafte Darstellung von Membran-basierten MEMS-Schallwandlern lediglich als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen ist und das vorliegende Konzept auch auf andere MEMS-Schallwandler gleichermaßen anwendbar ist.
• Wie in 1a beispielhaft dargestellt ist, weist der MEMS-Schallwandler 110 eine Membranstruktur 114 und eine zugeordnete Gegenelektrodenstruktur 112 auf. Durch den Begriff „Struktur“ soll dargestellt werden, dass die Membran bzw. die Gegenelektrode eine einzelne leitfähige Schicht oder auch eine Schichtfolge bzw. einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Schichten aufweisen kann, wobei zumindest eine der Schichten leitfähig ausgebildet ist.
• Das MEMS-Bauelement 100 umfasst ferner die Schaltungseinrichtung 120, die elektrisch mit dem MEMS-Schallwandler 110 gekoppelt ist. Die Schaltungseinrichtung 120 kann nun, wie in 1a gezeigt, in dem Gehäuse 130 des MEMS-Bauelements 100 angeordnet sein, wobei gemäß weiteren Ausführungsbeispielen auch weitere externe Schaltungselemente und/oder Verarbeitungseinrichtungen (nicht gezeigt in 1a) Teil der Schaltungseinrichtung 120 oder mit derselben elektrisch gekoppelt sein können, um die nachfolgend beschriebene Funktionalität der Schaltungseinrichtung 120 bereitzustellen.
• Die Schaltungseinrichtung 120 ist nun ausgebildet, um in einem ersten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 in einem Audio-Frequenzbereich, z. B. zwischen etwa 10 Hz bis 20 kHz oder zwischen 20 Hz und 15 kHz, ein Audioausgangssignal des MEMS-Schallwandlers basierend auf einer durch eine akustische Schalldruckänderung ΔP bewirkten Auslenkung der Membranstruktur 114 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 kapazitiv oder auch piezoelektrisch zu erfassen, d.h. die mechanische Auslenkung Δx in ein elektrisches Audio-Ausgangssignal S₁ umzuwandeln. Die Schaltungseinrichtung 120 ist nun ferner ausgebildet, um in einem zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 ferner im Ultraschall-Frequenzbereich, d. h. beispielsweise zwischen 20 kHz und 300 kHz, zwischen 20 und 150 kHz, zwischen 20 und 120 kHz oder zwischen 50 und 150 kHz, das MEMS-Mikrofon 110 als Ultraschall-Sendeempfänger (Ultraschall-Transceiver) auszulesen, d.h. ein Ultraschall-Ausgangssignal S₂ des MEMS-Schallwandlers 110 basierend auf einer durch ein einfallendes Ultraschallsignal bewirkten mechanischen Auslenkung Δx zwischen der Membranstruktur 114 und der Gegenelektrodenstruktur 112 kapazitiv oder auch piezoelektrisch zu erfassen, d.h. die mechanische Auslenkung Δx in ein elektrisches Ausgangssignal S₁ umzuwandeln.
• Der zweite Betriebsmodus, d. h. der Ultraschall-Sendeempfangsmodus, des MEMS-Schallwandlers 110 weist also einen Ultraschall-Sendebetriebszustand und einen Ultraschall-Empfangsbetriebszustand auf, wobei die Schaltungseinrichtung 120 ausgebildet ist, um den MEMS-Schallwandler 110, d. h. die Gegenelektrodenstruktur oder die Membranstruktur, in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand als Ultraschall-Sendeelement, z. B. elektrostatisch (kapazitiv) oder piezoelektrisch, anzusteuern, und um den MEMS-Schallwandler 110 in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand als Ultraschall-Empfänger auszulesen, d. h. ein Ultraschall-Empfangssignal des MEMS-Mikrofons 110 zu erfassen.
• Die Schaltungseinrichtung 120 kann nun ferner ausgebildet sein, um den MEMS-Schallwandler 110 in dem zweiten Betriebsmodus bei einem „Ultraschall-Resonanzbereich“ des MEMS-Mikrofons anzusteuern und/oder auszulesen. Der Ultraschall-Resonanzbereich des MEMS-Mikrofons basiert dabei auf einer Ultraschall-Resonanzeigenschaft der Gegenelektrodenstruktur oder der Membranstruktur oder einer Kombination der Gegenelektrodenstruktur und der Membranstruktur, wobei auch die Ausgestaltung bzw. Form und Größe des Rückvolumens V₂ und/oder des Frontvolumens V₁ die Resonanzeigenschaft gezielt beeinflussen kann. Ferner kann beispielsweise auch die Form, Größe und/oder Positionierung der Schallöffnung (auch: Sound Port) an dem Gehäuse des Schallwandlers die Resonanzeigenschaft des Schallwandlers gezielt beeinflussen. So lässt sich feststellen, dass die Resonanzeigenschaft des Schallwandlers beispielsweise dominierend durch eine der obigen Komponenten (z.B. Gegenelektrodenstruktur, Membranstruktur, Frontvolumen, Rückvolumen und/oder Schallöffnung) oder auch durch eine Kombination zumindest zwei dieser Komponenten gezielt beeinflusst werden kann. Da ein Membran-basiertes MEMS-Mikrofon unterschiedliche Resonanzbereiche aufweisen kann, kann auch ein Ultraschall-Resonanzbereich des MEMS-Mikrofons 110 höherer Ordnung verwendet werden.
• Der Aufbau des MEMS-Mikrofons 110 sowie die Ausgestaltung, d.h. die Form und die Materialien, des Gehäuses 130 können die Resonanzfrequenz(en) f_RES des MEMS-Schallwandlers beeinflussen bzw. zu der Einstellung der Resonanzfrequenz(en) des MEMS-Schallwandlers gezielt ausgewählt werden. Der in dem Innenvolumen V des Gehäuses 130 angeordnete MEMS-Schallwandler 110 weist beispielsweise eine Ultraschall-Resonanzfrequenz in einem Bereich von zwischen 20 und 150 kHz oder zwischen 20 und 120 kHz auf.
• In 1b ist ein beispielhafter Betrags- und Phasenverlauf eines typischen kapazitiven MEMS-Schallwandleers bzw. MEMS-Mikrofons 110 über der Frequenz f dargestellt, wobei bei Frequenzen von etwa 27 kHz und 95 kHz (positive) Resonanzen f_RES1 , f_RES2 ersichtlich sind.
• In 1c ist beispielhaft über der Zeit t ein Signalverlauf eines Ultraschall-Sendesignals S_TX und eines dazu zeitlich versetzten Signalverlaufs eines Ultraschall-Empfangssignals S_RX eines MEMS-Schallwandlers 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Wie in 1c gezeigt ist, wird während der Zeitdauer t₀ - t₁ ein Ultraschall-Sendesignal S_TX im Ultraschall-Frequenzbereich an den MEMS-Schallwandler 110 angelegt bzw. ein entsprechender Ultraschall-Sendepuls von dem MEMS-Schallwandler 110 abgestrahlt. Dies wird als Lautsprecheraktivierungspuls (speaker actuation pulse) bezeichnet. In einem darauf folgenden Zeitbereich t₂ -t₃ tritt eine unmittelbare Reaktion des MEMS-Schallwandlers 110 auf den Ultraschall-Sendepuls S_TX in Form einer starken oszillierenden Anregung des MEMS-Schallwandlers 110 auf, die auch als „Ringing“ oder Klingeln bezeichnet wird. Dieses „Ringing“ klingt relativ schnell exponentiell bis zu dem Zeitpunkt t3 ab, so dass zum Zeitpunkt t₄ (nach dem Zeitpunkt t₃ ) von 1c das Ultraschall-Empfangssignal S_RX des MEMS-Schallwandlers 110, d. h. das reflektierte Echo-Signal S_RX , erfasst und ausgelesen werden kann.
• Durch das unmittelbar angeregte „Ringing“ des MEMS-Schallwandlers 110 aufgrund des Ultraschall-Sendesignals S_TX (Ultraschall-Sendepuls) wird der Minimalabstand vorgegeben, der von dem MEMS-Schallwandler im Ultraschall-Sendeempfangsbetrieb erfasst werden kann, d. h. sobald die unerwünschte Anregung des MEMS-Schallwandlers ausreichend stark abgeklungen ist, kann das Echo-Signal S_RX zuverlässig erfasst werden. Die Zeitdauer t2-t3 für das „Ringing“ kann z.B. in einem Bereich von 0,1 bis 0,5 ms liegen, so dass die Mindestlaufstrecke für das Ultraschall-Signal in der Größenordnung von wenigen Zentimetern, zum Beispiel 3 bis 15 cm, liegen kann, um das reflektierte Ultraschall-Empfangssignal erfassen zu können.
• Im Folgenden werden beispielhaft einige Maßnahmen zum Unterdrücken oder zumindest Verringern des „Ringing“ erläutert.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann nach dem Abstrahlen des Ultraschall-Sendepulses die Membranstruktur 114 des MEMS-Schallwandlers 110 aktiv in einen sog. Pull-in-Zustand gebracht werden, um einen aktiven Dämpfungszustand der Membranstruktur 114 zu erhalten. Dazu kann beispielsweise ein Pull-In-Signal, z.B. ein elektrostatische Spannung bzw. eine Gleichspannung, zwischen der Membranstruktur 114 und der Gegenelektrodenstruktur 112 angelegt werden, um einen mechanischen Vorspannungs- bzw. Dämpfungszustand der Membranstruktur zu erhalten.
• In dem Pull-in-Zustand der Membranstruktur 114 ist sowohl ein Audio- als auch Ultraschall-Empfangsmodus möglich. So kann die Ultraschalldetektion nahezu uneingeschränkt im Pull-in-Zustand stattfinden, wobei in dem Pull-in-Zustand ferner auch eine, wenn auch gedämpfte Audio-Detektion möglich ist. Die Dämpfung für die Audio-Detektion kann in einem Größenbereich von etwa 6 dB liegen.
• Im Pull-in-Zustand tragen im Wesentlichen die Ränder der Mikrofonstruktur 114 zur Erfassung des Audio-Signals und des Ultraschall-Signals bei, da im Pull-in-Zustand im Wesentlichen der Mittenbereich der Membran an der Gegenelektrodenstruktur (mit den Anti-Sticking-Bumps) anliegt, wobei sog. Anti-Sticking-Bumps (Anti-Anhaftungserhöhungen, nicht gezeigt in 1a) an der Membran- und/oder der Gegenelektrodenstruktur für einen punktuellen mechanischen Kontakt der Membranstruktur 114 und Gegenelektrodenstruktur 112 vorgesehen sein können, um ein großflächiges gegenseitiges Anhaften derselben zu verhindern.
• Durch den Pull-in-Zustand der Membranstruktur 114 kann eine Änderung der Resonanzfrequenz und damit der Empfindlichkeit des Schallwandlers im Ultraschall-Empfangsmodus für das Ultraschall-Signal von einem ersten Resonanzbereich um eine erste Frequenz in einen zweiten Resonanzbereich um eine zweite, unterschiedliche Frequenz (z. B. eine höhere Frequenz bei 110 kHz +/- 10 kHz) gelegt werden, so dass die Ultraschall-Erfassung mit einer hohen Empfindlichkeit (aufgrund der Resonanzfrequenz) in dem eingestellten Frequenzbereich erfolgen kann. Da die Empfindlichkeit des Schallwandlers für den Ultraschall-Empfangsmodus gezielt in dem Pull-in-Zustand auf den zweiten Resonanzbereich verändert wird, werden gleichartige bzw. benachbarte Schallwandler oder Schallwandler sich in der Nähe befindlicher anderer mobiler Geräte, durch das Ultraschall-Sendesignal im Wesentlichen nicht beeinträchtigt, soweit sich dieselben nicht gerade auch in dem Pull-in-Zustand befinden.
• Für den Ultraschall-Sendemodus weist eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schallwandlers zwischen einem nicht-aktivierten Pull-in-Zustand mit dem ersten Resonanzbereich und einem aktivierten Pull-in-Zustand mit dem resultierenden zweiten Resonanzbereich bei der Aussendung des Ultraschall-Sendesignals durch die Membranstruktur 112 keine wesentliche Auswirkung auf den resultierenden Ultraschall-Sendepuls auf.
• Daher kann der Ultraschall-Sendemodus in dem nicht-aktivierten Pull-in-Zustand mit dem ersten Resonanzbereich erfolgen, während für den Ultraschall-Empfangsmodus im aktivierten Pull-in-Zustand mit dem zweiten Resonanzbereich erfolgt, auf den die Empfindlichkeit des Schallwandlers für den Ultraschall-Empfangsmodus gezielt eingestellt ist.
• Zusammenfassend können folgende Effekte angegeben werden, die sich durch das aktive Einstellen eines Pull-in-Zustands ergeben.
• Das „Ringing“ wird aufgrund der aktiven Dämpfung der Membranstruktur im Wesentlichen abgestellt bzw. zumindest verringert.
• Baugleiche Schallwandlerelemente im gleichen Mobilgerät oder in sich in der Nähe befindlichen Mobilgeräten stören sich nicht gegenseitig im Ultraschallbereich.
• Ferner können Performanceschwankungen der Schallwandler 100, die beispielsweise aufgrund Herstellungsprozessschwankungen oder auch Alterungsprozessen basieren, durch eine gezielte Einstellung des Pull-in-Bereichs, d.h. der Pull-in-Spannung, ausgeglichen oder zumindest verringert werden. Durch das Anpassen bzw. Nachstellen der Pull-in-Spannung kann die sich ansonsten etwas ändernde Resonanzfrequenz des Schallwandlers auf einen gleichbleibenden Wert eingestellt werden. Ferner können mehrere Schallwandlern, die z.B. in einem Array angeordnet sind, auf den gleichen Resonanzbereich für die Ultraschall-Signalerfassung eingestellt werden.
• Ferner ist eine Ultraschallerfassungs-Kanaleinstellung mit unterschiedlichen Pull-in-Spannungen möglich, d. h. eine Kanaleinstellung basiert auf der gezielten Einstellung unterschiedlicher Resonanzfrequenzen des Schallwandlers, so dass unterschiedliche Resonanzfrequenzen (frequency hopping) des Schallwandlers mittels unterschiedlicher Pull-in-Spannungen erreicht werden können.
• Im Folgenden werden nun anhand von 2a-d unterschiedliche mögliche Implementierungen von kapazitiven MEMS-Schallwandlern bzw. MEMS-Mikrofonen 110 beispielhaft dargestellt, die bei dem vorliegenden MEMS-Bauelement 100 eingesetzt werden können. Die nachfolgenden Darstellungen ist nur als beispielhaft und nicht als abschließend anzusehen.
• 2a zeigt nun eine Prinzipdarstellung des MEMS-Schallwandlers 110 mit einer Membranstruktur 114 und einer Gegenelektrodenstruktur 112. Wie in 2a dargestellt ist, ist die Schichtanordnung mit der Membranstruktur 114 und der Gegenelektrodenstruktur 112 getrennt und beabstandet voneinander auf einem Trägersubstrat 118 angeordnet. Die Gegenelektrodenstruktur 112, die im Allgemeinen starrer als die auslenkbare Membranstruktur 114 ausgebildet ist, sind in einem Abstand d' voneinander beabstandet, so dass sich eine Kapazität C zwischen der Gegenelektrodenstruktur 112 und der Membranstruktur 114 ausbilden und von der Schaltungseinrichtung 120 erfasst werden kann. Als auslenkbarer bzw. beweglicher Bereich der Membranstruktur 114 wird der nicht-eingespannte Bereich d₁₁₄ , z.B. d₁₁₄ ≈ 0,3 - 1,5 mm oder 0,5 - 1 mm, der Membranstruktur 114 bezeichnet.
• Eine Auslenkung Δx der Membranstruktur 112 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 114 kann nun mittels der Verarbeitungseinrichtung 120 erfasst bzw. ausgelesen werden, um ein entsprechendes Ausgangssignal S1, z.B. in Form einer Ausgangsspannung U, des MEMS-Schallwandlers 110 bereitzustellen.
• Die Schaltungseinrichtung 120 kann nun beispielsweise ausgebildet sein, um eine konstante Ladung an das als „Plattenkondensator“ wirksame MEMS-Mikrofon 110, d. h. an die Gegenelektrodenstruktur 114 oder Membranstruktur 112, anzulegen. Basierend auf den nachfolgenden Gleichungen wird ersichtlich, dass dann eine Auslenkung der Membranstruktur gegenüber der Gegenelektrodenstruktur proportional in ein Ausgangssignal bzw. eine Ausgangsspannung S1 = U umgewandelt werden kann: $$Q=C\cdot U\text{ mit }Q=\text{const},\text{ mit }U=\frac{Q_0}{C}\text{ und mit }C\sim \epsilon \frac{A}{\left(d1\pm \mathrm{\Delta }x\right)},$$

  

  folgt $$\text{U}\sim d1\pm \mathrm{\Delta }x$$

  
• Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist, kann ein Ausgangssignal S₁ des MEMS-Schallwandlers 110 erhalten werden, das proportional zu dem Abstand d₁ bzw. der Abstandsänderung d₁ ± Δx zwischen der Membranstruktur 114 und der Gegenelektrodenstruktur 112 ist. Der Abstand d₁ kann beispielsweise in einem Bereich von 0,5 bis 5 µm liegen.
• Die Schaltungseinrichtung 120 kann ferner eine Ultraschall-Signalquelle 121 aufweisen, um die Membranstruktur 114 oder die Gegenelektrodenstruktur 112 des MEMS-Schallwandlers 110 mit einem Ultraschall-Sendesignal S_TX anzuregen. Wie in 2a beispielhaft dargestellt ist, kann die Ultraschall-Signalquelle 121 die Membranstruktur 114 als Ultraschall-Sendeelement anregen. Ferner kann die Ultraschall-Signalquelle 121 Teil der Schaltungseinrichtung 120 sein. Die Ultraschall-Signalquelle 121 kann auch getrennt von der Schaltungseinrichtung 120 ausgebildet sein.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schaltungseinrichtung 120 somit ausgebildet, um in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110, ein Ultraschall-Anregungssignal (Ultraschall-Sendesignal) S_TX an der Membranstruktur 114 bzw. zwischen der Gegenelektrodenstruktur 112 und der Membranstruktur 114 zur Erzeugung des Ultraschall-Sendesignals S_TX anzulegen, und um in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 ein Ultraschall-Empfangssignal S_RX des MEMS-Schallwandlers 110 auszulesen, das auf dem reflektierten Signalanteil S_RX des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals S_TX (bzw. Ultraschall-Sendepuls) basiert und eine mechanische Auslenkung zwischen der Membranstruktur 114 und der Gegenelektrodenstruktur 112 bewirkt.
• Gemäß Ausführungsbespielen wird also i.A. das Ansteuersignal S_TX wird zwischen Membranstruktur und Gegenelektrodenstruktur des Schallwandlers angelegt, während ebenso zwischen Membranstruktur und Gegenelektrodenstruktur des MEMS-Schallwandlers das Sensorsignal ausgelesen wird.
• Im Folgenden wird nun anhand von 2b eine Prinzipdarstellung eines MEMS-Schallwandler bzw. MEMS-Mikrofons 110 mit einer Doppel-Gegenelektrodenkonfiguration (Dual-Backplate-Konfiguration) dargestellt.
• Wie in der schematischen Seitenschnittansicht von 2b dargestellt ist, weist der MEMS-Schallwandler 110 ferner eine weitere Gegenelektrodenstruktur 112-1 auf, so dass die Membranstruktur 114 zwischen der ersten und zweiten Gegenelektrodenstruktur 112, 112-1 angeordnet ist. Die Schaltungseinrichtung 120 kann bei der in 2b dargestellten Doppelgegenelektrodenanordnung ausgebildet sein, um den MEMS-Schallwandler „single-ended“ (im Gleichtakt) oder differentiell auszulesen.
• Bei der in der 2b dargestellten Konfiguration des MEMS-Schallwandlers 110 ist die Schaltungseinrichtung 120 nun ferner ausgebildet, um in dem ersten Betriebszustand des MEMS-Schallwandlers 110, die durch eine akustische Schalldruckänderung bewirkte Auslenkung Δx der Membranstruktur 114 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 und/oder gegenüber der weiteren Gegenelektrodenstruktur 112-1 zu erfassen, je nachdem, ob das Audio-Ausgangssignal S₁ des MEMS-Schallwandlers „single-ended“ (im Gleichtakt) oder differentiell erfasst wird.
• In dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 wird von der Schaltungseinrichtung 120 z.B. ein Gleichspannungsarbeitspunkt zwischen der Membranstruktur 114 und der Gegenelektrodenstruktur 112 eingestellt, wobei an die weitere Gegenelektrodenstruktur 112-1 zur Erzeugung des Ultraschall-Sendesignals S_TX bzw. Sendepulses ein Ultraschall-Anregungssignal angelegt wird.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, kann In dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 zwischen der Schaltungseinrichtung 120 und den beiden Gegenelektrodenstrukturen 112 112-1 zur Erzeugung des Ultraschall-Sendesignals S_TX bzw. Sendepulses ein Ultraschall-Anregungssignal angelegt werden.
• In dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 wird ein Ultraschall-Empfangssignal S_RX des MEMS-Schallwandlers 110 von der Schaltungseinrichtung 120 ausgelesen, wobei das Ultraschall-Empfangssignal S_RX auf dem reflektierten Signalanteil des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals S_TX basiert, der eine mechanische Auslenkung der Membranstruktur 114 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 und/oder der weiteren Gegenelektrodenstruktur 112-1 bewirkt.
• Dabei basiert der Ultraschall-Resonanzbereich des MEMS-Schallwandlers 110 auf einer Ultraschall-Resonanzeigenschaft der Gegenelektrodenstruktur 112 oder der Membranstruktur 114 des MEMS-Schallwandlers.
• Im Folgenden wird nun anhand von 2c eine Prinzipdarstellung in einer Schnittansicht eines MEMS-Schallwandlers 110 in einer Doppelmembran-MEMS-Konfiguration (sealed Dual-Membrane-Konfiguration) dargestellt.
• Wie in 2c dargestellt ist, weist der Schallwandler 110 die (erste) Membranstruktur 114 und eine weitere, davon beabstandete (zweite) Membranstruktur 114-1 mit der dazwischen angeordnete Gegenelektrodenstruktur 112 auf, die jeweils von der ersten und zweiten Membranstruktur 114, 114-1 beabstandet ist. Ferner kann zumindest ein mechanisches Verbindungselement 115 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 114, 114-1 vorgesehen sein, dass zwischen die erste und zweite Membranstruktur 114, 114-1 mechanisch gekoppelt und von der Gegenelektrodenstruktur 112 mechanisch entkoppelt ist. Wenn die erste und zweite Membranstruktur 114, 114-1 hermetisch dicht (englisch: sealed) ausgebildet sind, kann eine Kavität 116 zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 114, 114-1, in der sich die Gegenelektrodenstruktur 112 befindet, mit einem atmosphärischen Unterdruck ausgebildet sein.
• Bei einer Auslenkung der mechanisch miteinander verbundenen ersten und zweiten Membranstruktur 114, 114-1 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 kann diese Auslenkung wiederum mit der Schaltungseinrichtung 120 zum Beispiel kapazitiv ausgelesen werden, um das von der Auslenkung der Δx abhängige Ausgangssignal S₁ bereitzustellen.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Schaltungseinrichtung 120 ferner ausgebildet, um in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des MEMS-Schallwandlers 110 ein Ultraschall-Sendesignal S_TX im Ultraschall-Frequenzbereich an zumindest einer der ersten und/oder zweiten Membranstruktur 114, 114-1 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 des MEMS-Schallwandlers anzulegen, und um in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand ein Ultraschall-Empfangssignal S_RX des MEMS-Schallwandlers 110 basierend auf einer durch einen reflektierten Anteil des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkten Auslenkung Δx der ersten und zweiten Membranstruktur 114, 114-1 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 zu erfassen. Der MEMS-Schallwandler 110 ist ferner so ausgebildet, dass der reflektierte Anteil des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals S_TX durch eine Reflexion des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals S_TX an einem sich in Abstrahlrichtung des MEMS-Schallwandlers 110 befindenden Objekts (nicht gezeigt in 2c) erhalten wird.
• Wie in 2c dargestellt ist, weist der MEMS-Schallwandler 110 also die weitere Membranstruktur 114-1 auf, die mittels mechanischer Verbindungselemente 115 mit der ersten Membranstruktur 114 mechanisch verbunden ist, um eine Doppelmembrankonfiguration (Sealed Dual Membrane-Konfiguration) des MEMS-Schallwandlers 110 zu bilden. Dabei ist die Schaltungseinrichtung 120 wiederum ausgebildet, um in dem ersten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110, die durch eine akustische Schalldruckänderung bewirkte mechanische Auslenkung der Membranstruktur 114 und der weiteren Membranstruktur 114-1 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 „single-ended“ (im Gleichtakt) oder differentiell zu erfassen.
• Bei einem Ausführungsbeispiel wird in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers nun an die Membranstruktur 114 bezüglich der Gegenelektrodenstruktur ein Gleichspannungsarbeitspunkt von der Schaltungseinrichtung 120 angelegt, wobei ferner ein Ultraschall-Auslenkungssignal an die weitere Membranstruktur 114-1 zur Erzeugung des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals S_TX von der Schaltungseinrichtung angelegt wird. In dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers 110 wird nun von der Schaltungseinrichtung ein Ultraschall-Empfangssignal S_RX des MEMS-Schallwandlers erfasst, das auf dem reflektierten Signalanteil des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals S_TX basiert und eine Auslenkung der Membranstruktur und/oder der weiteren Membranstruktur 114, 114-1 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 bewirkt. Dabei basiert der Ultraschall-Resonanzbereich des MEMS-Schallwandlers auf der Ultraschall-Resonanzeigenschaft der weiteren Membranstruktur 114-1.
• In diesem Zusammenhang wird ferner darauf hingewiesen, dass die Anregung und das Auslesen der ersten und zweiten Membranstruktur 114, 114-1 natürlich auch entsprechend vertauscht werden kann, d. h. das Ultraschall-Auslenkungssignal an die erste Membranstruktur 114 angelegt und der Gleichspannungsarbeitspunkt zwischen der weiteren Membranstruktur 114-1 und der Gegenelektrodenstruktur 112 angelegt werden kann. Es wird dann entsprechend auch auf das Auslesen des Ultraschall-Empfangssignals S_RX angewendet.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Schaltungseinrichtung 120 ferner ausgebildet sein, um in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des MEMS-Schallwandlers 110 ein Ultraschall-Sendesignal S_TX im Ultraschall-Frequenzbereich zwischen der ersten und zweiten Membranstruktur 114, 114-1 und der Gegenelektrodenstruktur 112 des MEMS-Schallwandlers anzulegen, und um in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand ein Ultraschall-Empfangssignal S_RX des MEMS-Schallwandlers 110 basierend auf einer durch einen reflektierten Anteil des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkten Auslenkung Δx der ersten und zweiten Membranstruktur 114, 114-1 gegenüber der Gegenelektrodenstruktur 112 zu erfassen.
• Aufgrund der mechanischen Verbindung der ersten und zweiten Membranstruktur bei einem MEMS-Mikrofon mit Dual-Membran-Konfiguration kann sich die zu bewegende Gesamtmasse und Steifigkeit der im Ultraschall-Frequenzbereich anzuregenden Membrananordnung, d.h. der ersten und zweiten Membranstruktur mit den mechanischen Verbindungselementen, erhöhen. Eine Veränderung der Resonanzeigenschaft bzw. eine Verschiebung der Resonanzfrequenz, z.B. eine Verringerung von z.B. 90 kHz auf 60 kHz, eines MEMS-Mikrofons mit Dual-Membran-Konfiguration gegenüber einem MEMS-Mikrofon mit einer Einzelmembrankonfiguration kann beispielsweise durch Layout-Maßnahmen, wie z.B. Korrugationen in der Membranstruktur, oder auch durch Technologieparameter, z.B. durch eine Dotierung des Halbleitermaterials der Membranstruktur, in gewissen Grenzen eingestellt bzw. ausgeglichen werden.
• Im Folgenden wird nun anhand von 2d eine prinzipielle Draufsicht und Unteransicht eines Schallwandlers 110 mit einem Array von Membran-basierten MEMS-Schallwandlerelementen bzw. MEMS-Mikrofonelementen 110-1 ... 110-5 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt, die z.B. jeweils eine Membranstruktur 114-1 ... 114-5 und eine zugeordnete Gegenelektrodenstruktur (nicht gezeigt in 2d) aufweisen. Bei dem Schallwandlerarray 110 sind mehrere Schallwandlerelemente 110-1 ... 110-5 lateral nebeneinander in einem Halbleitersubstrat z.B. in der gleichen Ebene angeordnet. Das Schallwandlerarray 110 befindet sich somit auf einem einzelnen Halbleiter- bzw. Silizium-Chip (Die) 110-A. Das heißt, in dem gleichen Package 130 kann eine Mehrzahl von Schallwandlereinzelelementen 110-1 ... 110-5, z. B. in einer Matrix, angeordnet werden. In 2d sind nur die Membranstrukturen 114-1 ... 114-5 oberhalb der Kavitäten 116-1 ... 116-5 (siehe die Unteransicht von 2d) beispielhaft dargestellt. Eine Umverdrahtung sowie perforierte Gegenelektrode(n) sind in 2d nicht gezeigt.
• Die Anzahl, Form und Größe der Schallwandlereinzelelementen 110-1 ... 110-5 sowie die zugehörige Umverdrahtung (nicht gezeigt in 2d) sind flexibel implementierbar. Außerdem besteht auch die Möglichkeit mehrere Membranstrukturen 114-1 ... 114-5 auf einer Kavität 116 zu integrieren.
• Der Abstand zwischen den Schallwandlerelementen kann beispielsweise der halben Schallwellenlänge entsprechen, wobei für Ultraschallfrequenzen bei 100 kHz eine annehmbare Flächenausnutzung des Halbleiterchips erreicht werden kann.
• In 2d sind in der Darstellung der Vorderseite beispielhaft fünf Membranstrukturen 114-1 ... 114-5 auf einem Chip 110-A dargestellt, wobei die dargestellte Anordnung und Größe nur als beispielhaft anzusehen ist. Ferner sind sechs Kontaktierungsflächen 117, z.B. Goldpads, wobei davon beispielsweise fünf Kontaktierungsflächen individuell und eine Kontaktierungsflächen geteilt den Schallwandlereinzelelementen 110-1 ... 110-5 zugeordnet sind.
• Die Rückseitenansicht von 2d zeigt z.B. unterschiedliche große Kavitäten 116-1 ... 116-5. So kann zumindest eines oder auch mehrere (z.B. eine Gruppe) der MEMS-Schallwandlerelemente 110-1 ... 110-5 des Arrays unterschiedlich zu den restlichen MEMS-Schallwandlerelementen 110-1 ... 110-5 des Arrays ausgestaltet sein, d.h. beispielsweise eine unterschiedliche Größe, einen unterschiedlichen Durchmesser der Membranstruktur, eine unterschiedliche Steifigkeit der Membranstruktur, etc. aufweisen. So können beispielsweise die Resonanzfrequenz(en) f_RES der einzelnen MEMS-Schallwandlerelemente oder der einzelnen Gruppen von MEMS-Schallwandlerelementen des Arrays gezielt beeinflusst oder auch eingestellt werden.
• Wie in 2d dargestellt ist, kann jedem MEMS-Schallwandlerelement 110-1 ... 110-5 des Arrays eine eigene Kavität 116-1 ... 116-5 in dem Halbleiter-Chip 110-A zugeordnet sein. Die Kavitäten 116-1 ... 116-5 können z.B. entsprechend der Ausgestaltung der Membranstrukturen114-1 ... 114-5 gleichartig oder auch unterschiedlich ausgestaltet sein.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die in dem Halbleiter-Chip 110-A angeordneten MEMS-Schallwandlerelemente 110-1 ... 110-5 auch eine gemeinsame Kavität (nicht gezeigt in 2d) aufweisen. So können alle oder ein Teil der MEMS-Schallwandlerelemente 110-1 ... 110-5 des Arrays eine gemeinsame Kavität aufweisen.
• Eine solche Arrayanordnung 110 ermöglicht z. B. ein sog. „Beamforming“ sowohl im Sende- als auch im Empfangsbetriebszustand.
• Die MEMS-Schallwandlerelemente 110-1 ... 110-5 des Arrays können nun z.B. einzeln, gemeinsam in einer Gruppe oder auch alle gemeinsam angesteuert werden, wobei die Beschreibung der Betriebsmodi des MEMS-Bauelements 100 im Audio-Frequenzbereich und im Ultraschall-Frequenzbereich gleichermaßen auf das Array von MEMS-Schallwandlerelementen 110-1 ... 110-5 von 2d anwendbar ist.
• Die Schaltungseinrichtung 120 von 2a-d kann nun einerseits ausgebildet sein, um basierend auf einer Zeitdauer t₀ -t₄ zwischen einem Sendezeitpunkt t₀ des Ultraschall-Sendesignals S_TX und einem „zugeordneten“ Ultraschall-Empfangszeitpunkt t₄ des Ultraschall-Empfangssignals S_RX bei einer bekannten bzw. vorgegebenen Umgebungstemperatur T₀ eine Information über den Abstand zwischen dem MEMS-Schallwandler 110 und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts (nicht gezeigt in 2a-d) zu ermitteln. Die Schaltungseinrichtung 120 kann somit ferner ausgebildet sein, um ein Informationssignal S₁ bereitzustellen, dass bereits die Information über den Abstand X₀ zwischen dem MEMS-Schallwandler 110 und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts aufweist.
• Die Schaltungseinrichtung 120 kann nun ferner ausgebildet sein, um basierend auf einer Zeitdauer zwischen einem Sendezeitpunkt t₀ des Ultraschall-Sendesignals S_TX und einem zugeordneten Ultraschall-Empfangszeitpunkt t₄ des Ultraschall-Empfangssignals T_RX bei einer bekannten Laufstrecke bzw. einem bekannten Laufweg des Ultraschall-Signals eine Information S₁ über eine Umgebungstemperatur, z. B. des umgebenden Fluids bzw. der Umgebungsluft, die sich zwischen dem MEMS-Schallwandler und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts befindet, zu ermitteln.
• Im Folgenden wird auf die physikalischen Zusammenhänge eingegangen, auf deren Basis mit dem vorliegenden MEMS-Bauelement 100 eine zuverlässige Umgebungstemperaturerfassung durchgeführt werden kann. Falls für den Ausbreitungsweg des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals ein „Referenzabstand“ (bzw. eine Referenzweglänge) XREF bekannt ist, kann eine zusätzliche Ultraschallmessung desselben Abstands (bzw. Weglänge) über die Erfassung der Laufzeit des Ultraschall-Sendesignals S_TX eine Berechnung der Umgebungstemperatur bzw. Lufttemperatur T₀ ermöglichen, da die Schallgeschwindigkeit in Luft hauptsächlich von der Temperatur abhängt und lediglich eine geringe Abhängigkeit z.B. vom Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Schallfrequenz aufweist.
• Der Referenzabstand XREF kann beispielsweise durch einen vorgegebenen, definierten Abstand zwischen zwei MEMS-Schallwandlern bzw. Ultraschall-Sendeempfängern 100 gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen realisiert werden. Der Referenzabstand XREF kann der bekannte Abstand zwischen zwei MEMS-Bauelementen 100 sein, die an einem mobilen Gerät angeordnet oder eingebaut sind. Der Referenzabstand XREF kann beispielsweise ferner präzise mittels Radarerfassung oder optischer Messung etc. exakt als Abstand zu dem das Ultraschall-Sendesignal „reflektierenden“ Objekt ermittelt werden.
• Das vorliegende Messprinzip, das mit den MEMS-Bauelementen 100 gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen durchgeführt werden kann, kann also folgendermaßen zusammengefasst werden: Es wird ein bekannter oder gemessener Abstand (Weglänge) durch eine unabhängige nicht-temperaturempfindliche Vorgehensweise ermittelt, um den Referenzabstand XREF zu erhalten. Entlang desselben Abstands wird mit dem MEMS-Bauelement 100 gemäß Ausführungsbeispielen mittels des gesendeten Ultraschall-Sendesignals S_TX erneut eine Wegmessung durchgeführt, wobei eine Referenztemperatur T_REF , z.B. T_REF = 0 °C, angenommen wird. Definitionsgemäß ergibt also die Abstandsmessung mit dem MEMS-Bauelement 100 bei der Referenztemperatur T_REF als Ergebnis den Referenzabstand X_REF . Tritt nun bei der Abstandsmessung mit dem MEMS-Bauelement 100 eine Differenz zwischen dem momentan ermittelten Abstand X₀ und dem definierten Referenzabstand XREF auf, basiert diese Differenz auf einer Umgebungs- bzw. Lufttemperatur, die unterschiedlich zu der Referenztemperatur T_REF ist. Die Differenz zwischen dem momentan ermittelten Abstand X₀ und dem definierten Referenzabstand XREF ist also ein Maß für die momentane Umgebungstemperatur T₀ , so dass die momentane Umgebungstemperatur direkt aus der Differenz bestimmt werden kann.
• Die Erfassung der Umgebungstemperatur T₀ mittels Ultraschall-Sensorelementen, die mit den MEMS-Bauelementen 100 gemäß Ausführungsbeispielen realisiert sind, ist durchführbar, da die Schallgeschwindigkeit c₀ in einem „idealen Gas“ lediglich von dessen Temperatur und Zusammensetzung abhängt. Die Schallgeschwindigkeit c₀ in einem Gasgemisch, wie z. B. üblicher Umgebungsluft, weist eine relativ schwache Abhängigkeit von der Schallfrequenz und dem Luftdruck auf, wobei das Verhalten üblicher Umgebungsluft nur relativ wenig vom idealen Verhalten eines idealen Gases abweicht.
• In diesem Zusammenhang wird auf 3a verwiesen, die eine graphische Darstellung der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit in „normaler“ Umgebungsluft von der Temperatur aufweist. Wie dem dargestellten Temperaturfenster ΔT von -100 °C bis +100 °C zu entnehmen ist, kann die nachfolgende FIT-Funktion eine ausreichende Übereinstimmung mit der zu erwartenden Temperaturabhängigkeit (Ideal-Verlauf) in dem Temperaturfenster ΔT liefern. So kann in „trockener Luft“ (bei einer angenommenen Luftfeuchtigkeit von 0 %) die ungefähre Schallgeschwindigkeit in Umgebungsluft in Metern pro Sekunde bei Temperaturen um den Nullpunkt (0 °C = die Referenztemperatur T_REF ) folgendermaßen berechnet bzw. mit einer Fit-Funktion angepasst werden: $${\text{c}}_0=\left(\mathrm{331,3}+\mathrm{0,606}\cdot \vartheta \right)\text{m/s},$$

  

  wobei ϑ die Temperatur in Grad Celsius (°C) ist.
• Unter der Annahme einer Referenztemperatur T_REF von z. B. TREF = 0 °C kann bei einem Vergleich mit dem Referenzabstand XREF eine Laufzeitdifferenz Δt eines Ultraschallpulses S_TX aufgrund der Temperatur T in Grad Celsius (°C) in Luft wie folgt erwartet werden: $$\mathrm{\Delta }t=\frac{Nx0}{\mathrm{331,3}+\mathrm{0,606}T}-\frac{Nx0}{c0}$$

  

  wobei der Faktor N beispielsweise den Wert 1 oder 2 annehmen kann.
• Unter Berücksichtigung einer Reihenentwicklung (Taylor-Reihe) bis zur zweiten Ordnung kann beispielsweise folgender Zusammenhang zwischen der Laufzeitdifferenz Δt und der Temperatur T erhalten werden: $$\mathrm{\Delta }t\approx \frac{Nax0}{c{0}^2}T+\frac{N{a}^{2}x0}{c{0}^3}{T}^2$$

  

  wobei der Faktor N beispielsweise den Wert 1 oder 2 annehmen kann.
• Hinsichtlich der beiden oben angegebenen Beziehungen für die Laufzeitdifferenz Δt wird der Faktor N = 1 gewählt, wenn ein direkter Ausbreitungsweg zwischen zwei MEMS-Schallwandlern 110 vorgegeben ist. Der Faktor N = 2 ist zu wählen, wenn von einer Reflexion (Echo-Signal) des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals bzw. Sendepulses S_TX an einem in dem vorgegebenen Abstand X₀ = XREF angeordneten Objekt ausgegangen wird, d. h. die Wegstrecke X₀ doppelt zurückgelegt wird.
• Für N = 2 ergibt sich beispielsweise eine Laufzeitdifferenz des Ultraschall-Signals von etwa 11 µs / (m °C) was mit einer Weglängendifferenz Δx von 3.6 mm / (m °C) entspricht. Für N = 1 halbieren sich die obigen Werte für die Laufzeitdifferenz und die Weglängendifferenz.
• In diesem Zusammenhang wird auf die graphische Darstellung von 3b mit den erwarteten Laufzeitunterschieden Δt in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur T₀ bei einem vorgegebenen Referenzabstand X₀ = XREF hingewiesen.
• Sind nun beispielsweise zwei MEMS-Bauelemente 100 gemäß Ausführungsbeispielen in einem mobilen Gerät, z. B. einem Smartphone, in einem definierten, festen Abstand XREF von z. B. 10 cm zueinander beabstandet angeordnet, bedeutet dies eine Laufzeitverschiebung des Ultraschall-Sendesignals bzw. Sendepulses von etwa 0,5 µs pro 1 °C, wobei dies etwa dem erfassten Weglängenunterschied von 180 µm pro °C entspricht. Die Laufzeitverschiebungen Δt in diesem Größenbereich sind ohne Weiteres mit verfügbaren Taktfrequenzen eines mobilen Geräts von mehreren 100 MHz oder auch im Gigahertz-Bereich messbar und auswertbar ist.
• Wenn beispielsweise mehrere MEMS-Bauelemente 100 als Ultraschall-Sendeempfänger mit einem bekannten, festen Abstand (Referenzabstand XREF = x₀ ) beispielsweise an einer Vorrichtung oder einem mobilen Gerät angeordnet sind, kann die Abstandsmessung, d. h. der Längenvergleich mit dem Referenzabstand, in allen möglichen durch die Anordnung der Ultraschall-Sendeempfänger vorgegebenen Messrichtungen durchgeführt werden, um den Einfluss einer Bewegung der Umgebungsatmosphäre, d. h. um Luftbewegungen, zu eliminieren. Bei der Temperaturmessung kann somit die Windrichtung und Windgeschwindigkeit berücksichtigt werden. So können Laufzeitdifferenzen des Ultraschall-Signals zwischen entgegengesetzten Messrichtungen auf eine Luftbewegung hinweisen, so dass eine Luftbewegung in Form der Windrichtung und Windgeschwindigkeit wiederum bei der Temperaturbestimmung mittels Ultraschall-Laufzeitmessung berücksichtigt werden kann.
• Darüber hinaus kann nach einer Bestimmung der Umgebungstemperatur bzw. bei Vorliegen der Umgebungstemperatur eine Windstärkemessung als auch eine Windrichtungsmessung als ein zusätzliches Ausgangssignal bei einer solchen Sensorkonfiguration mit einer Mehrzahl von Ultraschall-Transceiver-Elementen entsprechend den MEMS-Bauelementen 100 gemäß Ausführungsbeispielen erreicht werden. Ferner können Querempfindlichkeiten aufgrund von Luftfeuchtigkeit und Luftdruck weiter reduziert bzw. eliminiert werden, indem entsprechende Messwerte von beispielsweise zusätzlichen Sensoren für die Auswertung verfügbar gemacht werden.
• 4 zeigt nun eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 200 mit zumindest einem MEMS-Bauelement 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement 100 ist an einer vorgegebenen Position an einer Außenseite oder einem Geräterahmen 205 der Vorrichtung 200 z. B. als Sensor angeordnet, wobei die Schaltungseinrichtung 120 ferner ausgebildet ist, um basierend auf einer Zeitdauer Δt zwischen dem Sendezeitpunkt t₀ des Ultraschall-Sendesignals S_TX und einem Empfangszeitpunkt t4 des zugeordneten Ultraschall-Empfangssignals S_RX (vgl. 1c) ein Informationssignal S₁ bereitzustellen.
• Das Informationssignal S₁ kann zum Beispiel unter Berücksichtigung einer (innerhalb eines Toleranzbereichs) bekannten Umgebungstemperatur T₀ eine Information über den Abstand X₀ zwischen dem MEMS-Bauelement 100 bzw. dem dortigen MEMS-Schallwandler 110 und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts 210 aufweisen. Das Informationssignal S₁ kann ferner unter Berücksichtigung einer (innerhalb eines Toleranzbereichs) bekannten Laufstrecke bzw. Laufweg X₀ = XREF des Ultraschall-Sendesignals eine Information über die Umgebungstemperatur T₀ zwischen dem MEMS-Bauelement 100 und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts 210 aufweisen.
• Die Schaltungseinrichtung 120 des MEMS-Bauelements 100 kann ferner ausgebildet sein, um das Informationssignal S1 an eine Verarbeitungseinrichtung 220 der Vorrichtung weiterzugeben, um einen Abstand X₀ zwischen dem als Abstandssensor ausgebildeten MEMS-Bauelement 100 und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts 210 zu ermitteln.
• Die Vorrichtung 200 kann somit ein beliebiges Gerät sein, in das das MEMS-Bauelement 100 als ein Abstandssensor und/oder Temperatursensor implementiert werden kann.
• Die Vorrichtung 200 kann ferner optional eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen 100 an unterschiedlichen Außenpositionen bzw. an dem Rahmen 205 der Vorrichtung 200 als Sensorelemente zur Abstandsmessung und/oder Temperaturmessung aufweisen. So können beispielsweise auch ein oder mehrere MEMS-Bauelemente 100 pro Seitenfläche oder Seitenflächenbereich der Vorrichtung 200 angeordnet sein, um als Abstandssensor(en) und/oder Temperatursensoren wirksam zu sein. Ferner können die MEMS-Bauelemente 100 aufgrund deren geringen Platzbedarfs ohne Weiteres in einem n x m Array, mit n ≥ 2 und m ≥ 2 an einer Seitenfläche oder einem Seitenflächenbereich der Vorrichtung 200 angeordnet werden, um bei einer entsprechenden Ansteuerung der MEMS-Bauelemente 100 eine Richtwirkung bzw. Vorzugsrichtung oder Strahlformungsrichtung für die Sende- und Empfangscharakteristik der MEMS-Schallwandler 100 im Audio-Frequenzbereich und/oder im Ultraschall-Frequenzbereich zu erhalten oder um einfach die Erfassungsgenauigkeit bzw. Empfindlichkeit zu erhöhen.
• Bei einem Einsatz einer Vielzahl von MEMS-Bauelementen 100 können die jeweiligen Schaltungseinrichtungen 120 ferner ausgebildet sein, um für jedes MEMS-Bauelement 100 basierend auf einer Zeitdauer Δt zwischen dem Sendezeitpunkt t₀ des Ultraschall-Sendesignals S_TX und einem Empfangszeitpunkt t₄ des Ultraschall-Empfangssignals S_RX ein Informationssignal S₁ mit einer Information über den Abstand X₀ zwischen dem jeweiligen MEMS-Bauelement 100 bzw. dem dortigen MEMS-Schallwandler 110 und dem die jeweilige Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts 210 bereitzustellen.
• Durch die verteilte Anordnung einer Mehrzahl von MEMS-Bauelementen 100 als Abstandssensoren, z. B. auch in einem Array, an der Geräteaußenseite bzw. dem Geräterahmen 205 der Vorrichtung 210 kann eine effektive Umgebungserfassung bzw. Umgebungsüberwachung oder auch Objekterkennung in der Umgebung der Vorrichtung 200 durchgeführt werden.
• In 5 ist eine Prinzipdarstellung in einer Draufsicht eines mobilen, elektronischen Geräts 300, wie z. B. eines Smartphones, Notebooks, Tablets, Laptops, Smart-Watch etc. mit einer Mehrzahl von MEMS-Bauelementen 100 (100-1, 100-2, 100-3, 100-4) gemäß einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Die akustischen MEMS-Bauelementen 100 sind an definierten Positionen an einem Geräterahmen 310 des mobilen Geräts 300 angeordnet. Das mobile Gerät 300 kann beispielsweise eine weitere Verarbeitungseinrichtung 320 aufweisen, die mit den MEMS-Bauelementen 100 bzw. den Schaltungseinrichtungen 120 der MEMS-Bauelemente 100 elektrisch bzw. logisch verbunden ist. Ferner kann das mobile Gerät beispielsweise (optional) ein Display 330 zur Anzeige und graphischen Darstellung von Informationen aufweisen. Die MEMS-Bauelemente 100 können jeweils paarweise in einem vorgegebenen Abstand X_REF1 , X_REF2 zueinander an dem Geräterahmen 310 des mobilen Geräts 300 angeordnet sein.
• Wie in 5 beispielhaft dargestellt ist, sind zwei Paare von MEMS-Bauelementen 100 an dem Randbereich 310 des mobilen Geräts 300 angeordnet, wobei das erste Paar 100-1, 100-2 von MEMS-Bauelementen 100 in einem Abstand X_REF1 voneinander angeordnet ist, und wobei das zweite Paar 100-3, 100-4 von MEMS-Bauelementen 100 in einem Abstand X_REF2 zueinander angeordnet ist. Die beiden Verbindungslinien L₁ , L₂ zwischen den beiden Paaren von MEMS-Bauelementen 100 erstrecken sich orthogonal zueinander, wobei dies lediglich beispielhaft anzunehmen ist und zur Erleichterung der Auswertung der Messergebnisse S₁ führen kann. Ferner kann die Verarbeitungseinrichtung 320 ausgebildet sein, um die von den Schaltungseinrichtungen 120 der MEMS-Bauelemente erhaltenen Ultraschall-Empfangssignale bzw. Informationssignale S₁ auszuwerten.
• Die Verarbeitungseinrichtung 320 kann ferner ausgebildet sein, um die von den Schaltungseinrichtungen 120 der MEMS-Bauelemente 100-1, ..., 100-4 bereitgestellten Informationssignale S1 auszuwerten.
• Die MEMS-Bauelemente 100-1, ..., 100-4 des mobilen Geräts 300 könne beispielsweise jeweils als Einzelsensoren zur Abstandsmessung und Temperaturmessung eingesetzt werden. Das jeweilige MEMS-Bauelement 100-1, ..., 100-4 ist an einer vorgegebenen Position an einer Außenseite oder einem Geräterahmen 310 der mobilen Geräts 300 z. B. als Sensor angeordnet, wobei die Schaltungseinrichtung 120 ferner ausgebildet ist, um basierend auf einer Zeitdauer Δt zwischen dem Sendezeitpunkt t₀ des Ultraschall-Sendesignals S_TX und einem Empfangszeitpunkt t4 des zugeordneten Ultraschall-Empfangssignals S_RX (vgl. 1c) ein Informationssignal S₁ bereitzustellen.
• Das Informationssignal S₁ kann zum Beispiel unter Berücksichtigung einer (innerhalb eines Toleranzbereichs) bekannten Umgebungstemperatur T₀ eine Information über den Abstand X₀ zwischen dem MEMS-Bauelement 100 bzw. dem dortigen MEMS-Schallwandler 110 und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts (nicht gezeigt in 5) aufweisen. Das Informationssignal S₁ kann ferner unter Berücksichtigung einer (innerhalb eines Toleranzbereichs) bekannten Laufstrecke bzw. Laufweg X₀ = XREF des Ultraschall-Sendesignals eine Information über die Umgebungstemperatur T₀ zwischen dem MEMS-Bauelement 100 und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts aufweisen.
• Die Schaltungseinrichtung 120 des MEMS-Bauelements 100 kann ferner ausgebildet sein, um das Informationssignal S1 an eine Verarbeitungseinrichtung 320 der Vorrichtung weiterzugeben, um einen Abstand X₀ zwischen dem als Abstandssensor ausgebildeten MEMS-Bauelement 100 und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals S_TX bewirkenden Objekts zu ermitteln.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Verarbeitungseinrichtung 320 ferner ausgebildet sein, um die Informationssignale S₁ von den MEMS-Bauelementen 100 hinsichtlich einer ersten und zweiten Laufzeit Δt₁ , Δt₂ des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals durch die Umgebungsatmosphäre zwischen einem zugeordneten Paar 100-1, 100-2 und 100-3, 100-4 von MEMS-Bauelementen 100 in einer ersten und entgegengesetzten zweiten Richtung zu erfassen, und um basierend auf den erfassten Laufzeiten des Ultraschall-Sendesignals zwischen dem zugeordneten Paar von MEMS-Bauelementen und dem vorgebebenen Abstand X_REF1 , X_REF2 des zugeordneten Paars von MEMS-Bauelementen 100, die in der Umgebungsatmosphäre vorherrschende Umgebungsbedingung zu ermitteln. Durch die Messung der Laufzeit in unterschiedlichen bzw. entgegengesetzten Richtungen zwischen einem zugeordneten Paar 100-1, 100-2 und 100-3, 100-4 von MEMS-Bauelementen 100 kann unter Annahme einer konstanten Außentemperatur T₀ zwischen den Zeitpunkten der entgegengesetzten Messungen bei einem Lautzeitunterschied zwischen den beiden erfassten Laufzeiten auf eine Luftbewegung parallel zu der Verbindungslinie L₁ , L₂ zwischen den beiden zugeordneten MEMS-Bauelementen geschlossen werden. Die Größe des Laufzeitunterschieds zwischen dem entgegengesetzt ausgesendeten Ultraschall-Sendesignalen S_TX kann dann einer entsprechenden Luftbewegung bzw. Windstärke parallel zu der Verbindungslinie zwischen dem zugeordneten Paar von MEMS-Bauelementen 100 zugeordnet werden.
• Die Verarbeitungseinrichtung 320 kann nun ferner ausgebildet sein, um mehrere Informationssignale S₁ von mehreren Paaren (z.B. N-Paare) von MEMS-Bauelementen 100 auszuwerten, um eine Mehrzahl von Laufzeitpaaren der abgestrahlten Ultraschall-Sendesignale S_TX durch die Umgebungsatmosphäre zwischen einer Mehrzahl von zugeordneten Paaren von MEMS-Bauelementen 100 in unterschiedlichen bzw. entgegengesetzten Richtungen zu erfassen, und um basierend auf den erfassten Laufzeitpaaren der Ultraschall-Sendesignale S_TX zwischen den zugeordneten Paaren von MEMS-Bauelementen 100 und dem vorgegebenen Abstand X_REF-N der zugeordneten N-Paare von MEMS-Bauelementen 100 eine Richtungsinformation der Fluidbewegung, d. h. eine Windrichtung, in der Umgebungsatmosphäre zu ermitteln.
• Die Schaltungseinheit 120 der MEMS-Bauelemente können beispielsweise auch Teil der Verarbeitungseinrichtung 320 sein.
• Bei dem mobilen Gerät 300 können somit n Paare mit n ≥ 2 von akustischen MEMS-Bauelementen 100 an dem Geräterahmen 310 des mobilen Geräts 300 jeweils in einem vorgegebenen Abstand X_REF1 , X_REF2 ... X_REFn zueinander und in einer vorgegebenen Position zueinander angeordnet sein. Das mobile Gerät 300 kann nun ferner optional ein zusätzliches Sensorelement 340 zum Erfassen einer zusätzlichen Messgröße, wie z. B. von Feuchtigkeit und/oder Luftdruck, in der Umgebungsatmosphäre aufweisen, um beispielsweise unter Berücksichtigung der zusätzlichen Messergebnisse hinsichtlich der Luftfeuchtigkeit und/oder des Luftdrucks in der Umgebungsatmosphäre entsprechende Querempfindlichkeiten bei der Berechnung bzw. Ermittlung der Abstandsinformationen und/oder der Temperaturinformationen zu berücksichtigen.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Verarbeitungseinrichtung 320 ausgebildet sein, um die die ermittelte, relative Bewegungsgeschwindigkeit der Umgebungsatmosphäre und/oder die ermittelte Richtungsinformation der Bewegungsgeschwindigkeit der Umgebungsatmosphäre bei der Auswertung der Laufzeit Δt des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals S_TX zur Ermittlung der in der Umgebungsatmosphäre vorherrschenden Umgebungstemperatur T₀ zu berücksichtigen. Wenn beispielsweise, wie oben beschrieben, mehrere MEMS-Bauelemente 100 als Ultraschall-Sendeempfänger mit einem bekannten, festen Abstand (Referenzabstand XREF = x₀ ) beispielsweise an dem mobilen Gerät 300 angeordnet sind, kann die Abstandsmessung, d. h. der Längenvergleich mit dem Referenzabstand, zur Temperaturbestimmung in allen möglichen durch die Anordnung der Ultraschall-Sendeempfänger 100-1 ... 100-4 vorgegebenen Messrichtungen bzw. Verbindungslinien L1, L2 durchgeführt werden, um den Einfluss einer Bewegung der Umgebungsatmosphäre, d. h. um Luftbewegungen, zu eliminieren. Bei der Temperaturmessung kann somit die Windrichtung und Windgeschwindigkeit berücksichtigt werden. So können Laufzeitdifferenzen des Ultraschall-Signals zwischen entgegengesetzten Messrichtungen auf eine Luftbewegung hinweisen, wobei diese Luftbewegung wiederum bei der Temperaturbestimmung mittels Ultraschall-Laufzeitmessung berücksichtigt werden kann.
• Bezüglich der im Vorhergehenden beschriebenen Abstandsmessung wird darauf hingewiesen, dass die Referenzabstandsmessung bzw. der bereitgestellte Referenzabstandswert mit einer größeren Genauigkeit vorliegen sollte, als die Genauigkeit der akustischen Ultraschall-Messung des Abstands bzw. der Laufzeit, um ausreichend genaue Messergebnisse zu erhalten. Dies wird ohne Weiteres durch feststehende und in einem bekannten Abstand angeordnete Sende-Empfangselemente in Form der MEMS-Bauelemente 100 gemäß den obigen Ausführungsbeispielen in mobilen Geräten 300 erreicht.
• Ferner wird darauf hingewiesen, dass der thermische Ausdehnungskoeffizient von Festkörpern, wie z. B. den Materialien eines mobilen Geräts, wie z. B. Metall und/oder Kunststoffmaterialien etwa um den Faktor „100“ kleiner sind als die durch die Ultraschall-Messung erfasste Änderung der Weglänge pro Grad Celsius. Da ferner die Temperatur innerhalb des mobilen Geräts im Allgemeinen bekannt ist, können diese thermischen Ausdehnungseffekte des mobilen Geräts bei der Messwertauswertung berücksichtigt werden. Ferner sollte beispielsweise eine unerwünschte Verlängerung des Schallwegs durch die Hand eines Nutzers ohne Weiteres erfasst werden, da die abgeleitete Temperatur dann als unrealistisch „kalt“ klassifiziert werden kann.
• Während sich Ausführungsbeispiele für verschiedene Modifikationen und alternative Formen eignen, werden dementsprechend Ausführungsbeispiele derselben in den Figuren beispielhaft gezeigt und hier ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass es nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die offenbarten bestimmten Formen zu begrenzen, sondern im Gegensatz die Ausführungsbeispiele alle in den Rahmen der Offenbarung fallenden Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken sollen. In der gesamten Beschreibung der Figuren beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche Elemente.
• Es versteht sich, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es direkt mit dem anderen Element verbunden oder gekoppelt sein kann oder Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz ein Element als „direkt“ mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Sonstige zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen benutzten Ausdrücke sollten auf gleichartige Weise ausgelegt werden (z.B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ gegenüber „direkt benachbart“ usw.).
• Es versteht sich ferner, dass, wenn ein Element als „an, auf, über, neben, unter oder unterhalb einem anderen Element angeordnet“ bezeichnet wird, dieses Element direkt an, auf, über, neben, unter oder unterhalb dem anderen Element angeordnet sein kann oder ein oder mehrere Zwischenelemente vorhanden sein können. Wenn im Gegensatz dazu ein Element als „direkt“ an, auf, über, neben, unter oder unterhalb einem anderen Element angeordnet bezeichnet wird, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Ferner wird darauf hingewiesen, dass sich die verwendeten Begriffe „über bzw. vertikal über, neben, unter, unterhalb, lateral und vertikal zu“ auf die relative Anordnung unterschiedlicher Elemente zueinander bezüglich der jeweils dargestellten Zeichenebene der unterschiedlichen Figuren beziehen und entsprechend der jeweiligen Darstellung zu verstehen sind.
• Ferner ist die Formulierung „zumindest ein“ Element so zu verstehen, dass ein Element oder eine Mehrzahl von Elementen vorgesehen sein können.
• Die hier verwendete Terminologie bezweckt nur das Beschreiben bestimmter Ausführungsbeispiele und soll nicht begrenzend für Ausführungsbeispiele sein. Nach hiesigem Gebrauch sollen die Singularformen „ein, eine“ und „das, der, die“ auch die Pluralformen umfassen, es sei denn im Zusammenhang wird deutlich etwas anderes angegeben. Es versteht sich weiterhin, dass die Begriffe „umfasst“, „umfassend“, „aufweisen“ und/oder „aufweisend“ bei hiesigem Gebrauch das Vorhandensein angegebener Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile angeben, aber nicht das Vorhandensein oder die Zufügung eines oder mehrerer anderer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder Gruppen derselben ausschließen.
• Sofern nicht anderweitig definiert besitzen alle hier benutzten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die gleiche Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet verstanden wird, zu dem Ausführungsbeispiele gehören. Weiterhin versteht es sich, dass Begriffe, z.B. die in gewöhnlich benutzten Wörterbüchern Definierten, als eine Bedeutung besitzend ausgelegt werden sollten, die ihrer Bedeutung im Zusammenhang der entsprechenden Technik entspricht. Sollte die vorliegende Offenbarung jedoch einem Begriff eine bestimmte Bedeutung geben, die von einer Bedeutung wie sie gewöhnlich von einem Durchschnittsfachmann verstanden wird abweicht, ist diese Bedeutung in dem konkreten Kontext, in dem diese Definition gegeben ist, zu berücksichtigen.
• In der nachfolgenden Beschreibung bedeutet die Beschreibung eines Elements aus einem Halleitermaterial, dass das Element ein Halbleitermaterial aufweist, d.h. zumindest teilweise oder auch vollständig aus dem Halbleitermaterial gebildet ist.
• Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einem MEMS-Bauelement, einer Vorrichtung mit zumindest einem MEMS-Bauelement und einem mobilen Gerät mit einer Mehrzahl von MEMS-Bauelementen beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens zur Messwertermittlung darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer entsprechenden Vorrichtung auch als ein Verfahrensschritt oder ein Merkmal eines Verfahrensschrittes eines entsprechenden Verfahrens zu verstehen ist. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie unter Verwendung eines Mikroprozessors, eines programmierbaren Computers oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
• In der vorhergehenden detaillierten Beschreibung wurden teilweise verschiedene Merkmale in Beispielen zusammen gruppiert, um die Offenbarung zu rationalisieren. Diese Art der Offenbarung soll nicht als die Absicht interpretiert werden, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale aufweisen als ausdrücklich in jedem Anspruch angegeben sind. Vielmehr kann, wie die folgenden Ansprüche wiedergeben, der Gegenstand in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Folglich werden die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann. Während jeder Anspruch als ein eigenes separates Beispiel stehen kann, sei angemerkt, dass, obwohl sich abhängige Ansprüche in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen zurückbeziehen, andere Beispiele auch eine Kombination von abhängigen Ansprüchen mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder einer Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen umfassen. Solche Kombinationen seien umfasst, es sei denn es ist ausgeführt, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist beabsichtigt, dass auch eine Kombination von Merkmalen eines Anspruchs mit jedem anderen unabhängigen Anspruch umfasst ist, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch ist.
• Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele hierin dargestellt und beschrieben wurden, wird einem Fachmann offensichtlich sein, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierungen für die spezifischen dort gezeigten und dargestellten Ausführungsbeispiele ersetzt werden können, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Anmeldung abzuweichen. Dieser Anmeldungstext soll alle Adaptionen und Variationen der hierin beschriebenen und erörterten spezifischen Ausführungsbeispiele abdecken. Daher ist der vorliegende Anmeldungsgegenstand lediglich durch den Wortlaut der Ansprüche und den äquivalenten Ausführungsformen derselben begrenzt.
• Bezugszeichenliste

100

MEMS-Bauelement

110

MEMS-Schallwandler

110-1 - 110-5

MEMS-Schallwandlerelemente

110-A

Halbleitersubstrat

112

Gegenelektrodenstruktur

112-1

weitere Gegenelektrodenstruktur

114

Membranstruktur

114-1

weitere Membranstruktur

115

mechanisches Verbindungselement

116

Kavität

116-1 - 116-5

Teilkavitäten

117

Kontaktierungsflächen

120

Schaltungseinrichtung

121

Ultraschall-Signalquelle

130

Gehäuse

132

Schallöffnung

134

Substrat

136

Abdeckungselement

200

Gerät / Vorrichtung

205

Seitenfläche des Geräts

210

Reflexionsobjekt

220

Verarbeitungseinrichtung

300

mobiles Gerät

310

Geräterahmen des mobilen Geräts

320

Verarbeitungseinrichtung des mobilen Geräts

330

(optionales) Display des mobilen Geräts

340

(optionaler) zusätzlicher Sensor

C

Kapazität

d₁

Abstand Membran-Gegenelektrode

d₁₁₄

auslenkbarer Bereich der Membran

f

Frequenz

L₁, L₂

Verbindungslinie

ΔP

Schalldruckänderung

S₁

Ausgangssignal bzw. Informationssignal

t

Zeit

t₀, t₁, t₂, t₃, t₄

Zeitpunkte

ΔT

Temperaturfenster/Laufzeit

T₀

(gemessene) Umgebungstemperatur

T_REF

Referenztemperatur

XREF

Referenzabstand

X_REF1

Abstand eines ersten zugeordneten Paars von MEMS-Bauelementen

X_REF2

Abstand eines zweiten zugeordneten Paars von MEMS-Bauelementen

X_REFn

Abstand eines n-ten zugeordneten Paars von MEMS-Bauelementen

X₀

(gemessener) Abstand

Δx

Auslenkung der Membranstruktur

Claims (26)

1. MEMS-Bauelement (100) mit folgenden Merkmalen: einem MEMS-Schallwandler (110) mit einer Membranstruktur (114) und einer zugeordneten Gegenelektrodenstruktur (112), und einer Schaltungseinheit (120), die elektrisch mit dem MEMS-Schallwandler (110) gekoppelt ist und die ferner ausgebildet ist, um in einem ersten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers (110) im Audio-Frequenzbereich ein Audioausgangssignal des MEMS-Schallwandlers (110) basierend auf einer durch eine akustische Schalldruckänderung (ΔP) bewirkte Auslenkung der Membranstruktur (114) gegenüber der Gegenelektrodenstruktur (112) zu erfassen, und in einem zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers (110) im Ultraschall-Frequenzbereich ferner den MEMS-Schallwandler (110) als einen Ultraschall-Sendeempfänger anzusteuern und auszulesen.
2. MEMS-Bauelement (100) gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers (110) einen Ultraschall-Sendebetriebszustand und einen Ultraschall-Empfangsbetriebszustand aufweist, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um den MEMS-Schallwandler (110) in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand als Ultraschall-Sender anzusteuern, und um den Ultraschall-Schallwandler in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand als Ultraschall-Empfänger auszulesen.
3. MEMS-Bauelement (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um den MEMS-Schallwandler (110) in dem zweiten Betriebsmodus bei einem Ultraschall-Resonanzbereich des MEMS-Schallwandlers (110) anzusteuern und/oder auszulesen.
4. MEMS-Bauelement (100) gemäß Anspruch 3, wobei der Ultraschall-Resonanzbereich des MEMS-Schallwandlers auf einer Ultraschall-Resonanzeigenschaft einer Komponente des Schallwandlers basiert.
5. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des MEMS-Schallwandlers (110) ein Ultraschall-Sendesignal (S_TX) im Ultraschall-Frequenzbereich an der Membranstruktur (114) oder Gegenelektrodenstruktur (112) des MEMS-Schallwandlers (110) anzuregen, und um in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand ein Ultraschall-Empfangssignal (S_TX) des MEMS-Schallwandlers (110) basierend auf einer durch einen durch einen reflektierten Anteil des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals (S_TX) bewirkten Auslenkung zwischen der Membranstruktur (114) und der Gegenelektrodenstruktur (112) zu erfassen.
6. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 5, wobei der MEMS-Schallwandler (110) so ausgebildet ist, dass der reflektierte Anteil des (S_RX) des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals (S_TX) durch eine Reflexion des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals (S_TX) an einem sich in Abstrahlrichtung des MEMS-Schallwandlers (110) befindlichen Objekts (210) erhalten wird.
7. MEMS-Bauelement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der MEMS-Schallwandler (110) eine Ultraschall-Resonanzfrequenz in einem Bereich zwischen 20 und 150 kHz oder zwischen 20 und 120 kHz aufweist.
8. MEMS-Bauelement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der MEMS-Schallwandler (110) eine weitere Gegenelektrodenstruktur (112-1) aufweist und in einer Doppel-Gegenelektroden-Konfiguration ausgebildet ist, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um in dem ersten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers (110), die durch eine akustische Schalldruckänderung (ΔP) bewirkte Auslenkung der Membranstruktur (114) gegenüber der Gegenelektrodenstruktur (112) und/oder der weiteren Gegenelektrodenstruktur (112-1) zu erfassen, in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers ein Ultraschall-Anregungssignal zwischen der Membranstruktur (114) und zumindest einer der beiden Gegenelektrodenstruktur (112, 112-1) zur Erzeugung des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) einzustellen, und in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers (110) ein Ultraschall-Empfangssignal (S_RX) des MEMS-Schallwandlers auszulesen, das auf dem reflektierten Signalanteil des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals (S_TX) basiert und eine Auslenkung zwischen der Membranstruktur (114) und der Gegenelektrodenstruktur (112) und/oder der weiteren Gegenelektrodenstruktur (112-1) bewirkt.
9. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der MEMS-Schallwandler (110) eine weitere Membranstruktur (114-1) aufweist, die mittels eines mechanischen Verbindungselements (115) mit der Membranstruktur (114) mechanisch verbunden und in einer Doppelmembran-Konfiguration ausgebildet ist, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um in dem ersten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers (110) die durch eine akustische Schalldruckänderung (Δp) bewirkte gemeinsame Auslenkung der Membranstruktur (114) und der weiteren Membranstruktur (114-1) gegenüber der Gegenelektrodenstruktur (112) zu erfassen, in dem Ultraschall-Sendebetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers (110) ein Ultraschall-Anregungssignal an zumindest eine der beiden die Membranstrukturen (114, 114-1) bezüglich der Gegenelektrodenstruktur (112) zur Erzeugung des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals (S_TX) anzulegen, und in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand des zweiten Betriebsmodus des MEMS-Schallwandlers ein Ultraschall-Empfangssignal (S_TX) des MEMS-Schallwandlers zu erfassen, das auf einem reflektierten Signalanteil (S_RX) des ausgesendeten Ultraschall-Sendesignals (S_TX) basiert und eine Auslenkung der Membranstruktur (114) und/oder der weiteren Membranstruktur (114-1) gegenüber der Gegenelektrodenstruktur (112) bewirkt.
10. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um basierend auf einer Zeitdauer (Δt) zwischen einem Sendezeitpunkt des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) und einem Empfangszeitpunkt des Ultraschall-Empfangssignals (S_RX) eine Information über den Abstand zwischen dem MEMS-Schallwandler (110) und einem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals (S_RX) bewirkenden Objekts (210) zu ermitteln.
11. MEMS-Bauelement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um basierend auf einer Zeitdauer zwischen einem Sendezeitpunkt des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) und einem Empfangszeitpunkt eines zugeordneten Ultraschall-Empfangssignals (S_RX) eine Information über eine Umgebungstemperatur zu ermitteln.
12. MEMS-Bauelement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um zumindest in dem Ultraschall-Empfangsbetriebszustand ein Pull-In-Signal an die Membranstruktur (114, 114-1) anzulegen, um die Membranstruktur (114, 114-1) in einen mechanischen Dämpfungszustand zu bringen.
13. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 12, wobei das Pull-In-Signal eine Änderung der Resonanzfrequenz des Schallwandlers im Ultraschall-Empfangsmodus für das Ultraschall-Signal bewirkt.
14. MEMS-Bauelement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ein Array von Membran-basierten MEMS-Schallwandlerelementen aufweist, die eine Membranstruktur (114) und eine zugeordnete Gegenelektrodenstruktur (112) aufweisen.
15. Vorrichtung (200) mit zumindest einem MEMS-Bauelement (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine MEMS-Bauelement an einer Außenposition der Vorrichtung (200) als Sensor angeordnet ist, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um basierend auf einer Zeitdauer zwischen einem Sendezeitpunkt des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) und einem Empfangszeitpunkt des Ultraschall-Empfangssignals (S_RX) ein Informationssignal (S₁) bereitzustellen,
16. Vorrichtung (200) gemäß Anspruch 15, wobei das Informationssignal eine Information über einen Abstand (x₀) zwischen dem MEMS-Bauelement und einem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) bewirkenden Objekts (210) aufweist, oder wobei das Informationssignal (S₁) eine Information über eine Umgebungstemperatur (T₀) in der Umgebungsatmosphäre zwischen dem MEMS-Bauelement (110) und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) bewirkenden Objekts (210) aufweist.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei die Vorrichtung ferner eine Verarbeitungseinrichtung (220) aufweist, wobei die Schaltungseinrichtung (120) ferner ausgebildet ist, um das Informationssignal (S₁) an die Verarbeitungseinrichtung (220) weiterzugeben, wobei die Verarbeitungseinrichtung (220) ausgebildet ist, um basierend auf dem Informationssignal (S₁) und einer bekannten Umgebungstemperatur (T₀) einen Abstand (x₀) zwischen dem MEMS-Bauelement (100) und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) bewirkenden Objekts (210) zu ermitteln, oder um basierend auf einem bekannten Abstand (X_REF) zwischen dem MEMS-Bauelement und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) bewirkenden Objekts (210) eine Umgebungstemperatur (T₀) zu ermitteln.
18. Vorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Vorrichtung eine Mehrzahl von MEMS-Bauelementen (100) aufweist, die an verteilten Außenpositionen der Vorrichtung (200) als Abstandssensoren und/oder Temperatursensoren angeordnet sind, wobei die Verarbeitungseinrichtung (220) ausgebildet ist, um die Informationssignale (S₁) der MEMS-Bauelemente (100) mit den Abstandsinformationen auszuwerten, um eine räumliche Erfassung der Umgebung der Vorrichtung durchzuführen.
19. Mobiles Gerät (300) mit einer Mehrzahl von MEMS-Bauelementen (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Mehrzahl von MEMS-Bauelementen (100) an vorgegebenen Positionen an einem Geräterahmen (310) des mobilen Geräts (300) angeordnet sind.
20. Mobiles Gerät (300) gemäß Anspruch 19, wobei die Mehrzahl von MEMS-Bauelementen (100) paarweise in einem vorgegebenen Abstand (X_REF1, X_REF2, ... X_REFn) zueinander an dem Geräterahmen (310) des mobilen Geräts (300) angeordnet sind.
21. Mobiles Gerät (300) gemäß Anspruch 19 oder 20, wobei das Informationssignal eine Information über einen Abstand (x₀) zwischen dem MEMS-Bauelement (100) und einem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) bewirkenden Objekts (210) aufweist, oder wobei das Informationssignal (S₁) eine Information über eine Umgebungstemperatur (T₀) in der Umgebungsatmosphäre zwischen dem MEMS-Bauelement (110) und dem die Reflexion des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) bewirkenden Objekts (210) aufweist.
22. Mobiles Gerät (300) gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei das mobile Gerät (300) ferner eine Verarbeitungseinrichtung (220) aufweist, wobei die Verarbeitungseinrichtung (220) ausgebildet ist, die Informationssignale (S₁) der MEMS-Bauelemente (100) auszuwerten.
23. Mobiles Gerät (300) gemäß Anspruch 22, wobei die Verarbeitungseinrichtung (320) ferner ausgebildet ist, um eine Laufzeit (Δt) des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals (S_TX) durch die Umgebungsatmosphäre zwischen einem zugeordneten Paar von akustischen MEMS-Bauelementen (100) zu erfassen, und um basierend auf der erfassten Laufzeit (Δt) des Ultraschall-Sendesignals (S_TX) zwischen einem zugeordneten Paar von akustischen MEMS-Bauelementen und dem vorgegebenen Abstand des zugeordneten Paars von MEMS-Bauelementen eine in der Umgebungsatmosphäre vorherrschende Umgebungstemperatur (T₀) zu ermitteln.
24. Mobiles Gerät (300) gemäß Anspruch 22 oder 23, wobei die Verarbeitungseinrichtung ausgebildet ist, um eine erste und zweite Laufzeit des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals durch die Umgebungsatmosphäre zwischen einem zugeordneten Paar von akustischen MEMS-Bauelementen in entgegensetzten Richtungen zu erfassen, und um basierend auf den erfassten Laufzeiten des Ultraschall-Sendesignals zwischen dem zugeordneten Paar von akustischen MEMS-Bauelementen und dem vorgegebenen Abstand des zugeordneten Paars von MEMS-Bauelementen die relative Bewegungsgeschwindigkeit der Umgebungsatmosphäre zu ermitteln.
25. Mobiles Gerät (300) gemäß einem der Ansprüche 22 bis 24, wobei die Verarbeitungseinrichtung (320) ausgebildet ist, um eine Mehrzahl von Laufzeiten des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals durch die Umgebungsatmosphäre zwischen einer Mehrzahl von zugeordneten Paaren von akustischen MEMS-Bauelementen zu erfassen, und um basierend auf den erfassten Laufzeiten der Ultraschall-Sendesignale zwischen den zugeordneten Paaren von akustischen MEMS-Bauelementen und dem vorgegebenen Abstand des zugeordneten Paars von MEMS-Bauelementen eine Richtungsinformation der Bewegungsgeschwindigkeit der Umgebungsatmosphäre zu ermitteln.
26. Mobiles Gerät (300) gemäß einem der Ansprüche 24 oder 25, wobei die Verarbeitungseinrichtung (320) ausgebildet ist, um die die ermittelte, relative Bewegungsgeschwindigkeit der Umgebungsatmosphäre und/oder die ermittelte Richtungsinformation der Bewegungsgeschwindigkeit der Umgebungsatmosphäre bei der Auswertung der Laufzeit (Δt) des abgestrahlten Ultraschall-Sendesignals (S_TX) zur Ermittlung der in der Umgebungsatmosphäre vorherrschenden Umgebungstemperatur (T₀) zu berücksichtigen.

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