DE102018207605A1

DE102018207605A1 - MEMS-Sensor, MEMS-Sensorsystem und Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensorsystems

Info

Publication number: DE102018207605A1
Application number: DE102018207605.7A
Authority: DE
Inventors: David Tumpold; Dominic Maier
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2019-11-21
Anticipated expiration: 2038-05-17
Also published as: US20190352175A1; KR20190131443A; DE102018207605B4; CN110498385A; US11492249B2

Abstract

Ein MEMS-Sensor umfasst ein Sensorgehäuse und eine Membran, die in dem Sensorgehäuse angeordnet ist, wobei ein erstes Teilvolumen des Sensorgehäuses an einer ersten Hauptseite der Membran angrenzt und ein zweites Teilvolumen des Sensorgehäuses an einer zweiten Hauptseite der Membran angrenzt, wobei die zweite Hauptseite der ersten Hauptseite gegenüberliegend angeordnet ist. Der MEMS-Sensor umfasst eine erste Öffnung in dem Sensorgehäuse, die das erste Teilvolumen akustisch transparent mit einer äußeren Umgebung des Sensorgehäuses verbindet. Der MEMS-Sensor umfasst eine zweite Öffnung in dem Sensorgehäuse, die das zweite Teilvolumen akustisch transparent mit der äußeren Umgebung des Sensorgehäuses verbindet.

Description

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen MEMS-Sensor, beispielsweise ein MEMS-Mikrofon oder einen Drucksensor, auf ein MEMS-Sensorsystem und auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines MEMS-Sensorsystems. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf ein MEMS-Mikrofon mit zwei Schalleintrittsöffnungen (Dual Port Microphone).
Membrane aufweisende mikroelektromechanische Systeme (MEMS) können in Siliziumtechnologie hergestellt sein und können eine auf der Auslenkung der Membran basierte Funktionalität aufweisen. Beispiele für solche MEMS sind MEMS-Mikrofone und/oder MEMS-Lautsprecher, die basierend auf einem inversen Betrieb ein elektrisches Signal in einen Schalldruck überführen (Lautsprecher) oder eine Variation im Schalldruck in ein elektrisches Signal überführen (Mikrofone). Auf dem Prinzip der Überführung eines Schalldrucks in eine elektrisches Signal basieren auch Drucksensoren, die ebenfalls als MEMS ausführbar sind.
Wünschenswert wären MEMS-Sensoren, MEMS-Sensorsysteme und ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensorsystems, die eine hohe Vielfalt bezüglich der Vorrichtung oder Systeme, in welchen der spätere MEMS-Sensor eingesetzt wird, aufweisen.
Ausführungsbeispiele schaffen einen MEMS-Sensor mit einem Sensorgehäuse, einer Membran, die in dem Sensorgehäuse angeordnet ist, wobei ein erstes Teilvolumen des Sensorgehäuses an einer ersten Hauptseite der Membran angrenzt und ein zweites Teilvolumen des Sensorgehäuses an einer zweiten Hauptseite der Membran angrenzt, wobei die zweite Hauptseite der ersten Hauptseite gegenüberliegend angeordnet ist. Der MEMS-Sensor umfasst eine erste Öffnung in dem Sensorgehäuse, die das erste Teilvolumen mit einer äußeren Umgebung des Sensorgehäuses akustisch verbindet. Der MEMS-Sensor umfasst eine zweite Öffnung in dem Sensorgehäuse, die das zweite Teilvolumen mit der äußeren Umgebung des Sensorgehäuses akustisch verbindet. Dies ermöglicht den Einsatz des MEMS-Sensors in unterschiedlichen Systemen bei gleicher oder vergleichbarer Auslegung der Einzelkomponenten. So kann beispielsweise ein Back Volume (rückseitiges Volumen) unterschiedlich ausgestaltet werden, um den Frequenzgang der Membran zu beeinflussen oder einzustellen, so dass ein identisches MEMS-Modul in unterschiedlichen Systemen (Back Volumes) unterschiedliche Eigenschaften zeigt und deshalb flexibel einsetzbar ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Sensor ein Sensorgehäuse und eine Membran, die in dem Sensorgehäuse angeordnet ist. Ein erstes Teilvolumen des Sensorgehäuses grenzt an einer ersten Hauptseite der Membran an und ein zweites Teilvolumen des Sensorgehäuses grenzt an einer zweiten Hauptseite der Membran an. Die zweite Hauptseite ist der ersten Hauptseite gegenüberliegend angeordnet. Eine erste Öffnung in dem Sensorgehäuse akustisch transparent verbindet das erste Teilvolumen mit einer äußeren Umgebung des Sensorgehäuses. Eine zweite Öffnung in dem Sensorgehäuse grenzt an das zweite Teilvolumen an. Der MEMS-Sensor umfasst ein elastisches Element, das in der zweiten Öffnung angeordnet ist und ausgebildet ist, um basierend auf einem Fluiddruck in der äußeren Umgebung einen Inhalt des zweiten Teilvolumens zu verändern. Dies ermöglicht eine Einstellung eines Drucks in dem zweiten Teilvolumen durch Auslenkung des flexiblen Elements und so eine Einstellung des Frequenzgangs der Membran, so dass auch dieser MEMS-Sensor flexibel einsetzbar ist.
Ausführungsbeispiele schaffen ein MEMS-Sensorsystem mit einem Sensorgehäuse, das ein Systemvolumen aufweist. Das MEMS-Sensorsystem umfasst einen MEMS-Sensor, bei dem das Systemvolumen entweder über die erste Öffnung mit dem ersten Teilvolumen oder über die zweite Öffnung gekoppelt ist, wobei der MEMS-Sensor über die andere Öffnung der ersten und zweiten Öffnung mit einer Umgebung des MEMS-Sensorsystems fluidisch gekoppelt ist. Das Systemvolumen stellt eine Resonanzfrequenz der Membran für einen Fluidschall in der Umgebung des MEMS-Sensorsystems ein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensorsystems ein Anordnen einer Membran in einem Systemvolumen eines MEMS-Sensorsystems, so dass die Membran zwischen einem ersten Teilvolumen des MEMS-Sensorsystems und einem zweiten Teilvolumen des MEMS-Sensorsystems angeordnet ist. Das zweite Teilvolumen ist so ausgestaltet, dass ein Frequenzgang der Membran ansprechend auf einer Druckänderung in einer Systemumgebung, die mit dem ersten Teilvolumen fluidisch gekoppelt ist, an eine Zielvorgabe angepasst ist.
Ausführungsbeispiele werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel:
2 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel, mit einem mehrteiligen MEMS-Gehäuse;
3 eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Sensorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem mehrteiligen Gehäuse;
5 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems, bei dem ein akustisch transparentes Material in einer Öffnung angeordnet ist;
6 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das einen MEMS-Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst, bei dem ein Systemvolumen auf einer anderen Seite angeordnet ist als in 5;
7 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems, das einen MEMS-Sensor gemäß einem Ausführungsbeispiel aufweist, der verglichen mit dem MEMS-Sensor aus 6 das akustisch transparente Material in der Öffnung aufweist;
8a eine schematischen Seitenschnittansicht von Druckverläufen in einem MEMS-Sensorsystem gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8b eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Sensorsystems aus 8a, bei dem die Geschwindigkeit des Fluids in dem Teilvolumen dargestellt ist;
8c eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Sensorsystems aus 8a, bei dem eine Erwärmung der Gehäusestrukturen dargestellt ist;
9a einen schematischen Frequenzgang eines Bottom-Port-Mikrofons
9b einen schematischen Frequenzgang eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben mit einem elastischen Element in einer Öffnung zwischen einem Teilvolumen und einem Systemvolumen;
11 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem der MEMS-Sensor aus 10 in dem Systemgehäuse angeordnet ist; und
12 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgende Ausführungen beziehen sich auf MEMS-Sensoren, auf MEMS-Sensorsysteme und auf ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensors. Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich dabei insbesondere auf MEMS-Sensoren und mikroelektromechanische Systeme, bei denen die Bewegung oder Auslenkung einer Membran mittels eines elektrischen Signals erfasst wird und/oder basierend auf dem elektrischen Signal eine Bewegung oder Auslenkung der Membran angeregt wird. Obwohl die nachfolgenden Ausführungen auf MEMS-Sensoren, etwa Mikrofone oder Drucksensoren, gerichtet sind, können die speziellen Ausgestaltungen, die im Zusammenhang hiermit beschrieben werden, auch für MEMS-Lautsprecher angewendet werden. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung als Schallwandler bzw. Mikrofon können die MEMS-Sensoren auch als Drucksensoren verwendet werden, beispielsweise als Differenzdrucksensor, bei dem unterschiedliche Drücke durch die unterschiedlichen Öffnungen (Ports) an der Membran 14 wirken.
MEMS können beispielsweise in Siliziumtechnologie hergestellt werden, etwa durch Bereitstellen oder Erzeugen eines Schichtstapels mit einem oder mehreren Halbleitern, wobei auch Dotierungen derselben und/oder die Verwendung anderer Materialien wie elektrisch isolierende Materialien und/oder metallischer Materialien möglich ist.
1 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der MEMS-Sensor 10 umfasst ein Sensorgehäuse 12, das einstückig oder mehrstückig gebildet sein kann und beispielsweise Kunststoffmaterialien, metallische Materialien und/oder Halbleitermaterialien umfassen kann Der MEMS-Sensor 10 umfasst eine Membran 14, die in dem Sensorgehäuse 12 angeordnet ist und ein in dem Sensorgehäuse befindliches Volumen in ein erstes Teilvolumen 16 und ein zweites Teilvolumen 18 unterteilt. Das erste Teilvolumen 16 grenzt an einer ersten Hauptseite 22₁ der Membran an, während das zweite Teilvolumen 18 an eine zweite Hauptseite 22₂ der Membran 14 angrenzt. Die Hauptseiten 22₁ und 22₂ sind gegenüberliegend zueinander angeordnet und werden beispielsweise durch diejenigen Flächen gebildet, die die flächenmäßig größte Ausdehnung der Membran aufweisen. Dies kann, ohne einschränkende Wirkung, beispielsweise eine Oberseite und eine Unterseite der Membran sein, etwa wenn die Membran 14 in einer horizontalen Ebene angeordnet ist. Ist die Membran 14 beispielsweise in einer vertikalen Ebene angeordnet, so können die Hauptseiten 22₁ und 22₂ beispielsweise eine linke Seite und eine rechte Seite, eine Vorderseite und eine Rückseite oder dergleichen bilden, wobei diese Bezeichnungen lediglich beispielhaft gewählt sind und basierend auf einer Veränderung der Lage des MEMS-Sensors 10 im Raum veränderlich sind.
Das Sensorgehäuse 12 weist eine erste Öffnung 24₁ und eine zweite Öffnung 24₂ auf, wobei durch die Öffnung 24₁ das erste Teilvolumen 16 mit einer äußeren Umgebung 26 des MEMS-Sensors akustisch transparent verbunden ist. Durch die Öffnung 24₂ ist das zweite Teilvolumen 18 akustisch transparent mit der äußeren Umgebung 26 verbunden und/oder fluidisch gekoppelt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Öffnungen 24₁ und 24₂ unverschlossene und unblockierte Öffnungen in dem Sensorgehäuse 12. Weitere Ausführungsbeispiele schaffen MEMS-Sensoren, bei denen ein akustisch transparentes Material in der ersten und/oder zweiten Öffnung angeordnet ist, wobei akustisch transparent so zu verstehen ist, dass eine Schalldämpfung von höchstens 3 dB(A), höchstens 2,5 dB(A) oder höchstens 2 dB(A) erhalten wird.
Der MEMS-Sensor kann gemäß einer Möglichkeit seiner Verwendung so eingesetzt werden, dass er einen Druck oder eine Druckvariation in dem ersten Teilvolumen 16 oder dem zweiten Teilvolumen 18 detektiert, indem der Druck oder die Druckvariation zu einer Auslenkung der Membran 14 führt. Insbesondere im Bereich der dynamischen Auslenkung, etwa zur Schallerfassung oder in der Verwendung im Rahmen fotoakustischer Sensoren kann die Empfindlichkeit und/oder der Frequenzgang der Membran 14 durch einen Druck und/oder eine Größe in dem gegenüberliegenden Teilvolumen 18 bzw. 16 beeinflusst oder bestimmt sein. Die fluidische und akustisch transparente Kopplung dieses als Back Volume verwendeten Teilvolumens mit der äußeren Umgebung kann es ermöglichen, den MEMS-Sensor 10 in einem Systemgehäuse einzusetzen, dessen inneres Volumen dann das Back Volume mit beeinflusst, so dass der resultierende Frequenzgang der Membran 14 inklusive einer entsprechenden Eckfrequenz durch das Systemvolumen bestimmt ist. Dies ermöglicht es, die Frequenzeigenschaften des MEMS-Sensors 10 basierend auf dem Systemgehäuse einzustellen, so dass eine applikationsspezifische Anpassung an unterschiedliche Systemgehäuse vereinfacht ist oder ganz entfallen kann.
Der möglicherweise zwischen dem ersten Teilvolumen 16 und dem zweiten Teilvolumen 18 bestehende akustische Kurzschluss kann in einer späteren Verwendung durch Einbau in einem Systemgehäuse behoben oder beseitigt werden, indem das Systemgehäuse eine Trennung zwischen dem Außenbereich, der mit der Membran 14 fluidisch gekoppelt ist und dem Inneren des Systemvolumens vornimmt.
2 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensors 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das Gehäuse durch zwei Gehäuseteile 12₁ und 12₂ gebildet ist. Beispielsweise kann das Gehäuseteil 12₂ eine Platine (Printed Circuit Board - PCB) umfassen, welches beispielsweise die Mikrofonstruktur 27 umfassend die Membran 14 und/oder einen die Membran 14 auswertenden applikationsspezifischen integrierten Schaltkreis (Application Specific Integrated Circuit - ASIC) bzw. Auswerteeinrichtung 28 trägt. Das Gehäuseteil 12₁ kann beispielsweise ein Schutzgehäuse umfassen oder dieses bereitstellen, was in der Fachsprache auch als Lid bezeichnet wird. Das Lid kann einen Schutz während einer Verarbeitung oder Herstellung des MEMS-Sensors 20 bereitstellen und insofern eine synergetische doppelte Nutzung bereitstellen, indem über die Schutzfunktion hinaus auch noch die fluidische Kopplung mit dem Systemvolumen ermöglicht wird. Die Auswerteeinrichtung 28 kann ausgebildet sein, um ein Auslenksignal von der Membran 14 zu erhalten, das Informationen über eine Auslenkung der Membran 14 aufweist. Die Auswerteeinrichtung (ASIC) kann ausgebildet sein, um ein verarbeitetes Ausgangssignal basierend auf einer Verarbeitung des Auslenksignals bereitzustellen, wobei die Auswerteeinrichtung innerhalb des Sensorgehäuses 12 angeordnet sein kann.
Die Membran 14 kann ein oder mehrere Lüftungslöcher (Ventilation Holes) 32 aufweisen, die eine fluidische Kopplung zwischen den Teilvolumina 16 und 18 bereitstellen, wobei dies jedoch unter Einwirkung eines fluidischen Widerstands erfolgt, das bedeutet, die Belüftungsöffnungen 32 sind akustisch zumindest teilweise intransparent, so dass eine Druckvariation in dem Teilvolumen 16 oder 18 zu einer Auslenkung der Membran 14 führt. Ventilation Holes 32 in der Membran 14 können zum Druckausgleich zwischen den Seiten der Membran 14 genutzt werden. Obwohl die Membranöffnung das erste Teilvolumen 16 und das zweite Teilvolumen 18 miteinander fluidisch koppelt, kann diese Kopplung akustisch zumindest teilweise intransparent sein. Beispielsweise kann die Kopplung durch die Membranöffnung als Tiefpass für eine Druckänderung in dem Teilvolumen 16 und/oder 18 wirken.
3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Sensorsystems 30, das beispielsweise den MEMS-Sensor 20 umfasst, und das ferner ein Systemgehäuse 34 umfasst, welches den MEMS-Sensor 20 umschließt, wobei das Gehäuse 34 einteilig oder mehrteilig gebildet sein kann. Beispielsweise weist das Gehäuse 34 ebenfalls einen Gehäusedeckel 34₁ auf, welcher den auf einem Gehäuseteil 34₂ angeordneten MEMS-Sensor 20 gemeinschaftlich umschließt, wobei das Gehäuseteil 34₂ ebenfalls eine Schaltplatine umfassen kann, welche beispielsweise Schaltungsstrukturen aufweist, um den MEMS-Sensor 20 elektrisch zu kontaktieren. Das Gehäuseteil 34₂ kann eine Öffnung aufweisen, die mit der Öffnung 24₂ zumindest teilweise übereinstimmt, um eine fluidische Kopplung zwischen der Mikrofonstruktur 27 und der äußeren Umgebung 26 bereitzustellen. Optional kann das Gehäuse 34 eine Öffnung 36₁ aufweisen, die ferner optional mit der Öffnung 24₁ zumindest teilweise korrespondieren kann, so dass eine fluidische Kopplung zwischen der Membran 14 durch die Öffnungen 24₁ und 36₁ mit einem dahinter liegenden Volumen ermöglicht ist, was beispielsweise auch durch die äußere Umgebung 26 bereitgestellt werden kann. Hierbei kann ein akustischer Kurzschluss bereits verhindert sein, etwa wenn Laufzeitunterschiede durch die Öffnungen 24₂ und 24₁ einen derartigen Unterschied aufweisen, dass diese auswertbar sind. Das bedeutet, dass das Systemgehäuse 34 ausgebildet sein kann, um einen fluidischen Kurzschluss zwischen den Öffnungen 24₁ und 24₂ zu vermeiden.
4 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Systemgehäuse 34 umfassend die Gehäuseteile 34₁ und 34₂ kann zusammen mit dem MEMS-Sensor 20 ein Zusatzvolumen oder eine Rückseitenvolumenerweiterung (Back Volume Extension) bereitstellen, wobei die Kombination der Volumina 16 und 38 kombinatorisch einen Frequenzgang der Membran 14 gegenüber einer Druckvariation an der Öffnung 24₂ bzw. in dem Teilvolumen 18 beeinflusst oder einstellt. Durch die gemeinschaftliche Wirkung der Volumina 16 und 38 wird es ermöglicht, eine möglicherweise als Voreinstellung betrachtete Eigenschaft des Teilvolumens 16 durch eine entsprechende Anpassung des Teilvolumens 38 einzustellen, anzupassen oder zu kompensieren. Hierzu kann eine Auslegung des Volumens 38 erfolgen, etwa als Inhalt oder Form eines Gehäuses, weswegen das Volumen 38 auch als Systemvolumen bezeichnet werden kann. Dies ermöglicht eine unveränderte Herstellung des Teilvolumens 16 für unterschiedliche Zusatzvolumina bzw. Systemvolumina 38, wobei während eines Prozesses zur Herstellung des MEMS-Sensorsystems 40 die Ausgestaltung des Gehäuses 34 so angepasst oder ausgeführt werden kann, dass ein gewünschtes Frequenzverhalten der Membran 14 erhalten wird. Dies kann jedoch von einer Herstellung und/oder Auslegung des MEMS-Sensors 20 unabhängig erfolgen.
Das beschriebene Systemvolumen 38 kann hierbei genutzt werden, um den entsprechenden Referenzdruck einzustellen und gegebenenfalls zu verändern. Das bedeutet, über das Systemvolumen kann ein veränderlicher Druck an die Membran 14 anlegbar sein, etwa über das Teilvolumen 16.
Obwohl die MEMS-Sensorsysteme 30 und 40 so beschrieben sind, dass sie den MEMS-Sensor 20 umfassen, kann alternativ oder zusätzlich auch der MEMS-Sensor 10 angeordnet sein.
Beeinflusst von der Anordnung des MEMS-Sensors 20 in dem Systemvolumen 34 kann das Teilvolumen 18 eine Druckzugangsöffnung oder Schallzugangsöffnung (Sound Port) bereitstellen, der beispielsweise als Bottom Sound Port (unterer Sound Port) bezeichnet wird. Demgegenüber kann die Öffnung 24₁ als Top Sound Port (oberer Sound Port) bezeichnet werden, wobei die Begriffe „unten/oben“ beliebig änderbar oder vertauschbar sind.
Eine elektronische Datenverarbeitung des MEMS-Sensorsystems 40 kann dabei auf einem elektrisch erfassten Auslenksignal beruhen, welches die Auslenkung der Membran 14 wiedergibt und welches von der ASIC 28 empfangen werden kann. Die ASIC 28 kann eine Vorverarbeitung des Auslenksignals ausführen und ein vorverarbeitetes Auslenksignal über die Schaltungsstrukturen des Gehäuseteils 12₂ bereitstellen, welche unverarbeitet oder weiterverarbeitet über Schaltungsstrukturen des Gehäuseteils 34₂ als Sensorsignal dem MEMS-Sensorsystem 40 bereitgestellt werden. Das bedeutet, dass das MEMS-Sensorsystem eine Ausleseschaltung in Form der Schaltung 12₂ aufweisen kann, die konfiguriert ist, um ein verarbeitetes Auslenksignal, das mit der Auslenkung der Membran 14 korreliert, und das beispielsweise von der ASIC 28 erhalten wird, zu erhalten und/oder bereitzustellen. Das MEMS-Sensorsystem weist eine Systemschaltung auf, die beispielsweise in der kundenseitigen Schaltung des Systemgehäuses, etwa in dem Gehäuseteil 34₂ integriert sein kann, und die mit der Ausleseschaltung, das bedeutet, mit Schaltungsstrukturen des Gehäuseteils 12₂ , elektrisch verbunden ist.
Das bedeutet, dass ein MEMS-Sensor gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen eine Ausleseschaltung aufweisen kann, die konfiguriert ist, um ein verarbeitetes Auslenksignal, das auf eine Auslenkung der Membran 14 basiert, zu erhalten, etwa indem ein entsprechendes Signal von der ASIC zu Schaltungsstrukturen in dem Gehäuseteil 12₂ geleitet werden. Ferner kann der MEMS-Sensor ausgebildet sein, um ein Sensorsignal bereitzustellen, wobei die Ausleseschaltung mit einer Systemschaltung elektrisch verbindbar ist. Die Systemschaltung kann beispielsweise zumindest teilweise als Schaltungsstrukturen in dem Gehäuseteil 34₂ gebildet sein.
5 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems 50, bei dem ein akustisch transparentes Material 42 in der Öffnung 24₁ angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann das akustisch transparente Material 42 auch in der Öffnung 24₂ angeordnet sein. Das akustisch transparente Material weist eine Signaldämpfung bzw. eine Schalldämpfung oder Schallreduktion von höchstens 3 dB(A), höchstens 2,5 dB(A) oder höchstens 2 dB(A) auf. Das akustisch transparente Material 42 ist beispielsweise geeignet, um den Eintritt von Partikeln und/oder Feuchtigkeit oder Nässe durch die Öffnung 24₁ bzw. 24₂ einzuschränken oder zu verhindern und ermöglicht insofern eine Schutzfunktion für die Membran 14. Das MEMS-Sensorsystem 50 umfasst einen MEMS-Sensor 55, der in der Öffnung 24₁ das akustisch transparente Material 42 aufweist.
Das akustisch transparente Material 42 kann akustisch gekoppelt sein, das bedeutet, es kann sich in einem akustisch relevanten Bereich des MEMS-Sensorsystems 50 oder des MEMS-Sensors 55 befinden. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass das akustisch transparente Material 42 das Teilvolumen 16 mit der Volumenerweiterung, d. h., das Systemvolumen 38 fluidisch koppelt und/oder dass das akustisch transparente Material 42 das Volumen 42₂ mit der äußeren Umgebung 26 fluidisch koppelt.
Das akustisch transparente Material 42 kann beispielsweise porös gebildet sein und so eine mechanische Barriere für Nässe, Feuchte und/oder Partikel bereitstellen, während eine geringe oder vernachlässigbare akustische Beeinflussung des MEMS erhalten wird. Alternativ kann auch eine vorgegebene Beeinflussung erfolgen, so dass basierend auf dem akustisch transparenten Material eine akustische Anpassung zusätzlich zum mechanischen Schutz erhalten wird. Das bedeutet, obwohl das akustisch transparente Material 42 bevorzugt einen geringen Einfluss auf die akustische Kopplung zwischen dem Teilvolumen 16 und dem Systemvolumen 38 bewirkt, kann gemäß anderen bevorzugten Ausführungsformen auch eine Einstellung einer akustischen Kopplung zwischen dem benachbarten Teilvolumen und der äußeren Umgebung bereitstellen. Insbesondere kann ein derartiges akustisch transparentes Material porös ausgestaltet sein und zwar Schallwellen durchlassen, diese jedoch an einen Frequenzgang der Membran 14 anpassen. Hierfür können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden, die bestimmte Frequenzbereiche absorbieren oder weniger absorbieren bzw. dämpfen.
6 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems 60 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das einen MEMS-Sensor 65 gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst. Der MEMS-Sensor 65 ist so ausgeführt, dass die Öffnungen 24₁ und 24₂ an derselben Seite des Gehäuses 12 angeordnet sind, beispielsweise in dem Gehäuseteil 12₂ , wobei jede der Öffnungen 24₁ und 24₂ unabhängig voneinander an einer beliebigen Gehäuseseite des Gehäuses 12 angeordnet sein kann.
Das Systemvolumen 38 kann so angeordnet sein, dass es nicht, wie es beispielsweise in 2 dargestellt ist, das Gehäuseteil 12₁ umschließt, sondern dass der Gehäuseteil 34₁ an einer gegenüberliegenden Seite des Gehäuseteils 34₂ angeordnet ist, als der MEMS-Sensor 65. Die fluidische Kopplung des Teilvolumens 16 mit dem Systemvolumen 38 kann somit durch eine Übereinstimmung in der Öffnung 24₁ mit einer Öffnung in dem Gehäuseteil 34₂ erfolgen.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich darauf, dass das Back Volume einer Membran, etwa der Membran 14 durch eine Back-Volume-Erweiterung, dass bedeutet, das Systemvolumen, angepasst wird. Gemäß Ausführungsbeispielen kann das einstellende kombinatorische Volumen entweder an der ersten Seite 22₁ oder an der zweiten Seite 22₂ der Membran 14 angeordnet sein. Basierend hierauf kann entweder die erste Öffnung 24₁ oder die zweite Öffnung 24₂ mit dem Systemvolumen 38 gekoppelt sein und die andere Öffnung mit der Umgebung 26 fluidisch gekoppelt sein. Das Systemvolumen kann in beiden Fällen eine Resonanzfrequenz der Membran 14 für einen Fluidschall in der Umgebung 26 des MEMS-Sensorsystems 60 einstellen. Das Einstellen kann über die Membranauslenkung, etwa mittels eines Drucks in dem Systemvolumen 38 und/oder dem Teilvolumen 16 und/oder durch einen Volumeninhalt, das bedeutet, eine physikalische Ausdehnung, des kombinatorischen Volumens und/oder der Einzelvolumina 16 und/oder 38 erfolgen. Obwohl das Systemvolumen 38 als ein einzelnes Volumen dargestellt ist, ist es ebenfalls möglich, das Systemvolumen 38 in mehrere Teilvolumina zu unterteilen.
7 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems 70, das einen MEMS-Sensor 75 gemäß einem Ausführungsbeispiel aufweist, der verglichen mit dem MEMS-Sensor 65 aus 6 das akustisch transparente Material 42 in der Öffnung 24₁ aufweist. Alternativ oder zusätzlich kann das akustisch transparente Material 42 auch in einer korrespondierenden Öffnung, etwa der Öffnung 36₁ Bezugszeichen prüfen des Systemgehäuses angeordnet sein.
In MEMS-Sensoren gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine Auswerteschaltung, etwa die ASIC 28 mit einem Licht im transparenten Material bedeckt sein, welches auch als Globe Top bezeichnet wird. Dies ermöglicht die optische Schirmung und/oder mechanischen Schutz der ASIC 28.
Die ASIC und die Membranstruktur können auf einem gemeinsamen Träger, etwa einer Leiterplatte (PCB) angeordnet sein, was eine einfache Auswertung der Schaltung ermöglicht.
Ausführungsbeispiele sind darauf gerichtet, Mikrofonstrukturen, die als sogenannte „Top-Port-Konfiguration“, das bedeutet, ein Loch im Lid, und sogenannte „Bottom-Port-Konfigurationen“ (Loch in der PCB) zusammenzuführen. Dies ermöglicht die Verwendung des Gehäuses 12 als Standard-Lid. Ferner ermöglicht es die Verwendung des PCB als Standard-PCB, insbesondere als Standardträger für das MEMS-Mikrofon. Verglichen mit bekannten Herstellungskonzepten ermöglicht dies einen unveränderten Produktionsablauf. Durch Erweitern des Teilvolumens 16 und/oder 18 durch das Systemvolumen 38 kann die Eckfrequenz der Membran 14 verringert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Frequenzbereich des Mikrofons erweitert werden.
Ausführungsbeispiele ermöglichen es, konventionelle Mikrofone auf MEMS-Basis als ultra-sensitive Differenzdrucksensoren einzusetzen, da der Frequenzgang anpasspar ist. Ausführungsbeispiele ermöglichen insbesondere eine Feinjustierung der unteren Eckfrequenz während des Einsatzes des MEMS-Sensors im Feld. Durch die Möglichkeit der Einstellung des Frequenzgangs kann eine Plug-and-Play-Funktion der Module erhalten werden. Ausführungsbeispiele ermöglichen einen Einsatz oder einen Verbau von vorgetesteten und Qualitätskriterien entsprechenden Bauteilen im weiterführenden Fertigungs- oder Montageprozess.
Anhand der nachfolgenden 8a, 8b und 8c wird ein weiterer positiver Aspekt hierin beschriebener Ausführungsbeispiele erläutert.
8a zeigt in einer schematischen Seitenschnittansicht Druckverläufe in einem MEMS-Sensorsystem 80. Durch Ausbilden des Rückseiten-Volumens durch das Teilvolumen 16 in Kombination mit dem Systemvolumen 38, wobei dazwischen das Gehäuse 12 angeordnet ist, wird eine Kühlung für die Membran 14 bereitgestellt, was vorteilhaft ist. Durch das vergleichsweise geringe Volumen des Teilvolumens 16 wird bei einer Bewegung der Membran 14 ein vergleichsweiser hoher Druck in dem Teilvolumen 16 generiert. Dieser kann zu einem Temperaturgradienten in dem Teilvolumen 16 führen, wie es anhand von 8a dargestellt ist, wo die Öffnung 24₁ benachbart zur ASIC 28 angeordnet ist. Gemäß alternativer Ausführungsbeispiele kann die Öffnung 24₁ auch benachbart zu der Membran 14 oder an einem anderen Ort angeordnet sein. Hin zu der Öffnung 24₁ kann die Temperatur in dem Teilvolumen 16 abnehmen. Die Membran kann durch eine entsprechende Druckänderung ausgelenkt werden. Die erhaltene Kompression in einem oder beiden Teilvolumina kann zu einer Erwärmung derselben führen. Die zweite Öffnung 22₁ kann konfiguriert sein, um die Erwärmung zumindest teilweise zu reduzieren. Das Systemvolumen 38 kann einen vergleichsweise geringeren Temperaturwert aufweisen, so dass das Gehäuse 12 als Kühlkörper für das Teilvolumen 16 wirken kann.
8b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Sensorsystems 80, bei dem die Geschwindigkeit des Fluids in dem Teilvolumen 16 sowie dem Systemvolumen 38 dargestellt ist. Die Geschwindigkeit ist im Bereich der Öffnung 24₁ gegenüber anderen Orten in dem Teilvolumen 16 und dem Systemvolumen 38 erhöht.
8c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Sensorsystems 80, bei dem eine Erwärmung der Gehäusestrukturen 12₁ und 34₁ dargestellt ist. Es wird deutlich, dass die Gehäusestrukturen durch die Erwärmung des Teilvolumens 16 ebenfalls erwärmt werden, wobei die dorthin abgegebene Wärmeenergie aus dem Teilvolumen 16 abgeführt wird. Ebenfalls zeigt die 8c, dass das Gehäuse 12₁ dort direkt angrenzendes Fluid in dem Teilvolumen 16 kühlen kann, was zu einem verbesserten Verhalten des MEMS-Mikrofons führen kann.
Anhand der 9a und 9b wird eine schematische Gegenüberstellung eines Bottom-Port-Mikrofons (9a) gegenüber einem Dual-Port-Mikrofon gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen (9b) vorgenommen. Durch den zusätzlichen Sound Port, das bedeutet, die Kombination mit dem Systemvolumen 38, ist ein unterer Bereich 48 des Frequenzgangs ebenso wie ein mittlerer Bereich 52 geringfügig angehoben. Die Eckfrequenz im oberen Frequenzbereich 54 wird jedoch verringert, was einen Auslegungsparameter darstellt.
Anhand der 10 wird ein MEMS-Sensor 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben, der alternativ oder zusätzlich zu den anderen hierin beschriebenen MEMS-Sensoren in MEMS-Sensorsystemen angeordnet werden kann.
10 zeigt dabei eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Sensors 100. Der MEMS-Sensor 100 umfasst das Sensorgehäuse 12 und die Membran 14, die in dem Sensorgehäuse angeordnet ist, wie es beispielsweise für den MEMS-Sensor 10 beschrieben ist. Durch die Anordnung der Membran 14 wird das Volumen in dem Sensorgehäuse 12 so aufgeteilt, dass zumindest das erste Teilvolumen 16 und das zweite Teilvolumen 18 entsteht, die an unterschiedlichen Hauptseiten 22₁ und 22₂ der Membran 14 angrenzen. Wie es ebenfalls für den MEMS-Sensor 10 beschrieben ist, weist das Sensorgehäuse 12 Öffnungen 24₁ und 24₂ auf. Verglichen mit dem MEMS-Sensor 10 ist zwar eine Öffnung akustisch transparent ausgestaltet, so dass beispielsweise das Teilvolumen 16, alternativ das Teilvolumen 18, mit der äußeren Umgebung 26 des Sensorgehäuses 12 verbunden ist. Die zweite Öffnung 22₂ , die beispielsweise zum Teilvolumen 18 bzw. Teilvolumen 16 heranreicht ist jedoch mit einem elastischen Element 44 versehen, das in der Öffnung 24₂ angeordnet ist. Das elastische Element 44 ist ausgebildet, um basierend auf einem Fluiddruck in der äußeren Umgebung 38 bzw. in dem Systemvolumen des MEMS-Sensorsystems, sofern eine entsprechende Integration erfolgt, den Inhalt des Teilvolumens 18 zu verändern, wie es durch die schraffierte Fläche 46 angedeutet ist. Das elastische Element 44 kann fluidisch dicht ausgebildet sein. Das bedeutet, dass durch einen Druck in der äußeren Umgebung 26 bzw. in dem Systemvolumen 38 eine Auslenkung des elastischen Elements 44 erfolgen kann, so dass das Teilvolumen 16 im Inneren des Sensorgehäuses 12 veränderlich ist, beispielsweise reduziert oder alternativ vergrößert wird.
Dies ermöglicht die Anpassung des Frequenzgangs der Membran 14 durch einen in dem entsprechenden Teilvolumen herrschenden Druck, was alternativ oder zusätzlich zur Veränderung des Volumens möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst ein MEMS-Sensorsystem eine Steuereinheit, die ausgebildet ist, um einen Laufzeitunterschied eines akustischen Signals zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung auszuwerten, und um unter Verwendung eines Auslenksignals, das auf einer Auslenkung der Membran 14 basiert oder basierend auf einem hiervon abgeleiteten Signal, etwa durch Signalverarbeitung, eine aktive Schallunterdrückung bezüglich des Auslenksignals bereitzustellen. So können beispielsweise Laufzeitunterschiede einer Schallwelle durch die Öffnung 22₁ verglichen mit einer Laufzeit durch die Öffnung 22₂ dazu führen, dass ein gleiches oder identisches Schallmuster zu unterschiedlichen Zeitpunkten an die Membran 14 auftrifft, so dass eine zeitversetzte Beeinflussung der Membran 14 erfolgt. Diese kann in der Membran 14 ausgewertet werden. Alternativ ist es ebenfalls möglich, die entsprechenden einzelnen Signalverläufe beispielsweise in den Öffnungen 22₁ und 22₂ auszuwerten. Dies kann beispielsweise über die Anordnung einer ersten und einer zweiten Membran erfolgen. Ein MEMS-Sensorsystem kann eine Ausleseschaltung aufweisen, die beispielsweise in dem als Schaltung gebildeten Gehäuseteil 12₂ integriert sein kann. Die Ausleseschaltung kann konfiguriert sein, um ein verarbeitetes Auslenksignal, das mit der Auslenkung der Membran 14 korreliert, zu erhalten und/oder bereitzustellen. Hierfür können Schaltungsstrukturen des Gehäuseteils 12₂ beispielsweise mit der ASIC verbunden sein. Die Anordnung des elastischen Elements ist mit dem anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel kombinierbar. So kann beispielsweise der MEMS-Sensor 10, 20, 40, 55 und/oder 65 und/oder 75 mit einem derartigen elastischen Element ausgestattet sein.
11 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Sensorsystems 110, bei dem der MEMS-Sensor 100 in dem Systemgehäuse 34 angeordnet ist. Das MEMS-Sensorsystem 110 umfasst eine Drucksteuereinrichtung 56 zum Steuern des Fluiddrucks P in dem Systemvolumen 38. Die Steuerung des Drucks P kann basierend auf einer Vorgabeinformation erfolgen, die mit einem einzustellenden Frequenzgang der Membran 14 korreliert. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Tabelle (Lookup-Table) handeln und/oder um einen vorgegebenen Wert eines Drucks, der in dem Systemvolumen 38 und/oder dem Teilvolumen 16 einzustellen ist. Die Drucksteuereinrichtung 56 kann ausgebildet sein, um den Fluiddruck P in dem Systemvolumen 38 und/oder dem Teilvolumen 16 basierend hierauf einzustellen. Der Druckregler 56 kann einen Aktuator, bspw. eine Pumpe umfassen, die mit einem Fluidreservoir, bspw. ein separat vorgesehenes Volumen oder eine Umgebung der der Vorrichtung gekoppelt ist, etwa um das Fluid aus dem Reservoir Systemvolumen 38 und/oder dem Teilvolumen 16 zu leiten um den Druck P zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann der Druckregler 56 ausgebildet sein, um Fluid aus dem Systemvolumen 38 und/oder dem Teilvolumen 16 abzuleiten, um den Druck P zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich kann der Druckregler 56 ausgebildet sein, um den Druck basierend auf einer thermischen Ausdehnung des Fluids zu steuern. Hierfür kann der Druckregler 56 bspw. ein Heizelement wie etwa einen Infrarot-Heizer umfassen, um durch Erzeugen oder Bereitstellen thermischer Energie eine Volumenausdehnung und einen Druckanstieg zu erzeugen, wobei eine Abnehme der Heizleistung für eine Druckreduzierung nutzbar sein kann.
MEMS-Sensoren gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen können ferner einen optischen und/oder thermischen Emitter aufweisen, so dass der MEMS-Sensor als fotoakustischer Gassensor gebildet ist. Derartige fotoakustische Gassensoren können ebenso wie MEMS-Mikrofone eine auslenkbare Membran nutzen, um basierend auf einer Wechselwirkung zwischen der ausgesendeten thermischen Strahlung und einem Gas in dem Teilvolumen 16 und/oder 18 ausgelenkt zu werden, wobei diese Auslenkung Rückschlüsse auf ein Gas zwischen dem optischen und/oder thermischen Emitter und der Membran 14 ermöglicht.
12 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1200 zum Herstellen eines MEMS-Sensorsystems, beispielsweise einem MEMS-Sensorsystem gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen. Das Verfahren 1200 umfasst einen Schritt 1210, in dem ein Anordnen einer Membran in einem Systemvolumen eines MEMS-Sensorsystems erfolgt, so dass die Membran zwischen einem ersten Teilvolumen des MEMS-Sensorsystems und einem zweiten Teilvolumen des MEMS-Sensorsystems angeordnet ist. Das zweite Teilvolumen ist so ausgestaltet, dass ein Frequenzgang der Membran ansprechend auf eine Druckänderung in einer Systemumgebung, die mit dem ersten Teilvolumen fluidisch gekoppelt ist, an eine Zielvorgabe angepasst ist. Der Frequenzgang beinhaltet dabei die Eckfrequenz. Diese kann typischerweise in einem Bereich von zumindest 1 Hz und höchstens 200 Hz, zumindest 1,5 Hz und höchstens 150 Hz oder zumindest 2 Hz und höchstens 90 Hz eingestellt werden.
Das Verfahren 1200 kann so ausgeführt sein, dass die Membran als Differenzdrucksensor bereitgestellt wird, der in Abwesenheit eines Gehäuses gebildet ist, wobei das Anordnen der Membran eine Integration des Differenzdrucksensors in das Systemvolumen umfasst.
Das bedeutet, dass beispielsweise unter erneuter Bezugnahme auf die 2 der MEMS-Sensor in Abwesenheit des Sensorgehäuses gebildet wird, um eine Integration des entsprechenden MEMS-Sensors in das Systemvolumen 38 direkt zu ermöglichen. Das Lid, das bedeutet, dass Sensorgehäuse 12 bzw. der Gehäuseteil 12₁ kann beispielsweise dafür vorgesehen sein, eine mechanische Beschädigung der Membran 14 während einer Herstellung und/oder eines Transports des MEMS-Sensors zu verhindern. Ist eine entsprechende Schutzaufgabe vermeidbar oder wird die Anforderung nicht gestellt, so kann basierend auf der Anpassung des Frequenzgangs durch das Systemvolumen 38 auf eine Anordnung des Lids verzichtet werden.
MEMS-Sensoren und MEMS-Sensorsysteme ermöglichen eine einfache und robuste Verarbeitung und/oder einen entsprechenden Transport der MEMS-Sensoren. Gemäß Ausführungsbeispielen kann die Aufbringung eines Chips (MEMS-Sensor) auf einen System-Chip oder Träger, was auch als DIE-Bonding-Process bezeichnet wird, vermieden werden, da dieser direkt während der Fertigung des MEMS-Sensorsystems, beispielsweise ein Mobiltelefon oder dergleichen, erfolgen kann und somit während der Herstellung des MEMS-Sensors ausgelassen werden kann. Gleichgebildete MEMS-Sensoren können für eine hohe Anzahl unterschiedlicher MEMS-Sensorsysteme eingesetzt werden, da eine Anpassung an das jeweilige Aufgabengebiet durch das Systemvolumen erfolgen kann. Dies ermöglicht auch einen schnellen Herstellungsprozess. Für Endanwender ermöglicht dies den Vorteil, den Frequenzgang der Membran 14, insbesondere die Eckfrequenz selbst zu definieren, indem das Systemvolumen entsprechend angepasst wird. Der Absolutdruck und/oder der Umgebungsdruck können hierbei mit dem Systemvolumen korrelieren. Dies ermöglicht auch zusätzliche Sensormöglichkeiten, beispielsweise einen Absolutdrucksensor als zweite Membran, die auf dem externen Gehäuse angeordnet wird. Diese Möglichkeiten können unter Beibehaltung bestehender Layouts integriert werden. Gemäß Beispielen kann eine komplett identische Geometrie genutzt werden und/oder eine unveränderte Anschlussführung (Pinout). Das Signal kann dennoch in seiner Charakteristik verändert werden.
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.
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-Sensor mit: einem Sensorgehäuse (12); einer Membran (14), die in dem Sensorgehäuse (12) angeordnet ist, wobei ein erstes Teilvolumen (16)des Sensorgehäuses (12) an einer ersten Hauptseite (22₁) der Membran (14) angrenzt und ein zweites Teilvolumen (18) des Sensorgehäuses (12) an einer zweiten Hauptseite (22₂) der Membran (14) angrenzt, wobei die zweite Hauptseite (22₂) der ersten Hauptseite (22₁) gegenüberliegend angeordnet ist; einer ersten Öffnung (24₁) in dem Sensorgehäuse (12), die das erste Teilvolumen (16) akustisch transparent mit einer äußeren Umgebung (26) des Sensorgehäuses (12) verbindet; und einer zweiten Öffnung (24₂) in dem Sensorgehäuse (12), die das zweite Teilvolumen (18) akustisch transparent mit der äußeren Umgebung (26) des Sensorgehäuses (12) verbindet.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1, der ausgebildet ist, um unter Vermeidung eines fluidischen Kurzschlusses zwischen der ersten Öffnung (24₁) und der zweiten Öffnung (24₂) in ein MEMS-Sensorsystem integriert zu werden.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einem akustisch transparenten Material (42), das in der ersten und/oder zweiten Öffnung (24₁, 24₂) angeordnet ist, und eine Signaldämpfung von höchstens 3 dB(A) aufweist.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 3, bei dem das akustisch transparente Material (42) akustisch gekoppelt ist.
MEMS-Sensor gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem das akustisch transparente Material (42) porös gebildet ist.
MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem das akustisch transparente Material (42) eine Wasserdichtigkeit und/oder ein Hindernis für das Hindurchtreten von Partikeln für das erste Teilvolumen (16) oder das zweite Teilvolumen (18) bereitstellt.
MEMS-Sensor gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem das akustisch transparente Material (42) eine Einstellung einer akustischen Kopplung zwischen dem benachbarten Teilvolumen (16; 18) und der äußeren Umgebung (26) bereitstellt.
MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das zweite Teilvolumen (18) durch eine Druckänderung erwärmbar ist, wobei die zweite Öffnung (24₂) konfiguriert ist, um die Erwärmung zumindest teilweise zu reduzieren.
MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der als MEMS-Schallwandler gebildet ist.
MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem elastischen Element (46), das entweder in der ersten Öffnung (24₁) oder in der zweiten Öffnung (24₂) angeordnet ist und ausgebildet ist, um basierend auf einem Fluiddruck (P) in der äußeren Umgebung (26) einen Inhalt des ersten oder zweiten Teilvolumens (16, 18) zu verändern.
MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Membran (14) zumindest eine Membranöffnung (32) aufweist, die das erste Teilvolumen (16) und das zweite Volumen (18) fluidisch mit einander koppelt, wobei eine Kopplung durch die Membranöffnung (32) als Tiefpass für eine Druckänderung in dem ersten Teilvolumen (16) und/oder zweiten Teilvolumen (18) wirkt.
MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche mit einer Auswerteeinrichtung (28), die konfiguriert ist, um ein Auslenksignalsignal von der Membran (14) zu erhalten, das Informationen über eine Auslenkung der Membran (14) aufweist, und um ein verarbeitetes Auslenksignal basierend auf einer Verarbeitung des Auslenksignals bereitzustellen, wobei die Auswerteeinrichtung (28) innerhalb des Sensorgehäuses (12) angeordnet ist.
MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Ausleseschaltung, die konfiguriert ist, um ein verarbeitetes Auslenksignal, das auf einer Auslenkung der Membran (14) basiert zu erhalten und, um ein Sensorsignal bereitzustellen, wobei die Ausleseschaltung mit einer Systemschaltung elektrisch verbindbar ist.
MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der einen optischen Emitter aufweist und als photoakustischer Gassensor gebildet ist.
MEMS-Sensor mit einem Sensorgehäuse (12); einer Membran (14), die in dem Sensorgehäuse (12) angeordnet ist, wobei ein erstes Teilvolumen des Sensorgehäuses (12) an einer ersten Hauptseite (22₁) der Membran (14) angrenzt und ein zweites Teilvolumen (18) des Sensorgehäuses (12) an einer zweiten Hauptseite (22₂) der Membran (14) angrenzt, wobei die zweite Hauptseite (22₂) der ersten Hauptseite (22₁) gegenüberliegend angeordnet ist; einer ersten Öffnung (24₁) in dem Sensorgehäuse (12), die das erste Teilvolumen (16) akustisch transparent mit einer äußeren Umgebung (26) des Sensorgehäuses (12) verbindet; und einer zweiten Öffnung (24₂) in dem Sensorgehäuse (12), die an das zweite Teilvolumen (18) angrenzt; einem elastischen Element (46), das in der zweiten Öffnung (24₂) angeordnet ist und ausgebildet ist, um basierend auf einem Fluiddruck (P) in der äußeren Umgebung (26) einen Inhalt des zweiten Teilvolumens (18) zu verändern.
MEMS-Sensorsystem mit: einem Systemgehäuse (34), das ein Systemvolumen (38) aufweist; und einem MEMS-Sensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das Systemvolumen (38) entweder über die erste Öffnung (24₁) mit dem ersten Teilvolumen (16) oder über die zweite Öffnung (24₂) gekoppelt ist, wobei der MEMS-Sensor über die andere Öffnung der ersten und zweiten Öffnung mit einer Umgebung (26) des MEMS-Sensorsystems fluidisch gekoppelt ist; wobei das Systemvolumen eine Resonanzfrequenz der Membran (14) für einen Fluidschall in der Umgebung des MEMS-Sensorsystem einstellt.
MEMS-Sensorsystem gemäß Anspruch 16, bei dem mit einer Ausleseschaltung, die konfiguriert ist, um ein verarbeitetes Auslenksignal, das mit einer Auslenkung der Membran (14) korreliert, zu erhalten und/oder bereitzustellen, wobei das MEMS-Sensorsystem eine Systemschaltung aufweist, die mit der Ausleseschaltung elektrisch verbunden ist.
MEMS-Sensorsystem gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem das Systemgehäuse (34) ausgebildet ist, um einen fluidischen Kurzschluss zwischen der ersten Öffnung (24₁) und der zweiten Öffnung (24₂) zu vermeiden.
MEMS-Sensorsystem gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Steuereinheit, die ausgebildet ist, um einen Laufzeitunterschied eines akustischen Signals zwischen der ersten Öffnung (24₁) und der zweiten Öffnung (24₂) auszuwerten, und um unter Verwendung eines Auslenksignals, das auf einer Auslenkung der Membran (14) basiert oder basierend auf einem hiervon abgeleiteten Signal eine aktive Schallunterdrückung bezüglich des Auslenksignals bereitzustellen.
MEMS-Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, mit einem porösen Material (42), das in der Öffnung zwischen dem MEMS-Sensor (24₂) und dem Systemvolumen (38) angeordnet ist.
MEMS-Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, mit einem elastischen Element (46), so entweder in der ersten Öffnung (24₁) oder in der zweiten Öffnung (24₂) angeordnet ist, dass das erste Teilvolumen (16) oder das zweite Teilvolumen (18) und das Systemvolumen (38) durch das elastische Element (46) von einander beabstandet sind, wobei das elastische Element (46) ausgebildet ist, um basierend auf einem Fluiddruck (P) in dem Systemvolumen (38) einen Frequenzgang der Membran (14) zu beeinflussen
MEMS-Sensorsystem gemäß Anspruch 21, mit einer Drucksteuereinrichtung (56) zum Steuern des Fluiddrucks (P) in dem Systemvolumen (38) basierend auf einer Vorgabeinformation, die mit einem einzustellenden Frequenzgang der Membran (14) korreliert.
MEMS-Sensorsystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22, das als mobile Vorrichtung, insbesondere als Mobiltelefon ausgeführt ist.
Verfahren (1200) zum Herstellen eines MEMS-Sensorsystems mit folgenden Schritten: Anordnen (1210) einer Membran in einem Systemvolumen eines MEMS-Sensorsystems, so dass die Membran zwischen einem ersten Teilvolumen des MEMS-Sensorsystems und einem zweiten Teilvolumen des MEMS-Sensorsystems angeordnet ist, wobei das zweite Teilvolumen (18) so ausgestaltet ist, dass ein Frequenzgang der Membran ansprechend auf eine Druckänderung in einer Systemumgebung, die mit dem ersten Teilvolumen fluidisch gekoppelt ist, an eine Zielvorgabe angepasst ist.
Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 24, bei dem die Membran als Differenzdrucksensor bereitgestellt wird, der in Abwesenheit eines Gehäuses gebildet ist, wobei das Anordnen der Membran eine Integration des Differenzdrucksensors in das Systemvolumen umfasst.