DE102022106135A1

DE102022106135A1 - Mems-die und mems-basierter sensor

Info

Publication number: DE102022106135A1
Application number: DE102022106135.3A
Authority: DE
Inventors: Peter V. Loeppert; Michael Pedersen; Vahid Naderyan
Original assignee: Knowles Electronics LLC
Current assignee: Knowles Electronics LLC
Priority date: 2021-03-21
Filing date: 2022-03-16
Publication date: 2022-09-22
Also published as: CN115119120A; US20220298005A1

Abstract

Ein MEMS-Die (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) umfasst einen Kolben; eine dem Kolben gegenüberliegende Elektrode, wobei sich eine Kapazität zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert, wenn sich der Abstand zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert; und eine elastische Struktur (beispielsweise eine Dichtung oder eine gefaltete Wand), die zwischen dem Kolben und der Elektrode angeordnet ist, wobei die elastische Struktur den Kolben stützt und der Bewegung des Kolbens in Bezug auf die Elektrode widersteht. Ein Rückvolumen wird durch den Kolben und die elastische Struktur begrenzt, und die elastische Struktur verhindert, dass Luft das Rückvolumen verlässt. Der Kolben kann ein starrer Körper aus einem leitfähigen Material, wie Metall oder einem dotierten Halbleiter, sein. Der MEMS-Die kann auch eine zweite elastische Struktur umfassen, die den Kolben weiter stützt und im Rückvolumen angeordnet ist.

Description

BEREICH DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung betrifft Mikroelektromechanische-System (MEMS) -Dies und MEMS-basierte Sensoren.
HINTERGRUND
Mikrofonanordnungen, die Mikroelektromechanische Systeme (MEMS-Die) umfassen, wandeln akustische Energie in ein elektrisches Signal um. Die Mikrofonanordnungen können unter anderem in Mobilvorrichtungen, Laptops, Haushaltsgeräten und anderen Geräten und Maschinen eingesetzt werden. Ein wichtiger Parameter für eine Mikrofonanordnung ist das akustische Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), das den gewünschten Signalpegel (beispielsweise die Signalamplitude aufgrund von akustischen Störungen, die von der Mikrofonanordnung erfasst werden) mit dem Pegel des Hintergrundrauschens vergleicht. Bei Mikrofonanordnungen, die akustische MEMS-Dies umfassen, begrenzt das SNR häufig die kleinstmöglichen Abmessungen und die Gesamtgröße des Packages der Mikrofonanordnung.
Figurenliste
Die vorgenannten und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser ersichtlich. Diese Zeichnungen zeigen nur einige Ausführungsformen gemäß der Offenbarung und sind daher nicht als einschränkend für deren Umfang anzusehen.

1 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Mikrofons gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein Signal-Lumped-Element-Modell für das MEMS-Mikrofon von 1, nach einer Ausführungsform.
3 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Mikrofons, die eine thermische Grenzschicht innerhalb eines Rückvolumens des MEMS-Mikrofons zeigt, gemäß einer Ausführungsform.
4 ist ein Signal-Lumped-Element-Modell für das MEMS-Mikrofon von 3, nach einer Ausführungsform.
5 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die, nach einer Ausführungsform.
6 ist eine Teilreproduktion von 5, die einen Bereich in der Nähe eines Rückvolumens für das MEMS-Die zeigt.
7 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die mit piezoelektrischen Elementen nach einer Ausführungsform.
8 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die mit piezoelektrischen Elementen, nach einer anderen Ausführungsform.
9 ist ein Diagramm des akustischen Rauschens als Funktion des Rückvolumens für eine MEMS-Die, gemäß einer Ausführungsform.
10 ist ein Diagramm, das die Variation der thermischen Grenzschichtdicke in Abhängigkeit von der Tonfrequenz zeigt.
11 ist ein Diagramm, das die akustische Dämpfung als Funktion der Frequenz sowohl einer herkömmlichen Mikrofonanordnung als auch einer Mikrofonanordnung, die gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung konfiguriert ist, als Funktion der Höhe des Spalts innerhalb einer MEMS-Die zeigt.
12 ist ein Diagramm des akustischen SNR als Funktion der Höhe der Spalte in einer MEMS-Die.
13 ist ein Diagramm des akustischen SNR und der Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Höhe der Spalte in einem MEMS-Die.
14 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die gemäß einer anderen Ausführungsform.
15 ist ein Diagramm des akustischen SNR in Abhängigkeit von der Höhe der Spalte in einer MEMS-Die, die nach einer Ausführungsform über einen Bereich von verschiedenen Durchdringungsdurchmessern der Membran für das MEMS-Die konfiguriert ist.
16 ist eine perspektivische Ansicht und ein Schnitt durch eine MEMS-Die gemäß einer anderen Ausführungsform.
17 ist eine seitliche Querschnittsansicht der MEMS-Die von 16.
18 ist eine perspektivische Schnittansicht eines MEMS-Die gemäß einer anderen Ausführungsform.
19 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die gemäß einer anderen Ausführungsform.
20 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Die, der gemäß einer Ausführungsform integral auf einer integrierten Schaltung ausgebildet ist.
21 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Mikrofonanordnung nach einer Ausführungsform.
22 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Mikrofonanordnung nach einer anderen Ausführungsform.
23 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Mikrofonanordnung nach einer anderen Ausführungsform.
24A ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die, die einen beweglichen Kolben aufweist, nach einer Ausführungsform.
24B ist eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Die, der eine Variation des MEMS-Die von 24A ist.
24C ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht einer möglichen Implementierung der Elektrode von 24A.
24D ist eine Draufsicht auf eine andere mögliche Implementierung der Elektrode von 24A.
25A ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die, die gemäß einer Ausführungsform einen beweglichen Kolben aufweist.
25B ist eine Draufsicht auf den Kolben, die Wände und die externen Leiter einer möglichen Implementierung der MEMS-Die von 25A.
25C ist eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Die, der eine Variante des MEMS-Die von 25A ist.
25D ist eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Dies, das eine weitere Variante des MEMS-Dies von 25A ist.
25E ist eine partielle perspektivische Querschnittsansicht einer möglichen Implementierung des Substrats des MEMS-Die aus 25A.
25F ist eine Querschnittsansicht von oben auf eine andere mögliche Implementierung des Substrats des MEMS-Die von 25A.
26A ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die, die einen beweglichen Kolben gemäß einer Ausführungsform aufweist.
26B ist eine perspektivische Teilquerschnittsansicht einer möglichen Implementierung des Substrats des Kolbens von 26A.
26C ist eine Ansicht von unten nach oben auf eine mögliche Implementierung des Kolbens der MEMS-Die von 26A.
26D ist eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Die, der eine Variante des MEMS-Die von 26A ist.
26E ist eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Dies, das eine weitere Variante des MEMS-Dies von 26A ist.
26F ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die, die eine weitere Variation der MEMS-Die von 26A ist, gemäß einer anderen Ausführungsform.
27 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die, die eine Anordnung mit zwei Membranen umfasst, gemäß einer Ausführungsform.
28A ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die, die eine Anordnung mit zwei Membranen umfasst, gemäß einer anderen Ausführungsform.
28B ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Die, die eine Anordnung mit einer Membran umfasst, aber mit derselben Hülle und demselben Substrat wie das MEMS-Die von 28A, gemäß einer Ausführungsform.
28C ist eine seitliche Querschnittsansicht einer Variante des MEMS-Die von 28B.
29 ist ein Sensor, der das MEMS-Die von 27 enthält, gemäß einer Ausführungsform.
30 ist ein Sensor, der as MEMS-Die von 28A enthält, gemäß einer Ausführungsform.
31A und 31B zeigen die Operation einer MEMS-Vorrichtung mit Dielektrikum, gemäß einer Ausführungsform.
32 zeigt die Operation einer MEMS-Vorrichtung mit dielektrischem Motor gemäß einer anderen Ausführungsform.
33 ist eine perspektivische Ansicht einer MEMS-Anordnung mit zwei Membranen und festem Dielektrikum gemäß einer Ausführungsform.
34 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer MEMS-Vorrichtung, die die Anordnung von 33 gemäß einer Ausführungsform aufweist.
35 ist eine seitliche Querschnittsansicht einer anderen MEMS-Vorrichtung, die die Anordnung von 33 aufweist, gemäß einer Ausführungsform.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hier werden verschiedene Arten von MEMS-Dies (Mikro-Elektro-Mechanische Systeme) und Sensoren beschrieben, die solche MEMS-Dies enthalten.
Nach einer Ausführungsform weist ein MEMS-Die ein Rückvolumen auf, bei dem jeder Punkt innerhalb des Rückvolumens nicht mehr als die Breite einer thermischen Grenzschicht von einer festen Oberfläche entfernt ist.
Nach einer Ausführungsform umfasst eine MEMS-Die einen Kolben; eine dem Kolben gegenüberliegende Elektrode, wobei sich eine Kapazität zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert, wenn sich der Abstand zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert; und eine elastische Struktur (beispielsweise eine Dichtung oder eine gefaltete Wand), die zwischen dem Kolben und der Elektrode angeordnet ist, wobei die elastische Struktur den Kolben stützt und der Bewegung des Kolbens in Bezug auf die Elektrode widersteht. Ein Rückvolumen wird durch den Kolben und die elastische Struktur begrenzt, und die elastische Struktur verhindert, dass Luft das Rückvolumen verlässt. Der Kolben kann ein starrer Körper sein, der aus einem leitfähigen Material, wie Metall oder einem dotierten Halbleiter, besteht. Die MEMS-Die kann auch eine zweite elastische Struktur umfassen, die dem Kolben weiteren Halt gibt und im Rückvolumen angeordnet ist. Nach einigen Ausführungsformen umfasst der Kolben eine gesonderte Schicht aus leitfähigem Material (beispielsweise eine Elektrode, die gesondert und aus einem anderen Material als der Rest des Kolbens hergestellt ist).
Nach einer Ausführungsform umfasst das MEMS-Die des Weiteren ein Substrat, das die federnde Struktur und die Elektrode trägt. Es gibt viele mögliche Konfigurationen für das Substrat. Beispiele umfassen: (a) das Substrat weist Säulen auf, wobei die Elektrode zwischen den Säulen verteilt ist, (b) das Substrat umfasst eine elektrisch isolierende Schicht, in die die Elektrode eingebettet ist, (c) das Substrat weist eine Vielzahl von Kanälen auf (beispielsweise Zwischenräume zwischen Säulen im Substrat oder eine Vielzahl von Kanälen, die zu Ringen geformt sind), und die Abmessungen der Kanäle sind so, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist.
Es gibt auch viele mögliche Konfigurationen für den Kolben. Beispiele umfassen: (a) der Kolben weist Säulen auf, (b) der Kolben weist eine Vielzahl von Kanälen auf (beispielsweise Zwischenräume zwischen Säulen im Substrat oder eine Vielzahl von Kanälen, die zu Ringen geformt sind) und die Abmessungen der Kanäle sind so, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle kleiner ist als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche.
Nach einer Ausführungsform weist das MEMS-Die auch Stützwände und externe Leiter auf, wobei jeder Leiter an einem Ende mit dem Kolben und am anderen Ende mit einer Stützwand verbunden ist. Die MEMS-Die kann auch eine Entlüftung umfassen (beispielsweise im Kolben oder in der federnden Struktur). Die Entlüftung ist so konfiguriert, dass sie einen Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen und einem Bereich (beispielsweise einem Volumen) außerhalb der MEMS-Die bei nicht-akustischen Frequenzen ermöglicht.
Der MEMS-Die kann Teil eines Sensors (beispielsweise eines akustischen Sensors) sein, bei dem der MEMS-Die ein Signal ausgibt, das auf einer Änderung der Kapazität zwischen dem Kolben und der Elektrode basiert, die sich aus einer Änderung des Abstands zwischen dem Kolben und der Elektrode ergibt. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Sensor eine Spannungsquelle für die Vorspannung. In einigen Ausführungsformen ist der Kolben elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden (beispielsweise über einen externen Leiter), und die Elektrode gibt das Signal aus. In anderen Ausführungsformen ist die Elektrode elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden, und der Kolben gibt das Signal aus (beispielsweise an einen integrierten Schaltkreis). Nach einigen Ausführungsformen gibt es eine zweite Elektrode, die dem Kolben zugewandt ist, und die erste Elektrode ist elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden, und die zweite Elektrode gibt das Signal aus. Der Sensor kann eine Basis und eine an der Basis befestigte Dose umfassen, wobei das MEMS-Die in der Dose angeordnet ist und Schall in die Dose eindringt und eine Bewegung des Kolbens bewirkt, wodurch eine Abstandsänderung zwischen dem Kolben und der Elektrode verursacht wird.
Nach einer Ausführungsform umfasst ein Sensor eine MEMS-Die, die eine Hülle aufweist; eine Membran, die über einer Öffnung der Hülle angeordnet ist, wobei die Membran eine erste Elektrode umfasst und die Hülle und die Membran ein Rückvolumen umschließen; eine zweite Elektrode, die außerhalb des Rückvolumens angeordnet ist und der Membran gegenüberliegt. Jeder Punkt innerhalb des Rückvolumens ist weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt. Während der Operation des Sensors gibt der MEMS-Die ein Signal aus, das auf einer Kapazitätsänderung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode basiert, die auf einer Änderung des Abstands zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode beruht. Nach einigen Ausführungsformen umfasst der MEMS-Die auch eine zweite Membran, die der zweiten Elektrode gegenüberliegt, wobei die zweite Membran eine dritte Elektrode aufweist und die zweite Elektrode zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist. Während der Operation gibt der MEMS-Die ein zweites Signal aus, das auf einer Kapazitätsänderung zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode basiert, die auf einer Änderung des Abstands zwischen der dritten Elektrode und der zweiten Elektrode beruht. Stützen, die die erste Membran und die zweite Membran verbinden, können sich durch die zweite Elektrode erstrecken. Der Sensor kann auch eine Basis umfassen, die einen Port und eine an der Basis befestigte Dose aufweist, wobei das MEMS-Die in der Dose angeordnet ist und wobei Schall durch den Port eintritt und die Membran während der Operation des Sensors in Bewegung setzt.
Nach einigen Ausführungsformen definieren die erste Membran und die zweite Membran einen abgedichteten Bereich, in dem der Druck niedriger als der atmosphärische Druck ist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist die Hülle eine Vielzahl von Säulen auf, und zwischen den Säulen ist eine Vielzahl von Kanälen definiert. In anderen Ausführungsformen sind ringförmige Kanäle in der Hülle ausgebildet.
Nach Ausführungsform umfasst eine MEMS-Die eine Hülle; eine erste Membran, die über einer Öffnung der Hülle angeordnet ist, wobei die Hülle und die erste Membran ein Rückvolumen definieren und jeder Punkt innerhalb des Rückvolumens weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist; eine zweite Membran, die außerhalb des Rückvolumens angeordnet ist und der ersten Membran gegenüberliegt; ein festes Dielektrikum, das zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist, wobei das feste Dielektrikum Öffnungen aufweist; eine erste Elektrode, die in Längsrichtung entlang und parallel zu einer Achse ausgerichtet ist, wobei die erste Elektrode ein erstes Ende aufweist, das mit der ersten Membran verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der zweiten Membran verbunden ist, wobei sich die erste Elektrode durch eine Blende erstreckt; eine zweite Elektrode, die in Längsrichtung entlang und parallel zu der Achse ausgerichtet ist, wobei die zweite Elektrode ein erstes Ende aufweist, das an der zweiten Membran befestigt ist, und ein zweites Ende, das innerhalb einer Blende angeordnet ist; und eine dritte Elektrode, die in Längsrichtung entlang und parallel zu der Achse ausgerichtet ist, wobei die dritte Elektrode ein erstes Ende aufweist, das an der ersten Membran befestigt ist, und ein zweites Ende, das innerhalb einer Blende angeordnet ist. Das zweite Ende der zweiten Elektrode und das zweite Ende der dritten Elektrode können innerhalb der gleichen Blende angeordnet sein.
Nach einer Ausführungsform (a) ist die erste Elektrode eine aus einem ersten Satz von Elektroden, von denen jede ein erstes Ende aufweist, das mit der ersten Membran gekoppelt ist, ein zweites Ende, das mit der zweiten Membran gekoppelt ist, und die sich durch eine Öffnung der Vielzahl von Blenden erstreckt, (b) ist die zweite Elektrode eine aus einem zweiten Satz von Elektroden, (b) die zweite Elektrode ist eine aus einem zweiten Satz von Elektroden, von denen jede ein erstes Ende aufweist, das an der zweiten Membran befestigt ist, und ein zweites Ende, das in einer Blende angeordnet ist, und (c) die dritte Elektrode ist eine aus einem dritten Satz von Elektroden, von denen jede ein erstes Ende aufweist, das an der ersten Membran befestigt ist, und ein zweites Ende, das in einer Blende angeordnet ist.
Druckmikrofone umfassen in der Regel eine Membran, die auf den Druckunterschied auf beiden Seiten der Membran reagiert. Bei einem omnidirektionalen Mikrofon 10 ist eine Seite der Membran 12 mit der Außenumgebung 14 verbunden, und der Druck auf dieser Seite der Membran 12 ist die Summe aus dem atmosphärischen Druck (P_atm) und dem gewünschten akustischen Signal (P_ac). Der Druck auf der anderen Seite der Membran 12 wird durch ein Rückvolumen 16 erzeugt, das von der Außenumgebung 14 akustisch isoliert ist, in dem jedoch der atmosphärische Druck durch ein kleines akustisches Leck 15 erhalten bleibt.
Ein Signal-Lumped-Element-Modell für das omnidirektionale Mikrofon 10 von 1 ist in 2 dargestellt. Die Nachgiebigkeit der Membran 12 und das Rückvolumen 16 werden durch die Kondensatoren C_D bzw. C_BV dargestellt. Der Widerstand des akustischen Lecks 15 wird durch R_Leck dargestellt. Das akustische Signal wird als AC-Signalquelle dargestellt. Der Druck über der Membran 12, P_D, bewirkt, dass sich die Membran 12 bewegt. Beachten Sie, dass der atmosphärische Druck, der auf beiden Seiten der Membran 12 herrscht, keinen Einfluss auf die Membranbewegung hat und in diesem Kleinsignal-Modell nicht umfasst ist. Wenn die Nachgiebigkeit des Rückvolumens (C_BV) im Vergleich zur Nachgiebigkeit der Membran (C_D) groß ist, wird der größte Teil des Schalldrucks über die Membran 12 übertragen. Wenn die Nachgiebigkeit des Rückvolumens (C_BV) im Vergleich zur Nachgiebigkeit der Membran (C_D) klein ist, liegt nur ein sehr geringer Teil des Schalldrucks an der Membran 12 an. Der Widerstand des akustischen Lecks (R_Leck) wirkt in Verbindung mit der parallelen Kombination aus Rückvolumen-Nachgiebigkeit (C_BV) und Nachgiebigkeit der Membran (C_D) als Hochpassfilter. Somit werden nur akustische Drucksignale oberhalb einer bestimmten Frequenz über die Membran 12 übertragen.
Das akustische Leck, das einen echten Widerstand darstellt, erzeugt thermisches Rauschen. Dieses Rauschen tritt als Rauschdruck an der Membran 12 auf. Die parallele Kombination der Nachgiebigkeit des Rückvolumens (C_BV) und der Membran (C_D) begrenzt das Rauschen jedoch auf niedrige Frequenzen, so dass sich bei der Integration des Rauschens über den Audiofrequenzbereich (das Rauschen ist bandbegrenzt, so dass dies einer Integration von Null bis Unendlich entspricht) die bekannte Größe kT/C ergibt, wobei k die Boltzmann-Konstante, T die absolute Temperatur in Kelvin und C die parallele Kombination der beiden Nachgiebigkeiten (C_D und C_BV) ist. Bei einer bestimmten niedrigen Grenzfrequenz nimmt das Rauschen aufgrund des akustischen Lecks im Allgemeinen mit kleineren Mikrofonen zu. Die einzige Möglichkeit, dieses Rauschen zu verringern, besteht darin, die Grenzfrequenz für kleinere Mikrofone zu senken. Durch die herkömmliche A-Gewichtung wird die Signifikanz des niederfrequenten Rauschens selbst bei sehr kleinen Mikrofonen mit ausreichend niedrigen Grenzfrequenzen herabgesetzt.
Dies ist die traditionelle Auffassung für Mikrofone ab einer bestimmten Größe. Für kleine Mikrofone ist jedoch ein anderer Faktor von Bedeutung. Wie von Kuntzman et al. (im Folgenden „Kuntzman“), „Thermal Boundary Layer Limitations on the Performance of Micromachined Microphones“, J. Acoust. Soc. Am. 144(5), 2018, auf das hier Bezug genommen wird, ist die thermische Grenzschicht dieser Faktor. Kuntzman offenbart die Auswirkungen der akustischen Kompression und Expansion von Luft innerhalb des Rückvolumens einer Mikrofonanordnung in Abhängigkeit von den Abmessungen des Gehäuses der Mikrofonanordnung (beispielsweise in Abhängigkeit vom Rückvolumen der Mikrofonanordnung). Kuntzman erklärt: „In Fällen, in denen die thermische Grenzschicht im Verhältnis zu den Gehäuseabmessungen ausreichend groß wird, was bei kleinen Gehäusen und niedrigen Frequenzen der Fall ist, geht die Kompression und Expansion der Luft innerhalb des Gehäuses von adiabat zu isotherm über, und eine Korrektur der adiabatischen Impedanz der Kavität wird erforderlich. Durch die Wärmeübertragung an den Gehäusewänden wird Energie aus dem System abgeleitet und führt zu einer akustischen Dämpfung, die gemäß dem Fluktuations-Dissipations-Theorem zum thermoakustischen Rauschen beiträgt.“ Des Weiteren führt Kuntzman aus: „Die akustische Dämpfung, die sich aus den thermischen Relaxationsverlusten im Gehäuse ergibt, kann eine erhebliche Signifikanz für das Rauschen haben, insbesondere bei kleinen Gehäusegrößen, bei denen die Verluste am stärksten ausgeprägt sind.“ Allgemein ausgedrückt lehrt Kuntzman, dass es wünschenswert ist, das Rückvolumen einer Mikrofonanordnung zu erhöhen, um das thermoakustische Rauschen zu reduzieren.
Die Auswirkungen von thermisch-akustischem Rauschen sind bei niedrigen Frequenzen am signifikantesten, wie Thompson et al. (im Folgenden „Thompson“), „Thermal Boundary Layer Effects on the Acoustical Impedance of Enclosures and Consequences for Acoustical Sensing Devices“, J. Acoust. Soc. Am. 123(3), 2008, auf das hier verwiesen wird. Thompson stellt fest: „Die Veränderung der Mikrofonempfindlichkeit durch thermische Effekte wird durch die Veränderung der Nachgiebigkeit des [Mikrofon-]Gehäuses bei niedrigen Frequenzen verursacht ... der thermische Widerstand könnte möglicherweise das interne Rauschen des Mikrofons beeinflussen, wenn das Rauschen dieses Widerstands mit den anderen thermischen Rauschquellen im Mikrofon vergleichbar oder größer wäre.“ Der Beitrag des thermisch-akustischen Rauschens dürfte bei MEMS-Mikrofonen mit kleinem Gehäusevolumen und niedrigen Frequenzen am größten sein, bei denen die Abstände zwischen den festen Oberflächen in der Größenordnung der Dicke der thermischen Grenzschichtdicke im Rückvolumen liegen (die mit abnehmender Operationsfrequenz zunimmt). Die Dicke der thermischen Grenzschichtdicke lässt sich näherungsweise wie folgt bestimmen als $δ_{t} = \sqrt{\frac{2 κ}{ω ρ_{0} C_{p}}}$
wobei ω die Arbeitswinkelfrequenz des Mikrofons, κ die Wärmeleitfähigkeit, po die Dichte und C_p die spezifische Wärme bei konstantem Druck des Gases innerhalb der Mikrofonanordnung (beispielsweise im Rückvolumen der Mikrofonanordnung) ist. Die obige Beziehung bestätigt die Abhängigkeit zwischen der thermischen Grenzschichtdicke und der Operationsfrequenz des Mikrofons.
Die Materialien, die ein Mikrofon umfassen, beispielsweise Metalle und Kunststoffe, weisen alle eine viel größere Wärmekapazität auf als Luft. Daher findet an jeder Oberfläche des Rückvolumens ein Wärmeaustausch mit den angrenzenden Materialien statt, und diese Oberflächen sind im Wesentlichen isotherm. Der Wärmeaustausch ist frequenzabhängig und trägt zur Impedanz des Rückvolumens bei. Wenn die Luft im Rückvolumen komprimiert wird, steigt ihre Temperatur an. Bei einer bestimmten Frequenz gibt der Abschnitt der Luft, der sich innerhalb einer Diffusionslänge von einer Grenzfläche befindet, diese Wärme an das Grenzmaterial ab. Wenn die Luft im Rückvolumen aufsteigt, sinkt die Temperatur der Luft, aber der Abschnitt der Luft innerhalb einer Diffusionslänge einer Grenzfläche gewinnt Wärme vom Grenzmaterial.
In 3 ist die thermische Grenzschicht 18 für das omnidirektionale Mikrofon 10 aus 1 dargestellt. In dieser Abbildung ist die thermische Grenzschicht 18 schattiert, um darzustellen, wie sich die Dicke 20 der thermischen Grenzschicht 18 mit der Frequenz ändert. Eine dunklere Schattierung entspricht der Dicke 20 bei höheren Frequenzen. Bei hohen Frequenzen ist die thermische Grenzschicht 18 also recht dünn, während sie bei niedrigen Frequenzen dicker ist. Die Auswirkung der thermischen Grenzschicht 18 auf das Modell ist in 4 dargestellt. Die Nachgiebigkeit des Rückvolumens wird nun durch eine komplexe Impedanz ZBV ersetzt. Der Realteil der komplexen Impedanz hängt von der Frequenz und der Mikrofongröße ab, so dass ein Rauschbeitrag zum Druck über der Membran entsteht. Die Analyse dieses Rauschens ist komplex, wird aber in Kuntzman behandelt. Im Wesentlichen dehnt sich die thermische Grenzschicht aus, wenn das Mikrofon kleiner wird, und verbraucht mehr vom gesamten Rückvolumen, so dass der Gesamteffekt des Rauschens auf den Druck über die Membran mit abnehmender Mikrofongröße zunimmt. Dies ist ein weiterer erwarteter kT/C-Effekt.
Gemäß einer Ausführungsform gibt es einen Größenbereich, der dieser herkömmlichen Weisheit zuwiderläuft. Bei sehr kleinen Größen, bei denen die thermische Grenzschicht das gesamte Rückvolumen einnimmt, und insbesondere bei Frequenzen unterhalb von Audio (<20 kHz), bei denen ein signifikanter Anteil des Volumens der thermischen Grenzschicht im gesamten Rückvolumen vorhanden ist, kehrt sich der Trend des zunehmenden Rauschens um. Wenn das Rauschen von Null bis unendlich integriert wird, steigt kT/C erwartungsgemäß immer noch mit geringerer Größe. Wird die Integration jedoch nur über das Tonfrequenzband durchgeführt, so ergibt sich ein Wert, der kleiner ist als kT/C (integriert von Null bis unendlich). Der Leistungsanteil des Rauschens im Audiofrequenzband von kT/C nimmt mit abnehmendem Rückvolumen ab.
Im Allgemeinen werden hier Systeme und Vorrichtungen offenbart, die ein hohes akustisches Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) für eine MEMS-Die (beispielsweise als Akustikwandler) in einem Mikrofon ermöglichen. Ebenfalls offenbart sind MEMS-Dies, bei denen der Abstand zwischen einem beliebigen Punkt innerhalb des Rückvolumens und der nächstgelegenen festen Oberfläche zu diesem Punkt geringer ist als eine einzige thermische Grenzschichtdicke an einer oberen Grenze des Audiofrequenzbandes für einen MEMS-Wandler, der solche Dies verwendet. Da die thermische Grenzschichtdicke mit abnehmender Frequenz zunimmt (wie oben beschrieben), stellt dieser Grenzwert sicher, dass der Abstand zwischen einem beliebigen Punkt innerhalb des Rückvolumens und der nächstgelegenen festen Oberfläche weniger als eine einzige thermische Grenzschichtdicke über einen Großteil des Audiofrequenzbandes für das MEMS-Die beträgt. Im Folgenden wird die Obergrenze als obere Frequenz des für die Erfassung durch das Mikrofon interessanten Tonfrequenzbandes bezeichnet. Beispielsweise kann die Obergrenze ein oberer Bereich des Frequenzbandes sein, den der integrierte Schaltkreis für das Audiosignal überwacht (beispielsweise 20 kHz). Es ist zu beachten, dass ein MEMS-Die auf Audiosignale oberhalb der Obergrenze reagieren und ein Mikrofon diese erkennen kann. Das Design des Mikrofons würde jedoch für eine bestimmte Obergrenze optimiert werden.
Der hier verwendete Ausdruck „umschlossenes Volumen“ oder „umschlossenes Rückvolumen“ bezieht sich auf ein Volumen (beispielsweise ein Rückvolumen), das im Wesentlichen umschlossen ist, aber nicht vollständig umschlossen sein muss. Beispielsweise kann sich das umschlossene Volumen auf ein Volumen beziehen, das über eine Durchdringung oder Öffnung in einer Membran, in einem Kolben oder in einer elastischen Struktur fluidmäßig mit der Umgebung der MEMS-Die verbunden ist.
5 und 6 zeigen eine seitliche Querschnittsansicht eines MEMS-Die 100 für ein Mikrofon. Die MEMS-Die 100 ist so konfiguriert, dass sie ein kapazitives akustisches Transduktionsverfahren verwendet, um ein elektrisches Signal als Reaktion auf akustische Störungen zu erzeugen, die auf das MEMS-Die 100 einfallen. In anderen Ausführungsformen kann der MEMS-Die 100 eine andere Art der Umwandlung verwenden, wie beispielsweise piezoelektrische Umwandlung, piezoresistive Umwandlung oder optische Umwandlung. Die MEMS-Die 100 umfasst ein Substrat 102, eine Elektrode 104 und eine bewegliche Membran 106. Die bewegliche Membran 106 kann eine Elektrode sein oder eine solche umfassen und kann als „erste Elektrode“ bezeichnet werden, während die Elektrode 104 als „zweite Elektrode“ bezeichnet werden kann. Die Membran 106 und die Elektrode 104 bilden zusammen mit der dazwischen liegenden Spalte (die ein isolierendes Material wie Luft umfasst) ein kapazitives Element. Die Elektrode 104 kann manchmal auch als Gegenelektrode bezeichnet werden. Das Substrat 102 trägt die Elektrode 104 und die Membran 106. Wie in 5 dargestellt, ist die Elektrode 104 entlang einer gesamten unteren Oberfläche 108 der Elektrode 104 direkt mit dem Substrat 102 verbunden. Das Substrat 102 ist im Verhältnis zur Membran 106 (und zur Elektrode 104) groß, wodurch sichergestellt wird, dass die Elektrode 104 starr gehalten wird. Insbesondere ist eine kombinierte Dicke 109 des Substrats 102 und der Elektrode 104 um eine Größenordnung größer als eine Dicke 112 der Membran 106. In anderen Ausführungsformen kann die relative Dicke zwischen dem Substrat 102 und der Membran 106 unterschiedlich sein.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Elektrode 104 direkt auf eine erste Oberfläche (beispielsweise eine obere Oberfläche) des Substrats 102 aufgebracht. In einigen Ausführungsformen wird die Elektrode 104 auf einen Isolator 114 aufgebracht oder anderweitig mit diesem verbunden. Der Isolator 114 kann aus Siliziumnitrid oder einem anderen dielektrischen Material bestehen. Die Elektrode 104 kann aus polykristallinem Silizium oder einem anderen geeigneten Leiter hergestellt sein. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Elektrode 104 „geschichtet“ oder auf andere Weise zwischen dem Substrat 102 und dem Isolator 114 angeordnet. Die Elektrode 104 ist zumindest teilweise in eine untere Oberfläche des Isolators 114 eingebettet und direkt mit dem Substrat 102 verbunden. In anderen Ausführungsformen kann die Position der Elektrode 104 anders sein (beispielsweise kann die Elektrode 104 in eine obere Oberfläche des Isolators 114 eingebettet oder auf dieser ausgebildet sein). In wieder anderen Ausführungsformen kann sich die Elektrode 104 bis zu einem äußeren Umfang des Volumens zwischen der Elektrode 104 und der Membran 106 erstrecken (beispielsweise kann der Durchmesser der Elektrode 104 ungefähr gleich dem Durchmesser der Membran 106 sein.
In einer Ausführungsform ist die Membran 106 parallel (oder im Wesentlichen parallel) zu der Elektrode 104 (oder dem Isolator 114, je nachdem, was sich oben befindet) ausgerichtet und von der Elektrode 104 beabstandet, um eine Spalte zu bilden. In verschiedenen Ausführungsformen stellt der Spalt eine Höhe 118 einer zylindrisch geformten Kavität dar (beispielsweise ein zylindrisch geformtes Volumen zwischen dem Isolator 114 und der Membran 106 oder ein zylindrisch geformtes Volumen zwischen der Elektrode 104 und der Membran 106 in den Ausführungsformen, bei denen die Elektrode 104 oben auf dem Isolator 114 liegt). Das Volumen zwischen der Elektrode 104 und der Membran 106 bildet ein gesamtes Rückvolumen 103 für das MEMS-Die 100 (und in dem Maße, in dem das MEMS-Die 100 als Mikrofon betrachtet werden kann, das gesamte Rückvolumen des Mikrofons), wie weiter beschrieben wird. Die Membran 106 ist von der Elektrode 104 durch wenigstens eine Zwischenschicht 120 beabstandet. Eine erste Seite 122 der Zwischenschicht 120 ist mit dem Isolator 114 verbunden, der wiederum mit der Elektrode 104 verbunden ist. Eine zweite Seite 124 der Zwischenschicht 120 ist mit der Membran 106 entlang wenigstens eines Abschnitts des Umfangs der Membran 106 gekoppelt. Eine Höhe 126 der Zwischenschicht 120 (beispielsweise eine axiale Höhe der Zwischenschicht 120 parallel zu einer zentralen Achse 128 der MEMS-Die 100), plus eine Höhe/Dicke des Isolators 114 zwischen der Elektrode 104 und der Zwischenschicht 120, ist ungefähr gleich einem Abstand zwischen der Membran 106 und der Elektrode 104 (beispielsweise die Höhe 118). In anderen Ausführungsformen ist der Abstand zwischen der Membran 106 und der Elektrode 104 ungefähr gleich der Höhe der Zwischenschicht 120. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst die Zwischenschicht 120 eine Opferschicht (beispielsweise eine Oxidschicht, eine Phosphorsilikatglasschicht (PSG), eine Nitridschicht oder ein anderes geeignetes Material), die auf die Elektrode 104 aufgebracht oder anderweitig gebildet wird. In einigen Ausführungsformen kann die Zwischenschicht 120 aus Siliziumoxid oder anderen Materialien bestehen, die geätzt werden können, ohne das Substrat 102, die Elektrode 104 oder die Membran 106 zu beeinträchtigen.
In einer Ausführungsform ist die Membran 106 aus polykristallinem Silizium oder einem anderen leitfähigen Material hergestellt. In anderen Ausführungsformen umfasst die Membran 106 sowohl eine Isolierschicht als auch eine leitfähige Schicht. Wie in 6 dargestellt, ist eine erste Seite 132 der Membran 106 dem Rückvolumen 103 zugewandt. Eine zweite Seite 134 der Membran 106, die der ersten Seite 132 gegenüberliegt, ist einem Vordervolumen 105 der Mikrofonanordnung zugewandt. Schallenergie 131 (beispielsweise Schallwellen, akustische Störungen usw.), die vom Vordervolumen 105 auf die zweite Seite 134 der Membran 106 trifft, bewirkt, dass sich die Membran 106 auf die Elektrode 104 zu oder von ihr weg bewegt. Die Änderung des Abstands zwischen der Elektrode 104 und der Membran 106 (beispielsweise die Änderung der Höhe 118) führt zu einer entsprechenden Änderung der Kapazität. Ein elektrisches Signal, das für die Kapazitätsänderung repräsentativ ist, kann erzeugt und zur Verarbeitung an Abschnitte einer Mikrofonanordnung übertragen werden, in die das MEMS-Die 100 eingebaut ist, beispielsweise an eine integrierte Schaltung (nicht gezeigt).
Gemäß einer Ausführungsform ist die Elektrode 104 eine feste, unperforierte Struktur, so dass das Volumen zwischen dem Isolator 114 und der Membran 106 ein vollständiges Rückvolumen 103 für das MEMS-Die 100 bildet. Im Gegensatz dazu umfasst das Rückvolumen bei MEMS-Dies, die eine perforierte Gegenelektrode (beispielsweise eine Rückplatte mit mehreren Durchgangsöffnungen) enthalten, sowohl das Volumen zwischen der der Membran gegenüberliegenden Struktur (dem Isolator 114 und, falls freiliegend, der Elektrode 104) und der Membran 106 als auch jedes zusätzliche Fluidvolumen (beispielsweise Luft) auf einer gegenüberliegenden Seite der gegenüberliegenden Struktur, mit der der Raum zwischen der Elektrode 104 und der Membran 106 fluidmäßig verbunden ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auch andere Arten von MEMS-Dies umfassen. Zum Beispiel kann der MEMS-Die piezoelektrisch, piezoresistiv oder optisch transduktiv sein. 7 zeigt eine Ausführungsform eines piezoelektrischen MEMS-Die 175. Der piezoelektrische MEMS-Die 175 umfasst ein Substrat 177 und eine Membran 179, die mit dem Substrat 177 gekoppelt und vom Substrat 177 beabstandet ist. Die piezoelektrische MEMS-Die 175 umfasst auch eine piezoelektrische Schicht 181, die mit der Membran 179 verbunden ist. Wie in 7 gezeigt, kann die piezoelektrische Schicht 181 mit einer unteren Oberfläche 183 der Membran 179 verbunden (beispielsweise aufgebracht oder anderweitig gekoppelt) sein. In anderen Ausführungsformen, wie in 8 dargestellt, kann die piezoelektrische Schicht 181 mit einer oberen Oberfläche 185 der Membran 179 verbunden sein. In jedem Fall bildet das Volumen zwischen dem Substrat 177 und der Membran 179 ein vollständiges Rückvolumen 187 für die piezoelektrische MEMS-Die 175.
9 zeigt eine Darstellung des A-gewichteten akustischen Rauschens 200 im Audiofrequenzband (beispielsweise Bereich) von 20 Hz bis 20 kHz (im Folgenden „akustisches Rauschen“) einer MEMS-Die als Funktion der Größe des Rückvolumens der MEMS-Die. 9 zeigt insbesondere die simulierte Beziehung zwischen dem akustischen Rauschen 200 und dem Rückvolumen für eine MEMS-Die mit einer Gegenelektrode und einer Membran fester Größe (beispielsweise für eine Membran mit festem Durchmesser), wobei das MEMS-Die als Wandler verwendet wird. In der Simulation wurde das Rückvolumen in einem Bereich zwischen etwa 0,0006 mm³ und 10 mm³ variiert, indem die Größe der Spalte (beispielsweise Höhe 118 in 5) zwischen 0,5 um und 8 mm verändert wurde. Wie in 9 gezeigt, nimmt das akustische Rauschen 200 mit abnehmendem Rückvolumen (beispielsweise Abnahme der Höhe 118 von 5) in einem Bereich zwischen etwa 9 mm³ und 0,1 mm³ zu. Der Trend des akustischen Rauschens 200 zwischen ca. 9 mm³ und 0,1 mm³ stimmt mit den Ausführungen von Kuntzman und Thompson überein, die besagen, dass das akustische Rauschen mit abnehmendem Rückvolumen zunimmt. Überraschenderweise wird (für den simulierten Membrandurchmesser) unterhalb eines Rückvolumens von etwa 0,1 mm³ (im Größenbereich der MEMS-Die) eine Trendumkehr beobachtet. Wie in 9 gezeigt, ist das akustische Rauschen 200 bei einem Rückvolumen von etwa 0,0006 mm³ wieder auf ein Niveau zurückgekehrt, das in etwa demjenigen entspricht, das bei 4 mm³ erreicht wird (beispielsweise eine Verringerung des gesamten Rückvolumens um einen Faktor von etwa 7500).
10 zeigt ein Diagramm der Beziehung zwischen der thermischen Grenzschichtdicke 300 und der Operationsfrequenz eines MEMS-Die, der als Wandler verwendet wird (beispielsweise der MEMS-Wandler, der in 9 modelliert ist, und unter der Annahme, dass Luft im Volumen zwischen der Gegenelektrode und der Membran vorhanden ist). Es wird gezeigt, dass die thermische Grenzschichtdicke 300 mit zunehmender Operationsfrequenz abnimmt. Diese Abhängigkeit ist in 10 über einen Bereich von Operationsfrequenzen innerhalb des Audiofrequenzbandes der MEMS-Die (beispielsweise innerhalb eines für den Menschen hörbaren Frequenzbereichs zwischen etwa 20 Hz und 20 kHz) grafisch dargestellt.
Wie in 10 gezeigt, ist die thermische Grenzschichtdicke 300 über einen Großteil des Audiofrequenzbandes der MEMS-Die geringer als die Größe des Spaltes, wenn die Größe des Spaltes (beispielsweise die Höhe) zwischen der Gegenelektrode und der Membran groß ist (beispielsweise wenn der Spalt größer als 500 µm ist). Mit abnehmender Spalte wird die thermische Grenzschichtdicke 300 gleich oder größer als die Größe der Spalte über einen größeren Teil des Tonfrequenzbandes. In diesem Bereich von Spaltgrößen ist der Beitrag des thermisch-akustischen Rauschens am größten und der Gesamt-SNR des MEMS-Die reduziert (beispielsweise wenn der MEMS-Die als Wandler verwendet wird).
Der ungefähre Bereich von Spaltgrößen, die mit einer verbesserten SNR-Leistung korrespondieren (beispielsweise entsprechend den Rückvolumina aus 9, für die die Umkehrung des Trends des akustischen Rauschens beobachtet wird), ist durch horizontale Linien 302 am unteren Rand von 10 gekennzeichnet. Wie gezeigt, ist die Größe der Spalte (beispielsweise die in 5 gezeigte Höhe 118) weniger als etwa das Zweifache der Dicke der Grenzschicht 300 innerhalb des Rückvolumens 103 über einen Großteil des Audiofrequenzbandes der MEMS-Die 100 (beispielsweise zwischen 20 Hz und 20 kHz). Mit anderen Worten, das Rückvolumen 103 ist so dimensioniert, dass der Abstand zwischen einem beliebigen Punkt oder Ort innerhalb des Rückvolumens 103 und der nächstgelegenen festen Oberfläche, die das Rückvolumen 103 berührt, geringer ist als eine einzige thermische Grenzschichtdicke 300. Wie in 6 gezeigt, ist beispielsweise ein Punkt 119, der sich etwa auf halber Strecke zwischen der Membran 106 und dem Isolator 114 befindet, weniger als eine thermische Grenzschichtdicke 300 von einer dem Rückvolumen zugewandten Oberfläche sowohl der Membran 106 als auch des Isolators 114 (den festen Oberflächen des Rückvolumens, die dem Punkt 119 am nächsten sind) entfernt.
Auf der Grundlage dieser Daten (und der Daten aus 9) scheinen zwei verschiedene thermische Regime und Mechanismen zu existieren, je nachdem, ob die Größe der Spalte (beispielsweise die Höhe (118) ist 1) größer als das Zweifache der thermischen Grenzschichtdicke über den größten Teil des Tonfrequenzbandes oder 2) kleiner als das Zweifache der thermischen Grenzschichtdicke über den größten Teil des Tonfrequenzbandes ist. Die Tatsache, dass das akustische Rauschen bei sehr kleinen Spaltenhöhen abnimmt (weniger als zwei Größenordnungen weniger als bei den meisten bestehenden Mikrofonanordnungen), ist ein unvorhergesehener Vorteil, der bisher nicht erkannt wurde.
11 zeigt die Dämpfung des Rückvolumens (im Folgenden „Dämpfung“) als Funktion der Frequenz eines MEMS-Die, der als Wandler innerhalb dieser beiden unterschiedlichen thermischen Regime arbeitet. Der obere Satz von Kurven 400 zeigt die Dämpfung für MEMS-Dies, die eine Spaltgröße aufweisen, die größer ist als die thermische Grenzschichtdicke. Die Richtung der abnehmenden Größe der Spalte für die Kurven 400 ist durch den gestrichelten Pfeil 402 angegeben. Wie in 11 gezeigt, nimmt mit abnehmender Größe der Spalte die Dämpfung (und das damit verbundene thermische Rauschen) zu (beispielsweise nimmt das gesamte Rauschen über das Audiofrequenzband des MEMS-Dies zu). Der untere Satz von Kurven 404 zeigt das Dämpfungsverhalten für MEMS-Die, bei denen die Größe des Spalts geringer ist als die thermische Grenzschichtdicke (beispielsweise weniger als das Zweifache der thermischen Grenzschichtdicke, ähnlich wie beim MEMS-Die 100 von 5 und 6). Die Richtung der abnehmenden Größe der Spalte für die Kurven 404 in 11 ist durch den gestrichelten Pfeil 406 angegeben. Es wird gezeigt, dass die Dämpfung (und das damit verbundene thermische Rauschen) mit abnehmender Größe der Spalte abnimmt. Darüber hinaus zeigt der untere Kurvensatz 404 im Gegensatz zum oberen Kurvensatz 400 einen annähernd flachen Dämpfungsverlauf als Funktion der Frequenz.
Solche Eigenschaften können besonders vorteilhaft sein für Anwendungen wie die Strahlformung bei der Signalverarbeitung und andere Anwendungen, bei denen die Empfindlichkeit des MEMS-Die bei niedrigen Frequenzen reduziert ist.
12 zeigt das akustische SNR in Abhängigkeit von der Größe der Spalte für drei verschiedene Werte der Oberfläche der Membran (beispielsweise den Durchmesser der Membran und dementsprechend den Durchmesser des Rückvolumens) für eine Mikrofonanordnung. Es werden Kurven des akustischen SNR über einen Bereich verschiedener Oberflächen für die Gegenelektrode und die Membran erstellt. Es wird gezeigt, dass das akustische SNR mit abnehmender Spalte zunimmt. Es zeigt sich, dass das akustische SNR mit abnehmender Oberfläche abnimmt. Obwohl der Trend des SNR mit der Oberfläche dem Trend des SNR mit der Größe des Spalts (beispielsweise der Höhe zwischen der Gegenelektrode und der Membran) entgegengesetzt ist, wurde beobachtet, dass der Effekt des Spalts dominiert.
Die in 9-12 gezeigten Ergebnisse wurden unter der Annahme einer kolbenähnlichen Membranauslenkung simuliert (beispielsweise unter der Annahme, dass sich die Membran nicht krümmt oder durchbiegt und dass sich alle Punkte entlang der Oberfläche der Membran um den gleichen Betrag bewegen). In Wirklichkeit wird sich die Membran 106 (siehe 5) nicht gleichmäßig kolbenähnlich bewegen, sondern sich unter der an das MEMS-Die 100 angelegten Vorspannung (und des Weiteren infolge des auf die Membran 106 einwirkenden Schalldrucks) wölben oder krümmen. Die Bewegung der Membran 106 bewegt daher die Luft innerhalb der Spalte sowohl in axialer Richtung (beispielsweise vertikal nach oben und unten, wie in 5 dargestellt) als auch in radialer Richtung (beispielsweise horizontal nach links und rechts, wie in 5 dargestellt). Die radiale Geschwindigkeitskomponente der Luft im Rückvolumen 103 führt zu viskosen Verlusten, die das akustische Rauschen der MEMS-Die über die in 12 gezeigten Werte hinaus erhöhen.
13 zeigt ein Diagramm des akustischen SNR in Abhängigkeit von der Größe des Spalts zwischen der Gegenelektrode und der Membran (dem vertikalen Abstand zwischen der Gegenelektrode und der Membran). Kurve 500 zeigt das akustische SNR für einen MEMS-Stempel, bei dem eine kolbenartige Membranbewegung angenommen wird. Kurve 502 zeigt das akustische SNR für einen MEMS-Stempel, der unter der Annahme modelliert wird, dass sich die Membran beim Anlegen einer Vorspannung an den MEMS-Stempel verbiegt (beispielsweise krümmt). Wie in 13 gezeigt, ist der Effekt der tatsächlichen Membranbiegung und -bewegung bei kleinen Spaltgrößen (beispielsweise unter 5 µm in diesem Fall) am deutlichsten. Bei Spaltgrößen zwischen 5 µm und 11 µm sind die mit der Membranbewegung verbundenen viskosen Effekte deutlich geringer. Eine Möglichkeit, den Effekten der Membranverschiebung/-bewegung entgegenzuwirken, besteht, wie in 13 gezeigt, darin, die Größe des Spalts auf einen Bereich zwischen etwa 5 µm und 12 µm oder einen anderen geeigneten Bereich, der von der Geometrie des Rückvolumens abhängt, zu beschränken. Alternativ oder in Kombination kann die an den MEMS-Stempel angelegte Vorspannung angepasst (beispielsweise erhöht) werden, um die Empfindlichkeit der Mikrofonbaugruppe zu erhöhen und so die Auswirkungen des zusätzlichen akustischen Rauschens aufgrund viskoser Verluste zumindest teilweise auszugleichen.
Die Geometrie der Gegenelektrode kann auch angepasst werden, um die radiale Geschwindigkeitskomponente der Luft innerhalb des Rückvolumens zu verringern, die aus der nicht kolbenähnlichen Bewegung der Membran resultiert. 14 zeigt zum Beispiel eine MEMS-Die 600, die eine gekrümmte Elektrode 604 umfasst. Insbesondere ist eine obere Oberfläche 632 (beispielsweise die erste Oberfläche, die dem Rückvolumen zugewandte Oberfläche usw.) des Isolators 614 so geformt, dass sie der Krümmung der Membran 606 unter Anlegen einer Vorspannung annähernd entspricht, so dass während der Operation der Abstand zwischen der Membran 606 und der Elektrode 604 (die in dieser Ausführungsform ebenfalls gekrümmt ist) im gesamten Rückvolumen 611 (beispielsweise in einer seitlichen Richtung, weg von einer Mittelachse der MEMS-Die) annähernd gleich ist. Um dies zu erreichen, sind die Elektrode 604 und die Membran 606 in einem Ruhezustand (beispielsweise wenn die Vorspannung entfernt wird) nicht parallel. Wie in 14 dargestellt, ist die Elektrode 604 auf einem vertieften Abschnitt 636 eines Substrats 602 der MEMS-Die 600 aufgebracht oder anderweitig geformt. Die Krümmung der Elektrode 604 ist eine Funktion der an das MEMS-Die 600 angelegten Vorspannung, der Abmessungen des Rückvolumens 611 und der Dicke der Membran 606.
Zurück zu 6, das MEMS-Die 100 ist so dargestellt, dass es eine Öffnung oder Durchdringung 138 umfasst, die sich durch die Membran 106 erstreckt (beispielsweise von der ersten Seite 132 der Membran 106 zur zweiten Seite 134 der Membran 106). Die Durchdringung 138 ist an einer zentralen Position auf der Membran 106 in koaxialer Anordnung relativ zur Mittelachse 128 der MEMS-Die 100 angeordnet. Bei der Durchdringung 138 handelt es sich um eine kreisförmige Durchgangsöffnung in der Membran 106. In anderen Ausführungsformen können die Größe, die Form, die Lage und die Anzahl der Öffnungen in der Membran 106 unterschiedlich sein.
15 zeigt den akustischen SNR einer MEMS-Die (konfiguriert wie das MEMS-Die 100) als Funktion der Größe der Spalte für einen Bereich verschiedener Durchmesser für die Durchdringung (beispielsweise die Durchdringung 138). Wie in 15 gezeigt, führt die Durchdringung zu akustischem Rauschen im MEMS-Die 100 (siehe auch 5), insbesondere bei kleinen Spalten (beispielsweise unter 5 µm). Die Änderungsrate (beispielsweise die Zunahme) des akustischen Rauschens nimmt mit dem Durchmesser der Durchdringung zu. In der MEMS-Die 100 von 5 liegt der Durchmesser 140 der Durchdringung 138 in einem Bereich zwischen ca. 0,25 µm und 2 µm, um die Auswirkungen der Durchdringung 138 auf den gesamten akustischen SNR zu minimieren. Es ist zu beachten, dass der optimale Bereich der Durchmesser der Durchdringung 138 von der Dicke der Membran 106 und der Geometrie des Rückvolumens 103 abhängt.
Die Empfindlichkeit der MEMS-Die 100 kann auch durch Erhöhung der Nachgiebigkeit der Luft im Rückvolumen 103 verbessert werden (beispielsweise durch Verringerung der Steifigkeit der im Rückvolumen enthaltenen Luft). In einer Ausführungsform wird dies durch die Bereitstellung von Kanälen im MEMS Substrat erreicht, so dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle nicht weiter von einer festen Oberfläche entfernt ist als die Dicke einer einzelnen thermischen Grenzschicht. In 16 und 17 ist ein entsprechend konfigurierter MEMS-Die 700 dargestellt. Der MEMS-Die 700 umfasst eine Elektrode 704 und ein Substrat 702, das eine Vielzahl von Kanälen 742 umfasst, die in der Elektrode 704 und dem Substrat 702 ausgebildet sind. Genauer gesagt ist der MEMS-Die 700 so strukturiert, dass die Kanäle 742 so dimensioniert sind, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle 742 weniger als eine einzige thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist. In der Ausführungsform von 16 erstreckt sich jeder der Vielzahl von Kanälen 742 von der Membran 706 weg in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung relativ zu der Membran 706 (beispielsweise parallel zu einer Mittelachse der MEMS-Die 700). Die Kanäle 742 erstrecken sich durch die Elektrode 704. Neben anderen Vorteilen erhöhen die Kanäle 742 die Gesamtnachgiebigkeit der Luft innerhalb der MEMS-Die 700 (beispielsweise durch Hinzufügen von Luftvolumen außerhalb des Raums zwischen der Elektrode 704 und der Membran 706), ohne das Substrat 702 vollständig zu durchdringen.
Die Kanäle 742 im Substrat 702 sind so bemessen, dass sie thermisch-akustisches Rauschen innerhalb des MEMS-Die 700 reduzieren. Insbesondere ist eine Breite 744 (beispielsweise der Durchmesser) jedes der Vielzahl von Kanälen 742 kleiner als das Zweifache der thermischen Grenzschichtdicke innerhalb des Rückvolumens über einen Großteil eines Audiofrequenzbandes der MEMS-Die 700, so dass der Abstand zwischen jedem Punkt oder Ort innerhalb des Rückvolumens innerhalb einer einzigen thermischen Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen festen Oberfläche des Substrats oder der Membran über einen Großteil des Audiofrequenzbandes liegt. Die Tiefe 745 jedes der Kanäle 742 entspricht ungefähr der Größe der Spalte, die als Höhe 718 dargestellt ist (beispielsweise der Abstand zwischen der Elektrode 704 und der Membran 706). Es wird deutlich, dass die Geometrie der Kanäle 742 in verschiedenen Ausführungsformen unterschiedlich sein kann. In anderen Ausführungsformen kann beispielsweise die Tiefe 745 anders sein als die Größe der Spalte.
In einer Ausführungsform können die Kanäle in einem MEMS-Substrat durch Säulen definiert sein. Ein Beispiel für einen solchen MEMS-Die ist in 18 dargestellt. Die MEMS-Die, allgemein mit 750 bezeichnet, umfasst eine Elektrode 754 und ein Substrat 752, das eine Kavität 756 (beispielsweise ein Rückvolumen) bildet, in der eine Vielzahl von Säulen 758 angeordnet ist. Bei den Säulen 758 handelt es sich um Zylinder, die sich von einer unteren Oberfläche der Kavität 756 in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung relativ zur unteren Oberfläche nach oben erstrecken (die Säulen 758 erstrecken sich in Richtung der Membran 706). In anderen Ausführungsformen kann die Form der Säulen 758 unterschiedlich sein. Die Säulen 758 können zu einem Substrat 752 für den MEMS-Die 750 geformt werden. Eine leitfähige Schicht 715 wird auf eine obere Oberfläche jeder der Säulen 758 aufgebracht oder anderweitig mit ihr verbunden. Zusammen bilden die leitfähigen Schichten 715 eine einzige Elektrode. Ein seitlicher Abstand zwischen benachbarten Säulen 758 (beispielsweise ein radialer Abstand in Bezug auf eine Mittelachse jeder der Säulen 758) beträgt weniger als das Zweifache der thermischen Grenzschichtdicke über einen Großteil eines Audiofrequenzbandes der MEMS-Die 750. In anderen Ausführungsformen kann die Geometrie der Kanäle (16 und 17) und Säulen (18) unterschiedlich sein. In einigen Ausführungsformen kann anstelle von Kanälen oder Säulen ein poröses Siliziumsubstrat verwendet werden. Neben anderen Vorteilen erhöht die Verwendung eines porösen Siliziumsubstrats die effektive Nachgiebigkeit der Luft im Rückvolumen, ohne dass zusätzliche Operationen zur Bildung von Kanälen, Säulen oder anderen Geometrien im Substrat erforderlich sind.
In 19 wird nun ein Beispiel für eine MEMS-Die beschrieben, die poröses Silizium gemäß einer Ausführungsform verwendet. Die MEMS-Die, die allgemein mit 770 bezeichnet ist, umfasst ein Substrat 772. Da es aus Silizium besteht, kann das Substrat 772 dotiert werden, um es leitfähig zu machen, so dass die Oberfläche eines porösen Bereichs 774 effektiv die Gegenelektrode für einen kapazitiven Wandler ist. Die Größe der Poren 776 ist viel geringer als die Dicke einer einzelnen thermischen Grenzschichtdicke und ermöglicht dennoch einen Luftstrom in alle Richtungen. Der prozentuale Anteil des offenen Volumens in der porösen Region 774 lässt sich durch bekannte elektrochemische Prozesse steuern und kann relativ groß gewählt werden. Die als Höhe 778 dargestellte Spaltgröße zwischen der oberen Oberfläche des porösen Bereichs 774 (beispielsweise der Gegenelektrode) und der Membran 780 muss immer noch weniger als zwei thermische Grenzschichtdicken betragen, aber in dieser Ausführungsform dominiert die Spaltgröße nicht die Größe des Rückvolumens 782 und damit die Empfindlichkeit der MEMS-Die 770. Alternativ könnte anstelle von porösem Silizium auch ein gesintertes Material mit charakteristischen Porengrößen wie oben beschrieben verwendet werden.
Neben anderen Vorteilen ermöglicht eine Verringerung des erforderlichen Rückvolumens einer MEMS-Die, wie sie in den oben beschriebenen Ausführungsformen dargelegt ist, eine wesentliche Reduzierung der Gesamtgrundfläche (beispielsweise Package-Größe usw.) einer Mikrofonanordnung, die das MEMS-Die verwendet. Da es sich bei der Gegenelektrode um eine feste, nicht perforierte Struktur handelt, kann das MEMS-Die mit anderen Komponenten der Mikrofonanordnung integriert werden, um das Package der Mikrofonanordnung des Weiteren zu verkleinern. 20 zeigt beispielsweise die monolithische Integration eines MEMS-Die 800 mit einer integrierten Schaltung (IC) 802. Die IC 802 kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) sein. Alternativ kann der IC 802 auch einen anderen Typ von Halbleiter-Chip umfassen, der verschiedene analoge, analog-digitale und/oder digitale Schaltungen integriert. Wie in 20 dargestellt, bildet der IC 802 ein Substrat für den MEMS-Die 800. Der MEMS-Die 800 ist integral auf dem IC 802 als eine einzige einheitliche Struktur ausgebildet. Eine Elektrode 804 des MEMS-Die 800 ist entlang einer gesamten unteren Oberfläche 808 der Elektrode 804 direkt mit dem IC 802 verbunden.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Geometrie der Elektrode 804 die gleiche oder eine ähnliche sein wie die Geometrie der Elektrode 104, die unter Bezugnahme auf 5 beschrieben ist. Wie in 20 dargestellt, ist die Elektrode 804 direkt mit dem IC 802 gekoppelt (beispielsweise auf einer oberen Oberfläche des IC 802 ausgebildet). Der IC 802 umfasst ein Substrat 810 und einen oberen Abschnitt 812, der mit einer ersten Oberfläche (beispielsweise einer oberen Oberfläche usw.) des Substrats 810 verbunden ist. Der IC 802 umfasst zusätzlich eine Vielzahl von Transistoren 813, die in die obere Oberfläche des Substrats 810 zwischen dem Substrat 810 und dem oberen Abschnitt 812 eingebettet sind. Der obere Abschnitt 812 ist so strukturiert, dass er die Elektrode 804 mit dem IC 802 und/oder mit anderen Teilen der Mikrofonanordnung (nicht gezeigt) elektrisch koppelt (beispielsweise verbindet). Insbesondere umfasst der obere Abschnitt 812 eine Vielzahl von Metallschichten 814, die in den oberen Abschnitt 812 eingebettet sind. Die Metallschichten 814 verbinden die Elektrode 804 elektrisch mit einem Kontakt, der an einer äußeren Oberfläche des oberen Abschnitts 812 angeordnet ist (beispielsweise mit einer äußeren Oberfläche der Kombination aus MEMS-Die 800 und IC 802).
Gemäß einer Ausführungsform, wie in 21 gezeigt, ist die Kombination aus dem MEMS-Die 800 und dem IC 802 so konfiguriert, dass sie in eine Mikrofonanordnung passt, die als Anordnung 900 dargestellt ist. Wie in 21 gezeigt, umfasst die Anordnung 900 ein Gehäuse, das eine Basis 902, eine Abdeckung 904 (beispielsweise einen Gehäusedeckel) und einen Sound-Port 906 umfasst. In einigen Ausführungsformen ist die Basis 902 eine gedruckte Leiterplatte. Die Abdeckung 904 ist mit der Basis 902 gekoppelt (beispielsweise kann die Abdeckung 904 an einem Umfangsrand der Basis 902 befestigt werden). Zusammen bilden die Abdeckung 904 und die Basis 902 ein umschlossenes Volumen für die Anordnung 900 (beispielsweise ein Vordervolumen 910 der MEMS-Die 800). Wie in 21 dargestellt, ist der Sound-Port 906 an der Abdeckung 904 angeordnet und so strukturiert, dass er Schallwellen an das MEMS-Die 800, das sich innerhalb des umschlossenen Volumens befindet, weiterleitet. Alternativ kann der Sound-Port 906 auch an der Basis 902 angeordnet sein. Die Schallwellen (beispielsweise Schalldruck usw.) bewegen die Membran 806 der MEMS-Die 800, wodurch sich die Größe des Spalts (beispielsweise die Höhe 818) zwischen der Membran 806 und der Elektrode 804 ändert. Das Volumen zwischen der Elektrode 804 und der Membran 806 bildet ein gesamtes Rückvolumen 911 für das MEMS-Die 800, was vorteilhafterweise die Gesamtgrundfläche der Mikrofonanordnung 900 reduziert, ohne den erreichbaren akustischen SNR zu begrenzen.
Wie in 21 gezeigt, ist das Substrat 810 mit einer ersten Oberfläche der Basis 902 innerhalb des umschlossenen Volumens 908 verbunden. In einigen Ausführungsformen kann die Anordnung Teil einer kompakten Computereinrichtung (beispielsweise einer tragbaren Kommunikationsvorrichtung, eines Smartphones, eines intelligenten Lautsprechers, einer Internet-of-Things-(loT)-Vorrichtung usw.) sein, in der eine, zwei, drei oder mehr Anordnungen zur Aufnahme und Verarbeitung verschiedener Arten von akustischen Signalen wie Sprache und Musik integriert sein können.
In der Ausführungsform von 21 ist das MEMS-Die 800 so konfiguriert, dass es als Reaktion auf akustische Aktivität, die auf den Sound-Port 906 einfällt, ein elektrisches Signal (beispielsweise eine Spannung) an einem Ausgang erzeugt. Wie in 21 dargestellt, umfasst der Ausgang ein Pad oder einen Anschluss des MEMS-Die 800, der über einen oder mehrere Bonddrähte 912 elektrisch mit dem elektrischen Schaltkreis verbunden ist. Die Anordnung 900 kann des Weiteren elektrische Kontakte umfassen, die auf einer Oberfläche der Basis 902 außerhalb der Abdeckung 904 angeordnet sind. Die Kontakte können elektrisch mit dem elektrischen Schaltkreis gekoppelt sein (beispielsweise über Bonddrähte oder elektrische Leiterbahnen, die in die Basis 902 eingebettet sind) und können so konfiguriert sein, dass sie die Mikrofonanordnung 900 mit einer von mehreren Host-Vorrichtungen elektrisch verbinden.
Die Anordnung der Komponenten für die Ausführungsform der Mikrofonanordnung in 21 sollte nicht als einschränkend angesehen werden. Viele Alternativen sind möglich, ohne von den hier offenbaren erfinderischen Konzepten abzuweichen. 22 zeigt beispielsweise eine andere Ausführungsform einer Mikrofonanordnung 1000, die eine MEMS-Die 1100 umfasst, die mit einem Flip-Chip auf eine Basis 1002 der Mikrofonanordnung 1000 geklebt ist. Der MEMS-Die 1100 ist durch Lötkugeln 1003 von der Basis 1002 getrennt (und elektrisch mit der Basis 1002 verbunden). Die MEMS-Die 1100 ist so angeordnet, dass sie Schallenergie durch einen Sound-Port 1006 empfängt, der zentral innerhalb der Basis 1002 angeordnet ist. Die MEMS-Die 1100 ist in einer Kavität aufgehängt, die zwischen der Basis 1002 und einer Abdeckung 1004 der Mikrofonanordnung 1000 gebildet wird.
23 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Mikrofonanordnung 1200, die der Mikrofonanordnung 1000 von 22 ähnelt, bei der jedoch die Abdeckung durch eine Verkapselung 1201 ersetzt wurde, die das MEMS-Die 1300 umgibt. Neben anderen Vorteilen isoliert die Verkapselung 1201 das MEMS-Die 1300 und hilft, das MEMS-Die 1300 in seiner Position über der Basis 1202 der Mikrofonanordnung 1200 zu halten. Die Verkapselung kann ein härtbares Epoxid oder ein anderes geeignetes Material umfassen.
Ein potenzielles Problem bei der Verwendung einer Membran in einem kapazitiven MEMS-Sensor ist, dass die dynamische Bewegung der Membran selbst zu einem seitlichen Geschwindigkeitsgradienten und viskositätsbedingten Verlusten führt. Jede anfängliche Auslenkung der Membran, beispielsweise durch eine angelegte Vorspannung, verstärkt die viskosen Verluste. Gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung verwendet ein kapazitiver MEMS-Sensor einen Kolben (beispielsweise ein starres Stück Silizium) anstelle einer Membran. In einer Ausführungsform wird der Kolben von einer elastischen Struktur (beispielsweise einer weichen Gummidichtung, einer Dichtung (beispielsweise aus PDMS) oder einer Faltenbalgwand) getragen.
In einer Ausführungsform sorgt die elastische Struktur für eine Dichtung, die die seitliche Bewegung von Luft verhindert, was das Rauschen reduziert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das MEMS-Die eine Entlüftung, die einen Druckausgleich im Rückvolumen mit dem Umgebungsdruck ermöglicht (jedoch nur bei nichtakustischen Frequenzen - bei akustischen Frequenzen ist sie dicht).
In 24A wird nun eine MEMS-Die beschrieben, die gemäß einer Ausführungsform einen Kolben anstelle einer Membran verwendet. Die MEMS-Die 2400 umfasst einen Kolben 2402, der starr (beispielsweise aus relativ dickem Silizium) und leitfähig (beispielsweise aus einem leitfähigen Material wie einem Metall oder einem dotierten Halbleiter (wie kristallinem Silizium)) ist, eine dem Kolben 2402 zugewandte Elektrode 2404 und eine elastische Struktur 2406, die den Kolben 2402 auf der Elektrode 2404 trägt. Ein Rückvolumen 2408 wird an der Oberseite durch den Kolben 2402, an der Unterseite durch die Elektrode 2404 und an allen Seiten durch die federnde Struktur 2406 begrenzt. Zusammen umschließen der Kolben 2402, die Elektrode 2404 und die elastische Struktur 2406 ein Rückvolumen 2408. In einigen Ausführungsformen ist die Elektrode 2404 Teil eines Substrats, das auch ein isolierendes Material umfasst, das die Elektrode 2404 trägt. Die elastische Struktur 2406 verhindert, dass Luft oder anderes Gas das Rückvolumen 2408 verlässt (beispielsweise blockiert sie die Luft oder das andere Gas daran, sich von einem zentralen Abschnitt des Rückvolumens 2408 radial nach außen zu bewegen). Anders ausgedrückt, dichtet die elastische Struktur 2406 das Rückvolumen 2408 ab, um seitliche Geschwindigkeitsgradienten im eingeschlossenen Luftvolumen zu verhindern. Mögliche Ausführungsformen der elastischen Struktur 2406 umfassen eine Dichtung aus Polydimethylsiloxan (PDMS) oder Gummi. Eine weitere mögliche Ausführung der elastischen Struktur 2406 ist eine gefaltete Wand (beispielsweise aus PDMS, Gummi oder aus steiferen Materialien wie Silizium, Siliziumnitrid oder Aluminium). Ein Beispiel für eine geeignete Struktur, die eine gefaltete Wand aufweist, ist eine flexible Balgdichtung. Eine weitere mögliche Ausführung der elastischen Struktur 2406 ist eine dünne Membran am Umfang.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Kolben 2402 eine Entlüftung 2411 auf, die einen Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen 2408 und dem Bereich außerhalb der MEMS-Die 2400 ermöglicht, wenn der Kolben 2402 in Ruhe ist oder sich relativ zur Elektrode 2404 bei nichtakustischen Frequenzen auf und ab bewegt. Die Entlüftung 2411 ist ein Loch, das so konfiguriert ist, dass es einen Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen und einem Bereich (beispielsweise einem Volumen) außerhalb der MEMS-Die bei Frequenzen unterhalb des Audiobands ermöglicht. Die Entlüftung 2411 kann beispielsweise eine Geometrie und Abmessungen aufweisen, die zu einer Impedanz führen, bei der die Entlüftung 2411 keinen Einfluss auf den Luftstrom bei Nicht-Audio-Frequenzen hat, aber den Luftstrom bei akustischen Frequenzen blockiert. Die Entlüftung 2411 muss sich nicht im Kolben 2402 befinden, sondern kann überall sein (beispielsweise in der elastischen Struktur 2406), um den Druckausgleich zu erleichtern.
In der in 24A dargestellten Ausführungsform bilden der Kolben 2402 und die Elektrode 2404 ein kapazitives Element, wobei der Kolben 2402 als erste Elektrode des kapazitiven Elements dient, die Elektrode 2404 als zweite Elektrode des kapazitiven Elements dient und die Luft oder ein anderes Gas im Rückvolumen 2408 als Dielektrikum wirkt. Im Betrieb verhalten sich der Kolben 2402 und die federnde Struktur 2406 wie ein klassisches Feder-Masse-System. Die Kapazität zwischen dem Kolben 2402 und der Elektrode 2404 ändert sich, wenn sich der Abstand zwischen ihnen ändert (d. h. wenn der Abstand zunimmt oder abnimmt). Die elastische Struktur 2406 widersteht der Bewegung des Kolbens 2402 in Richtung der Elektrode (beispielsweise als Reaktion auf eintreffende Druckwellen, wie sie beispielsweise durch Schall erzeugt werden). Wenn sich der Kolben 2402 auf die Elektrode 2404 zubewegt, wird die elastische Struktur 2406 komprimiert, baut potenzielle Energie auf und drückt den Kolben 2402 von der Elektrode 2404 weg (wenn die äußere Kraft, die auf den Kolben 2402 drückt, ausreichend abnimmt). Weitere Ausführungsformen von MEMS-Die mit einer Kolben-Feder-Struktur werden in den 24B, 25A, 25C, 25D, 26A, 26D, 26E und 26F beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die in Verbindung mit 24A beschriebenen Prinzipien und Variationen (die die Entlüftung umfassen) auch auf diese weiteren Ausführungsformen der MEMS-Die angewendet werden können.
In einer Ausführungsform, wenn das MEMS-Die 2400 in ein Mikrofon integriert ist, ist der Kolben 2402 elektrisch mit einer Vorspannungsquelle 2409 und die Elektrode 2404 elektrisch mit einem integrierten Schaltkreis 2410 (beispielsweise mit einem Verstärkereingang davon) verbunden. Alternativ kann der Kolben 2402 elektrisch mit dem integrierten Schaltkreis 2410 und die Elektrode 2404 elektrisch mit der Spannungsquelle 2409 verbunden sein.
In 24B ist eine Variante des MEMS-Die 2400 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Die MEMS-Die 2450 umfasst einen Kolben 2403, der einen isolierenden Abschnitt 2403a und eine Elektrode 2403b aufweist. In dieser Ausführungsform ist es die Elektrode 2403b, die als erste Elektrode in dem kapazitiven Element fungiert (wobei die Elektrode 2404 als zweite Elektrode fungiert).
In einer Ausführungsform sind in der Elektrode 2404 von 24A und 24B Kanäle 2412 ausgebildet. In einer Ausführungsform sind die Abmessungen der Kanäle 2412 so, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle 2412 weniger als eine einzige thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist. Jeder der Kanäle 2412 erstreckt sich vom Kolben 2402 weg in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung relativ zum Kolben 2402 (beispielsweise parallel zu einer zentralen Achse des MEMS-Dies). Neben anderen Vorteilen erhöhen die Kanäle 2412 die gesamte Nachgiebigkeit der Luft innerhalb der MEMS-Die (beispielsweise durch Hinzufügen von Luftvolumen weg von dem Raum zwischen der Elektrode und dem Kolben), ohne vollständig durch die Elektrode 2404 zu dringen. Der Raum innerhalb der Kanäle 2412 ist Teil des Rückvolumens.
In 24C ist eine perspektivische Ansicht der Elektrode 2404 aus 24A (nachdem das MEMS-Die 2400 entlang der Linie A-A' im Querschnitt dargestellt ist) gemäß einer Ausführungsform gezeigt. In dieser Ausführungsform sind in der Elektrode 2404 Säulen 2414 ausgebildet, und die Zwischenräume zwischen den Säulen 2414 bilden die Kanäle 2412. Die Kanäle 2412 und die Säulen 2414 können eine beliebige Form haben, solange jeder Punkt innerhalb des Kanals weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer Oberfläche einer Säule 2414 an der oberen Grenze der Tonfrequenz entfernt ist.
In 24D ist eine Draufsicht auf die Elektrode 2404 aus 24A (nachdem das MEMS-Die 2400 entlang der Linie A-A' im Querschnitt dargestellt ist) gemäß einer anderen Ausführungsform gezeigt. In dieser Ausführungsform sind die Kanäle 2412 in der Elektrode 2404 in konzentrischen Ringen ausgebildet.
In verschiedenen Ausführungsformen ist die dem Kolben zugewandte Elektrode (auf der gegenüberliegenden Seite der Spalte / des Dielektrikums) Teil einer Schichtstruktur, die allgemein als Substrat bezeichnet wird und beispielsweise eine Schicht aus polykristallinem Silizium und eine Schicht aus Isoliermaterial umfassen kann, wobei die Elektrode in das Substrat eingebettet (beispielsweise innerhalb des Isoliermaterials) oder auf der Oberfläche des Substrats (beispielsweise auf dem Isoliermaterial) angeordnet ist. In 25A ist eine MEMS-Die gemäß einer solchen Ausführungsform dargestellt. Die MEMS-Die 2500 umfasst einen Kolben 2502, der wie der Kolben 2402 von 24A konfiguriert ist und die gleichen möglichen Variationen aufweist, einschließlich einer unterschiedlichen Elektrode und eines isolierenden Materials. Die MEMS-Die 2500 umfasst des Weiteren ein Substrat 2504 und eine federnde Struktur 2506, die den Kolben 2502 auf dem Substrat 2504 trägt. Mögliche Implementierungen des Kolbens 2502 und der elastischen Struktur 2506 umfassen diejenigen, die in Verbindung mit den Kolben- und elastischen Strukturen von 24A und 24B diskutiert wurden. Ein Rückvolumen 2508 wird oben durch den Kolben 2502, unten durch das Substrat 2504 und an allen Seiten durch die elastische Struktur 2506 begrenzt. Der Kolben 2502, das Substrat 2504 und die federnde Struktur 2506 umschließen ein Rückvolumen 2508. Die elastische Struktur 2506 verhindert, dass Luft das Rückvolumen 2508 verlässt, und blockiert insbesondere, dass sich Luft von einem zentralen Abschnitt des Rückvolumens 2508 radial nach außen bewegt. Das Substrat 2504 umfasst eine Isolierschicht 2510 (beispielsweise aus Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid) und eine Elektrode 2512, die in die Isolierschicht 2510 eingebettet ist. Die Elektrode 2512 ist dem Kolben 2502 zugewandt, so dass zwischen dem Kolben 2502 und der Elektrode 2512 eine Kapazität besteht (wobei der Kolben 2502 als erste Elektrode eines Kondensators wirkt, die Elektrode 2512 als zweite Elektrode des Kondensators wirkt und die Luft oder ein anderes Gas im Rückvolumen 2508 als Dielektrikum wirkt). In einigen Ausführungsformen umfasst der Kolben 2502 jedoch sowohl isolierendes Material als auch einen leitfähigen Abschnitt oder eine leitfähige Schicht, wobei der leitfähige Abschnitt oder die leitfähige Schicht als erste Elektrode des Kondensators wirkt. In einer Ausführungsform, wenn das MEMS-Die 2500 in ein Mikrofon integriert ist, ist der Kolben 2502 elektrisch mit einer Vorspannungsquelle 2514 und die Elektrode 2512 elektrisch mit einer integrierten Schaltung 2516 (beispielsweise mit einem Verstärkereingang davon) verbunden. Alternativ kann der Kolben 2502 elektrisch mit dem integrierten Schaltkreis 2516 und die Elektrode 2512 elektrisch mit der Spannungsquelle 2514 verbunden sein.
In einer Ausführungsform sind in dem Substrat 2504 Kanäle 2518 ausgebildet, und die Elektrode 2512 überspannt die Kanäle 2518. In einer Ausführungsform sind die Abmessungen der Kanäle 2518 so, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle 2518 weniger als eine einzige thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist. In der Ausführungsform von 25A erstreckt sich jeder der Kanäle 2518 vom Kolben 2502 weg in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung relativ zum Kolben 2502 (beispielsweise parallel zu einer Mittelachse der MEMS-Die 2500). Die Kanäle 2518 erstrecken sich durch die Elektrode 2512. Neben anderen Vorteilen erhöhen die Kanäle 2516 die gesamte Nachgiebigkeit der Luft innerhalb der MEMS-Die 2500 (beispielsweise durch Hinzufügen von Luftvolumen außerhalb des Raums zwischen der zweiten Elektrode 2512 und dem Kolben 2502), ohne das Substrat 2504 vollständig zu durchdringen. Der Raum innerhalb der Kanäle 2518 ist Teil des Rückvolumens 2508.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das MEMS-Die 2500 Wände 2520 und einen oder mehrere externe Leiter 2522. Jeder äußere Leiter 2522 ist elektrisch mit dem Kolben 2502 (oder mit einer Elektrode auf dem Kolben 2502, wenn der Kolben isolierendes Material umfasst) an einem Ende und mit einer Wand 2520 am anderen Ende verbunden. In einer Ausführungsform ist jeder der ein oder mehreren externen Leiter 2522 ein elastisches Element, beispielsweise eine Metallfeder. Die Wände 2520 sind über einen Kontakt 2524 (beispielsweise einen eutektischen Metallkontakt) und einen leitfähigen Pfad 2526 innerhalb der Isolierschicht 2510 des Substrats 2504 (ggf. mit Durchkontaktierungen (TSVs)) mit der Spannungsquelle 2514 verbunden. 25B zeigt die Wände 2520 und die externen Leiter 2522 von oben auf den Kolben 2502 gesehen.
In einer Variante der in Verbindung mit 25A beschriebenen Ausführungsform kann die Funktion der Elektrode 2512 von zwei Elektroden übernommen werden, die in der MEMS-Die 2550 von 25C dargestellt sind. In dieser Ausführungsform wird die Funktion der Elektrode 2512 durch eine Elektrode 2512a und eine Elektrode 2512b erfüllt, die beide im Substrat 2504 (in der Isolierschicht 2510) eingebettet dargestellt sind. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode 2512a über einen leitfähigen Pfad 2526a elektrisch mit der Spannungsquelle 2514 verbunden und die Elektrode 2512b ist über einen leitfähigen Pfad 2526b elektrisch mit der integrierten Schaltung 2516 (beispielsweise mit einem Verstärkereingang davon) verbunden.
In einer Ausführungsform ist der Kolben über einen sehr großen Widerstand mit einem elektrischen Potential verbunden. In einer Ausführungsform kann das elektrische Potenzial elektrische Masse sein. Der Widerstand des Widerstands sollte groß genug sein, um die elektrische Eckfrequenz unter die gewünschte niedrige akustische Eckfrequenz (beispielsweise 20 Hz) zu setzen. In einer Ausführungsform kann der Widerstand 10^12 Ohm betragen. In anderen Ausführungsformen kann der Widerstand kleiner oder größer als 10^12 Ohm sein. In einer Ausführungsform wird der Widerstand durch den elektrischen Leckleitwert der elastischen Struktur 2506b und der Isolierschicht 2510 gebildet. In Operation ist der Kolben mit einem elektrischen Potential im Gleichstromsinne verbunden, aber im Wechselstromsinne elektrisch isoliert. In einer solchen Ausführungsform führt die Bewegung des Kolbens auf die dem Kolben zugewandten Elektroden zu und von diesen weg zu einer Kapazitätsänderung zwischen dem Kolben und den Elektroden und induziert ein Signal in einer der Elektroden (die andere Elektrode wird mit einer Gleichspannung versorgt). Ein Beispiel hierfür ist in 25D dargestellt (eine Variante der in Verbindung mit 25C beschriebenen Ausführungsform). In 25D weist eine MEMS-Die 2560 einen Kolben 2502 auf, der elektrisch schwebend ist. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode 2512a über einen leitfähigen Pfad 2526a mit der Spannungsquelle 2414 verbunden, und die Elektrode 2412b ist über einen leitfähigen Pfad 2526b mit der integrierten Schaltung 2416 (beispielsweise mit einem Verstärkereingang davon) verbunden.
In 25E ist eine perspektivische Teilansicht des Substrats 2504 im Querschnitt entlang der Linie B-B' (von 25A) gemäß einer Ausführungsform zu sehen. In dieser Ausführungsform sind Säulen 2530 in das Substrat 2504 eingearbeitet, und die Zwischenräume zwischen den Säulen 2530 bilden die Kanäle 2518. Wenigstens einige der Säulen (in einigen Ausführungsformen alle) umfassen eine elektrisch leitfähige Schicht 2532, die (beispielsweise mit einem TSV entlang der Längsachse der Säule) mit einem einzigen, gemeinsamen Leiter verbunden ist, so dass alle elektrisch leitfähigen Schichten Teil der Elektrode 2512 sind. Diese Substratkonfiguration kann auch in den Ausführungsformen von 25C und 25D verwendet werden, jedoch mit zwei elektrisch getrennten leitfähigen Schichten anstelle der einzelnen elektrisch leitfähigen Schicht 2522, die in 25E gezeigt ist.
In 25F ist eine Draufsicht auf das Substrat 2504 im Querschnitt entlang der Linie C-C' (von 25A) gemäß einer anderen Ausführungsform dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Kanäle 2518 in dem Substrat 2504 in Ringen ausgebildet, wie die in 25F gezeigten konzentrischen Ringe zwischen Teilen der Elektrode 2512, die ebenfalls in konzentrischen Ringen 2536 ausgebildet ist. In dieser Ausführungsform verbindet eine einzige leitfähige Rippe 2534 die Ringe 2536 der Elektrode 2512 elektrisch miteinander. Diese Substratkonfiguration kann auch in den Ausführungsformen von 25C und 25D verwendet werden, jedoch mit zwei separaten Elektroden (beispielsweise mit zwei separaten leitfähigen Rippen).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen sind im Kolben Kanäle vorgesehen, um die Nachgiebigkeit der Luft im Rückvolumen zu erhöhen. In 26A ist eine MEMS-Die gemäß einer solchen Ausführungsform dargestellt. Die MEMS-Die 2600 umfasst einen Kolben 2602, der starr (beispielsweise aus relativ dickem Silizium) und leitfähig ist (beispielsweise ein Halbleiter wie kristallines Silizium), ein Substrat 2604 und eine federnde Struktur 2606, die den Kolben 2602 auf dem Substrat 2604 trägt. Mögliche Implementierungen des Kolbens 2602 und der elastischen Struktur 2606 umfassen diejenigen, die in Verbindung mit dem Kolben 2402 und der elastischen Struktur 2406 von 24A diskutiert wurden. Der Kolben 2602, das Substrat 2604 und die elastische Struktur 2606 schließen ein Rückvolumen 2608 ein. Die elastische Struktur 2606 hindert die Luft daran, das Rückvolumen 2608 zu verlassen, und blockiert insbesondere die Luft daran, sich von einem zentralen Abschnitt des Rückvolumens 2608 radial nach außen zu bewegen. Das Substrat 2604 umfasst eine Isolierschicht 2610 (beispielsweise aus Siliziumdioxid) und eine Elektrode 2612, die in die Isolierschicht 2610 eingebettet ist.
Bezogen auf 26A ist die Elektrode 2612 dem Kolben 2602 zugewandt, so dass eine Kapazität zwischen dem Kolben 2602 und der Elektrode 2612 besteht (wobei der Kolben 2602 als erste Elektrode eines Kondensators wirkt, die Elektrode 2612 als zweite Elektrode des Kondensators wirkt und die Luft oder ein anderes Gas im Rückvolumen 2608 als Dielektrikum wirkt). In einigen Ausführungsformen umfasst der Kolben 2602 jedoch sowohl isolierendes Material als auch einen leitfähigen Abschnitt oder eine leitfähige Schicht, wobei der leitfähige Abschnitt oder die leitfähige Schicht als erste Elektrode des Kondensators wirkt. In einer Ausführungsform, wenn das MEMS-Die 2600 in ein Mikrofon integriert ist, ist der Kolben 2602 elektrisch mit einer Spannungsquelle 2614 (beispielsweise über externe Leiter 2622) und die Elektrode 2612 elektrisch mit einer integrierten Schaltung 2616 (beispielsweise mit einem Verstärkereingang davon) (beispielsweise über einen leitfähigen Pfad 2622) verbunden. Alternativ dazu kann der Kolben 2602 elektrisch mit dem integrierten Schaltkreis 2616 und die Elektrode 2612 elektrisch mit der Spannungsquelle 2614 verbunden sein.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst der Kolben 2602 Kanäle 2618. Der Raum innerhalb der Kanäle 2618 ist Teil des Rückvolumens 2608. Die Abmessungen der Kanäle 2618 sind so, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle 2618 weniger als eine einzige thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist. In der Ausführungsform von 26A erstreckt sich jeder der Kanäle 2618 vom Substrat 2604 weg in einer im Wesentlichen senkrechten Ausrichtung relativ zum Substrat 2604 (beispielsweise parallel zu einer zentralen Achse der MEMS-Die 2600). Neben anderen Vorteilen erhöhen die Kanäle 2618 die gesamte Nachgiebigkeit der Luft innerhalb der MEMS-Die 2600 (beispielsweise durch Hinzufügen von Luftvolumen weg von dem Raum zwischen dem Substrat 2604), ohne vollständig durch den Kolben 2602 zu dringen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das MEMS-Die 2600 Wände 2620 und einen oder mehrere externe Leiter 2622. Jeder externe Leiter 2622 ist so konfiguriert, wie zuvor in Bezug auf den externen Leiter 2522 von 25A (einschließlich der möglichen Implementierungen) beschrieben, und ihre Funktion und Beziehung zu den Wänden 2620 ist ebenfalls so, wie zuvor in Bezug auf die Wände 2520 von 25A und 25B beschrieben.
26B zeigt eine perspektivische Teilansicht eines Querschnitts des Kolbens 2602 entlang der Linie D-D'. In dieser Ausführungsform sind Säulen 2624 in den Kolben 2602 eingeformt, und die Räume zwischen den Säulen 2624 bilden die Kanäle 2618.
In 26C ist eine Bodenansicht des Kolbens 2602 im Querschnitt entlang der Linie D-D' gemäß einer anderen Ausführungsform dargestellt. In dieser Ausführungsform sind die Kanäle 2618 in konzentrischen Ringen in den Kolben 2602 eingeformt.
In einer Variante der in Verbindung mit 26A beschriebenen Ausführungsform kann die Funktion der Elektrode 2612 von zwei Elektroden übernommen werden, wie in der MEMS-Die 2650 von 26D gezeigt. In dieser Ausführungsform werden die Funktionen der Elektrode 2612 durch eine Elektrode 2612a und eine Elektrode 2612b ausgeführt. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode 2612a mit der Spannungsquelle 2614 und die Elektrode 2612b mit der integrierten Schaltung 2616 (beispielsweise mit einem Verstärkereingang davon) über entsprechende leitfähige Pfade 2622a und 2622b verbunden.
In einer Variante der in Verbindung mit 26D beschriebenen Ausführungsform kann der Kolben 2602 elektrisch schwebend sein, wie in der MEMS-Die 2660 von 26E gezeigt. In dieser Ausführungsform ist die Elektrode 2612a über einen leitfähigen Pfad 2622a mit der Spannungsquelle 2614 verbunden, und die Elektrode 2612b ist über einen leitfähigen Pfad 2622b mit der integrierten Schaltung 2616 (beispielsweise mit einem Verstärkereingang davon) verbunden.
In den verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen von MEMS-Dies (beispielsweise die MEMS-Dies von 24B, 25A, 25C, 25D, 26A, 26D und 26E) kann das MEMS-Die auch eine elastische Struktur innerhalb des Rückvolumens (beispielsweise in der Nähe einer zentralen Achse der MEMS-Die) umfassen. Eine solche federnde Struktur kommt zu einer federnden Struktur am Umfang des Kolbens hinzu. Ein Beispiel für eine solche Ausführungsform ist in 26F dargestellt, in der ein MEMS-Die 2670 wie der MEMS-Die 2600 von 26A konfiguriert ist, außer dass der MEMS-Die 2670 eine zweite elastische Struktur 2607 innerhalb des Rückvolumens 2608 umfasst. Ein möglicher Vorteil der zweiten elastischen Struktur 2607 besteht darin, dass sie die Resonanzfrequenz für das MEMS-Die 2670 erhöhen kann, um nachteilige Auswirkungen zu begrenzen, die sich ergeben würden, wenn die Resonanz im oder in der Nähe des Audiobands vorhanden wäre.
In verschiedenen Ausführungsformen der oben beschriebenen MEMS-Dies ermöglichen bestimmte Innovationen ein Rückvolumen, das so konfiguriert ist, dass jeder Punkt innerhalb des Rückvolumens nicht mehr als eine einzige thermische Grenzschichtdicke von einer festen Oberfläche entfernt ist. Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen beschrieben, bei denen MEMS-Dies mit solchen Rückvolumen-Konfigurationen mit Membran-Anordnungen kombiniert werden.
Beispielsweise umfasst ein MEMS-Die 2700 (siehe 27) eine Doppelmembran-Membrananordnung 2701. Die Anordnung mit zwei Membranen 2701 umfasst eine erste Membran 2702, die eine erste Elektrode 2704 umfasst, eine zweite Membran 2706, die eine zweite Elektrode 2708 umfasst, und eine Rückplatte 2710, die eine dritte Elektrode 2712 umfasst. Die erste Membran 2702 und die zweite Membran 2706 sind so ausgerichtet, dass sie einander gegenüberliegen, und die Rückplatte 2710 ist zwischen der ersten Membran 2702 und der zweiten Membran 2706 angeordnet und sowohl der ersten Membran 2702 als auch der zweiten Membran 2706 zugewandt. Die erste Membran 2702 und die zweite Membran 2706 sind durch Säulen 2713, die sich durch die Rückplatte 2710 erstrecken, miteinander verbunden. Die MEMS-Die 2700 umfasst des Weiteren einen Abstandshalter 2714, der zwischen der ersten Membran 2702 und der Rückplatte 2710 geschichtet und mit diesen verbunden ist, sowie einen Abstandshalter 2716, der zwischen der zweiten Membran 2706 und der Rückplatte 2710 geschichtet und mit diesen verbunden ist. Ein Bereich 2716 zwischen der ersten Membran 2702 und der zweiten Membran 2706 ist abgedichtet und steht unter einem niedrigeren Druck als dem Standardatmosphärendruck (beispielsweise 50 % Atmosphärendruck) und kann sich auf oder nahe einem Vakuum befinden. Die MEMS-Die 2700 umfasst des Weiteren ein Gehäuse 2718, das aus einem Substrat gebildet ist und als solches fungiert. Die zweite Membran 2706 ist über einen Abstandshalter 2720 an dem Gehäuse 2718 befestigt.
In einer Ausführungsform sind in dem Gehäuse 2718 Kanäle 2722 ausgebildet. In einer Ausführungsform sind die Abmessungen der Kanäle 2722 so, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle 2722 weniger als eine einzige thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist. Die Kanäle 2722 erhöhen die gesamte Nachgiebigkeit der Luft innerhalb der MEMS-Die 2700. Der Raum innerhalb der Kanäle 2722 ist Teil des Rückvolumens. Mögliche Konfigurationen für die Topographie des Substrats 2718 umfassen diejenigen, die in Verbindung mit 24C und 24D mit Säulen bzw. Ringen diskutiert wurden.
Eine Variante des MEMS-Die 2700 ist in 28A dargestellt. Die MEMS-Die 2800 umfasst die Anordnung der Membran 2701 aus 27, jedoch mit einem Substrat, das mit 2802 bezeichnet ist. An der ersten Membran 2702 ist (über einen Abstandshalter 2805) ein Gehäuse 2806 angebracht. In dem Gehäuse 2806 sind Kanäle 2810 ausgebildet. In einer Ausführungsform sind die Kanäle 2810 so bemessen, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle 2810 weniger als eine einzige thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist. Der Raum innerhalb der Kanäle 2810 ist Teil des Rückvolumens. Mögliche Konfigurationen für die Topographie des Gehäuses 2806 umfassen die in Verbindung mit 26B und 26C diskutierten mit Säulen bzw. Ringen. Das Substrat 2802 weist ein Loch 2820 auf, durch das der Schall hindurchgeht. Die zweite Membran 2706 ist über einen Abstandshalter 2822 mit dem Substrat 2802 verbunden.
Eine Variante des MEMS-Die 2800 ist in 28B dargestellt. Ein MEMS-Die 2850 umfasst das Gehäuse 2806 und das Substrat 2802. Zusätzlich weist das MEMS-Die 2850 eine einzelne Membran 2852 und eine der Membran 2852 zugewandte Rückplatte 2854 auf. Die Membran 2852 weist eine erste Elektrode 2856 und die Rückplatte 2854 eine zweite Elektrode 2858 auf. Die Membran 2852 ist über einen Abstandshalter 2860 mit dem Gehäuse 2806 verbunden. Die Rückplatte 2854 ist über einen Abstandshalter 2862 mit der Membran 2852 und über einen Abstandshalter 2864 mit dem Substrat 2802 verbunden. Während der Operation tritt der Schall in die Öffnung 2820 ein, durchdringt die Rückplatte 2854 und trifft auf die Membran 2852.
Eine weitere Variante des MEMS-Die 2800 ist in 28C dargestellt. Die MEMS-Die 2870 ähnelt der MEMS-Die 2850 von 28B, mit der Ausnahme, dass die Positionen der Rückplatte 2854 und der Membran 2852 vertauscht sind und eine zweite Rückplatte 2862 vorhanden ist, die eine Elektrode 2864 aufweist.
In 29 ist ein Anwendungsbeispiel für den MEMS-Die 2700 aus 27 im Zusammenhang mit einem Sensor dargestellt, insbesondere einem akustischen Sensor, der als Mikrofon 2900 bezeichnet wird. Das Mikrofon 2900 weist ein Gehäuse 2902 auf, das eine Dose 2904 und eine Basis 2906 umfasst. Die Dose 2904 ist an der Basis 2906 befestigt. Druckwellen (beispielsweise Schallwellen) treten in einen Port 2908 an der Dose 2904 ein und treffen auf die erste Membran 2702, wodurch diese sich biegt und eine entsprechende Biegung in der zweiten Membran 2706 (über die Säulen 2713) hervorruft. Folglich ändert sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode 2704 und der dritten Elektrode 2712, wodurch sich die Kapazität zwischen der ersten Elektrode 2704 und der dritten Elektrode 2712 ändert. Ebenso ändert sich der Abstand zwischen der zweiten Elektrode 2708 und der dritten Elektrode 2712, wodurch sich die Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 2708 und der dritten Elektrode 2712 ändert. Diese Kapazitätsänderungen werden von einem elektrischen Schaltkreis (beispielsweise einem integrierten Schaltkreis) 2910 gelesen, der über einen oder mehrere Signalpfade (beispielsweise Drähte) 2912 mit der MEMS-Die 2700 verbunden ist. Der elektrische Schaltkreis 2910 wertet dann die Signale aus, die die Kapazitätsänderungen darstellen, und interpretiert die Signale beispielsweise als Schall. Der elektrische Schaltkreis liefert dann weitere Signale, die die Interpretation darstellen, über einen oder mehrere zusätzliche Signalwege (beispielsweise Drähte) an externe Geräte.
In 30 ist ein Beispiel für die Verwendung des MEMS-Die 2800 im Zusammenhang mit einem Sensor dargestellt, insbesondere einem akustischen Sensor, der als Mikrofon 3000 bezeichnet wird. Das Mikrofon 3000 weist ein Gehäuse 3002 auf, das eine Dose 3004 und eine Basis 3006 umfasst. Die Dose 3004 ist an der Basis 3006 befestigt. Druckwellen (beispielsweise Schallwellen) treten in einen Port 3008 an der Basis 3006 ein, durchdringen die Durchgangsöffnung 2820 im Substrat 2802 und treffen auf die zweite Membran 2806, wodurch diese sich biegt und eine entsprechende Biegung der ersten Membran 2802 (über die Säulen 2813) hervorruft. Folglich ändert sich der Abstand zwischen der ersten Elektrode 2804 und der dritten Elektrode 2812, wodurch sich die Kapazität zwischen der ersten Elektrode 2804 und der dritten Elektrode 2812 ändert. Ebenso ändert sich der Abstand zwischen der zweiten Elektrode 2808 und der dritten Elektrode 2812, wodurch sich die Kapazität zwischen der zweiten Elektrode 2808 und der dritten Elektrode 2812 ändert. Diese Kapazitätsänderungen werden von einem elektrischen Schaltkreis (beispielsweise einem integrierten Schaltkreis) 3010 gelesen, der über einen oder mehrere Signalpfade (beispielsweise Drähte) 3012 mit der MEMS-Die 2800 verbunden ist. Der elektrische Schaltkreis 3010 wertet dann die Signale aus, die die Kapazitätsänderungen darstellen, und interpretiert die Signale beispielsweise als Schall. Der elektrische Schaltkreis liefert dann weitere Signale, die die Interpretation repräsentieren, über einen oder mehrere zusätzliche Signalpfade (beispielsweise Drähte) an externe Geräte.
Andere Arten von Anordnungen mit zwei Membranen können auch anstelle der Anordnung mit zwei Membranen 2701 von 27, 28A, 29 und 30 verwendet werden. Zum Beispiel kann eine MEMS-Anordnung mit dielektrischem Motor verwendet werden. Die Prinzipien einer solchen Anordnung gemäß einer Ausführungsform werden nun unter Bezugnahme auf 31A, 31B und 32 beschrieben.
Zu 31A: In einer Ausführungsform umfasst eine MEMS-Vorrichtung 3100 mit dielektrischem Motor eine erste Elektrode 3110, die in Längsrichtung und parallel zu einer Achse 3160 ausgerichtet ist. Die erste Elektrode 3110 weist ein erstes Ende 3111 und ein zweites Ende 3112 auf. Die MEMS-Vorrichtung 3100 umfasst auch eine zweite Elektrode 3120, die in Längsrichtung und parallel zu der Achse 3160 ausgerichtet ist. Die zweite Elektrode 3120 weist ein erstes Ende 3121 und ein zweites Ende 3122 auf. Die MEMS-Vorrichtung 3100 umfasst des Weiteren eine dritte Elektrode 3130, die in Längsrichtung entlang der Achse 3160 und parallel zu dieser ausgerichtet ist. Die dritte Elektrode 3130 weist ein erstes Ende 3131 und ein zweites Ende 3132 auf. Die Elektroden 3110, 3120 und 3130 können Zylinder, Platten, Quader, Prismen, Polyeder oder andere Formen von Elektroden sein. Die Länge der ersten Elektrode 3110 ist länger als die Länge der zweiten Elektrode 3120 und länger als die Länge der dritten Elektrode 3130. Die MEMS-Vorrichtung 3100 weist ein festes Dielektrikum 3150 auf, das zwischen den Elektroden angeordnet ist. Das Dielektrikum 3150 kann beispielsweise aus Siliziumnitrid bestehen. Die Elektroden 3110, 3120 und 3130 bestehen aus einem Leiter oder einem Halbleiter, wie beispielsweise plattierten Metallen oder Polysilizium.
In einer Ausführungsform ist die erste Elektrode 3110 ein elektrisch leitfähiger Pin aus einer Vielzahl von ersten elektrisch leitfähigen Pins, die elektrisch miteinander verbunden sind, die zweite Elektrode 3120 ist ein elektrisch leitfähiger Pin aus einer Vielzahl von zweiten elektrisch leitfähigen Pins, die elektrisch miteinander verbunden sind, und die dritte Elektrode 3130 ist ein elektrisch leitfähiger Pin aus einer Vielzahl von dritten elektrisch leitfähigen Pins, die elektrisch miteinander verbunden sind.
Zu 31B: In einer Ausführungsform weist das Dielektrikum 3150 eine Vielzahl von Blenden 3156 auf, die das Dielektrikum 3150 in einer Richtung parallel zu einer Achse 3160 durchdringen. Die Blenden 3156 sind als zylindrisch dargestellt, können aber jede geeignete Form haben. Die erste, zweite und dritte Elektrode können jeweils zumindest teilweise innerhalb einer Blende der Vielzahl von Öffnungen 3156 angeordnet sein. Mit anderen Worten, ein Teil einer Elektrode kann sich innerhalb einer Blende befinden und/oder die Elektrode kann sich in einem Teil der Blende befinden. Gemäß einer möglichen Ausführungsform befinden sich zumindest die zweite und die dritte Elektrode nur teilweise innerhalb der Blenden 3156, damit die Enden außerhalb des Dielektrikums 3150 liegen. Zum Beispiel kann die erste Elektrode 3110 zumindest teilweise innerhalb einer ersten Blende der Vielzahl von Blenden 3156 angeordnet sein. Das zweite Ende 3122 der zweiten Elektrode 3120 kann innerhalb einer zweiten Blende der Vielzahl von Öffnungen 3156 angeordnet sein. Das erste Ende 3131 der dritten Elektrode 3130 kann innerhalb einer dritten Blende der Vielzahl von Öffnungen 3156 angeordnet sein.
Bezug nehmend auf 31B weist das Dielektrikum 3150 eine erste Oberfläche 3151 und eine zweite Oberfläche 3152 auf. Die erste Oberfläche 3151 und die zweite Oberfläche 3152 liegen parallel zu einer Ebene, die senkrecht zur Achse 3160 verläuft. In der in 31B dargestellten Konfiguration ragen das erste Ende 3111 der ersten Elektrode 3110 und das erste Ende 3121 der zweiten Elektrode 3120 über die erste Oberfläche 3151 hinaus, und die zweiten Enden 3112 und 3132 der jeweiligen ersten und dritten Elektrode 3110 und 3130 ragen über die zweite Oberfläche 3152 hinaus.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Elektroden der Vorrichtung 3100 im Wesentlichen relativ zueinander fixiert. Beispielsweise können die Elektroden eine geringfügige Relativbewegung zueinander aufgrund von Biegung und anderen Kräften zulassen. Das Dielektrikum 3150 und die Elektroden können sich auch frei relativ zueinander bewegen. Zum Beispiel kann das Dielektrikum 3150 parallel zur Achse 3160 relativ zur ersten, zweiten und dritten Elektrode bewegt werden. Zusätzlich oder alternativ können die erste, zweite und dritte Elektrode relativ zum Dielektrikum 3150 beweglich sein. Das Dielektrikum 3150 kann auch andere Formen annehmen, wie ein oder mehrere Segmente oder Elemente.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform kann das Dielektrikum 3150 wenigstens 50% eines Abstands (beispielsweise eines Abstands senkrecht zur ersten Länge der ersten Elektrode 3110) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 3120 ausfüllen. Beispielsweise kann das Dielektrikum 3150 wenigstens 75 % des Abstands, wenigstens 80 % des Abstands oder wenigstens zwischen 80 und 90 % des Abstands ausfüllen. Das Dielektrikum 3150 kann aber auch einen beliebigen Anteil von 1 % bis 99 % des Abstands ausfüllen. Je mehr das Dielektrikum die Spalte zwischen den Elektroden ausfüllt, desto mehr ändert sich die Kapazität pro Verschiebungseinheit und desto höher ist die Kraft, die bei einer bestimmten Spannungsvorspannung zwischen den Elektroden erzeugt wird. Zwischen dem Dielektrikum und den Elektroden sollte ein minimaler Spalt verbleiben, vorbehaltlich fertigungstechnischer Beschränkungen, damit das Dielektrikum und die Elektroden relativ zueinander beweglich bleiben.
Gemäß einer Ausführungsform besteht eine erste Kapazität zwischen der ersten Elektrode 3110 und der zweiten Elektrode 3120, und eine zweite Kapazität besteht zwischen der ersten Elektrode 3110 und der dritten Elektrode 3130. Die Kapazität zwischen den Elektroden ist eine Funktion ihrer Position in Bezug auf das Dielektrikum 3150. Beispielsweise können sich die Werte der ersten und zweiten Kapazität in entgegengesetzte Richtungen ändern, wenn sich das Dielektrikum 3150 relativ zu den Elektroden in einer Richtung parallel zur Achse 3160 bewegt. Wenn sich also beispielsweise das Dielektrikum 3150 bewegt und die erste Kapazität erhöht, kann die zweite Kapazität gleichzeitig abnehmen. Eine elektrostatische Kraft auf das Dielektrikum 3150 relativ zu den Elektroden 3110, 3120 und 3130 kann jedoch relativ zur Verschiebung im Wesentlichen unverändert sein.
Gemäß einer Ausführungsform wird während der Operation der MEMS-Vorrichtung 3100 eine Spannung von einer ersten Spannungsquelle V1 zwischen der ersten Elektrode 3110 und der zweiten Elektrode 3120 angelegt, wodurch eine relativ konstante Kraft F1 erzeugt wird. Eine Spannung von einer zweiten Spannungsquelle V2 wird zwischen der ersten Elektrode 3110 und der dritten Elektrode 3130 angelegt, um eine relativ konstante Kraft F2 zu erzeugen. Die Kräfte F1 und F2 sind entgegengesetzt. Wenn die Struktur relativ symmetrisch ist und die Spannungsquellen V1 und V2 gleich groß sind, sind die Kräfte F1 und F2 gleich groß, so dass zwischen dem Dielektrikum und den Elektroden eine Nettokraft von null ausgeübt wird. Die Größe der Spannungen der Spannungsquellen V1 und V2 kann ungleich sein, um Asymmetrien in der Struktur auszugleichen oder um absichtlich eine Nettokraft ungleich Null zwischen dem Dielektrikum und den Elektroden zu erzeugen.
In 32 wird nun eine MEMS-Vorrichtung 3200 mit dielektrischem Motor gemäß einer anderen Ausführungsform beschrieben. In dieser Ausführungsform wird die Funktion der ersten Elektrode 3110 (aus 3A und 3B) durch einen ersten Satz elektrisch miteinander verbundener Elektroden 3210-x ausgeführt, die Funktion der zweiten Elektrode 3120 wird durch einen zweiten Satz elektrisch miteinander verbundener Elektroden 3220-x ausgeführt, und die Funktion der dritten Elektrode 3130 wird durch einen dritten Satz elektrisch miteinander verbundener Elektroden 3230-x ausgeführt. Der zweite und der dritte Elektrodensatz 3220-x und 3230-x können auf beiden Seiten des ersten Elektrodensatzes 3210-x versetzt angeordnet sein. Dies ermöglicht eine größere Kapazität und eine Zunahme der Kapazitätsänderung bei Verschiebung. Andere Konfigurationen von leitfähigen und dielektrischen Elementen, wie Stäbe oder Ringe, können ebenfalls verwendet werden.
In 33 ist eine Anordnung mit zwei Membranen dargestellt, die das MEMS-Vorrichtung 3200 aus 32 enthält. Die Anordnung mit zwei Membranen 3300 umfasst eine Membran 3370, die mit dem ersten Satz von Elektroden 3210-x und dem dritten Satz von Elektroden 3230-x verbunden ist. Die Membran 3370 weist eine Oberfläche 3372 auf, die senkrecht zur Achse 3360 verläuft. Die Oberfläche 3372 ist im Wesentlichen eben (beispielsweise eben, aber mit Unebenheiten auf der Oberfläche 3372 oder leicht gekrümmt oder uneben, wobei die Oberfläche 3372 immer noch in einer für eine Membran nützlichen Weise operieren kann). Die Membran 3370 kann aus geschichteten Schichten bestehen. Die Anordnung mit zwei Membranen 3300 umfasst auch eine zweite Membran 3374, die sich auf einer der ersten Membran 3370 gegenüberliegenden Seite des Dielektrikums 3350 befindet. Die zweite Membran 3374 ist mit dem ersten Satz von Elektroden 3210-x und dem zweiten Satz von Elektroden 3220-x verbunden. Die zweite Membran 3374 weist eine im Wesentlichen ebene Oberfläche 3376 auf und ist senkrecht zur Achse 3360 ausgerichtet. Die erste Membran 3370 und die zweite Membran 3374 sind von dem Dielektrikum 3350 beabstandet, um eine Relativbewegung zwischen den mit der ersten und der zweiten Membran verbundenen Elektroden und dem Dielektrikum 3350 zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform ist ein abgedichteter Niederdruckbereich zwischen den Membranen 3370 und 3374 definiert. Dieser Niederdruckbereich dient dazu, das Rauschen und die Dämpfung der Anordnung 3300 zu verringern. Der erste Satz von Elektroden 3210-x (die sowohl mit der ersten Membran 3370 als auch mit der zweiten Membran 3374 verbunden sind) trägt dazu bei, dass die Membranen nicht auf das Dielektrikum 3350 kollabieren. Dieser Niederdruckbereich kann im Wesentlichen ein Vakuum sein (beispielsweise mit einem Druck von weniger als 1 Torr, weniger als 300 mTorr oder weniger als 100 mTorr). Gemäß einer Ausführungsform ist das Dielektrikum 3350 relativ dick und steif im Vergleich zu den Membranen 3370 und 3374 und bleibt relativ unbeweglich, wenn die Membranen 3370 und 3374 ausgelenkt werden. Die Auslenkung der Membranen 3370 und 3374 bewegt die Elektroden 3210-x, 3220-x und 3230-x relativ zum Dielektrikum 3350
Die Membranen 3370 und 3374 können aus einem Dielektrikum, wie beispielsweise Siliziumnitrid, hergestellt sein. Es können jedoch auch andere Materialien verwendet werden. Beispielsweise können eine oder mehrere der Membran 3370, der Membran 3374 und des Dielektrikums 3150 aus Polyimid bestehen.
In einer Ausführungsform arbeitet das MEMS-Die 3300, wenn es als akustischer Sensor eingesetzt wird, wie folgt. Druck (beispielsweise durch Schallwellen) erreicht wenigstens eine der Membranen, wodurch diese sich biegt und die daran befestigten Elektroden relativ zum Dielektrikum bewegt werden, wodurch sich die jeweiligen Kapazitäten zwischen den verschiedenen Elementen ändern. Diese Kapazitätsänderung äußert sich in einer Änderung eines oder mehrerer Signale, die von der MEMS-Die 3300 ausgegeben werden. Die ein oder mehreren Signale werden von einem IC gelesen und interpretiert und an andere externe Komponenten weitergeleitet.
34 zeigt eine MEMS-Vorrichtung 3400, die alle Elemente der MEMS-Vorrichtung 2700 aus 27 umfasst, wobei jedoch die Anordnung mit zwei Membranen 2701 durch die Anordnung mit zwei dielektrischen Motoren 3300 ersetzt wurde. Die MEMS-Vorrichtung 3400 funktioniert ansonsten ähnlich wie die MEMS-Vorrichtung 2700.
35 zeigt eine Ausführungsform, in der eine MEMS-Vorrichtung 3500 alle Elemente der MEMS-Vorrichtung 2800 aus 28A umfasst, wobei jedoch die Doppelmembran-Baugruppe 2701 durch die Doppelmembran-Dielektrikum-Motor-Anordnung 3300 ersetzt ist. Die MEMS-Vorrichtung 3500 funktioniert ansonsten ähnlich wie die MEMS-Vorrichtung 2800.
In Bezug auf die Verwendung von Begriffen im Plural und/oder Singular hierin können diejenigen, die in der Technik bewandert sind, vom Plural in den Singular und/oder vom Singular in den Plural übersetzen, wie es für den Kontext und/oder die Anwendung angemessen ist. Die verschiedenen Singular/Plural-Permutationen können hier der Klarheit halber ausdrücklich aufgeführt werden.
Sofern nicht anders angegeben, bedeutet die Verwendung der Worte „ungefähr“, „etwa“, „ungefähr“, „im Wesentlichen“ usw. plus oder minus zehn Prozent.
Die vorstehende Beschreibung der veranschaulichenden Ausführungsformen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend oder einschränkend in Bezug auf die genaue Ausführungsform offenbart werden, und Modifikationen und Variationen sind möglich im Lichte der obigen Lehren oder können aus der Praxis der offenbaren Ausführungsformen erworben werden. Es ist beabsichtigt, dass der Umfang der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche und deren Entsprechungen definiert wird.
Liste weiterer bevorzugter Ausführungsformen:

Ausführungsform 1. MEMS (Mikroelektromechanisches-System) -Die, umfassend:
- einen Kolben;
- eine Elektrode, die dem Kolben zugewandt ist, wobei sich eine Kapazität zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert, wenn sich der Abstand zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert; und
- eine elastische Struktur, die zwischen dem Kolben und der Elektrode angeordnet ist, wobei die elastische Struktur den Kolben stützt, die elastische Struktur der Bewegung des Kolbens in Bezug auf die Elektrode widersteht, wobei ein Rückvolumen durch den Kolben und die elastische Struktur begrenzt wird und die elastische Struktur verhindert, dass Luft das Rückvolumen verlässt.
Ausführungsform 2. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, wobei das Rückvolumen durch den Kolben, das elastische Element und die Elektrode umschlossen ist.
Ausführungsform 3. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, wobei der Kolben ein starrer Körper aus einem leitfähigen Material ist.
Ausführungsform 4. MEMS-Die nach Ausführungsform 3, wobei das leitfähige Material ein Metall ist.
Ausführungsform 5. MEMS-Die nach Ausführungsform 3, wobei das leitfähige Material ein dotierter Halbleiter ist.
Ausführungsform 6. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, des Weiteren umfassend eine zweite federnde Struktur, die innerhalb des Rückvolumens angeordnet ist, wobei die zweite federnde Struktur den Kolben stützt.
Ausführungsform 7. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, wobei der Kolben eine separate Schicht aus leitfähigem Material umfasst.
Ausführungsform 8. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, des Weiteren umfassend ein Substrat, wobei das Substrat die federnde Struktur und die Elektrode trägt.
Ausführungsform 9. MEMS-Die nach Ausführungsform 8, wobei das Substrat eine Vielzahl von Säulen umfasst und die Elektrode auf die Vielzahl von Säulen verteilt ist.
Ausführungsform 10. MEMS-Die nach Ausführungsform 8, wobei das Substrat eine elektrisch isolierende Schicht umfasst und die Elektrode in die elektrisch isolierende Schicht eingebettet ist.
Ausführungsform 11. MEMS-Die nach Ausführungsform 8, wobei das Substrat eine Vielzahl von Kanälen aufweist, und die Abmessungen der Kanäle so sind, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist.
Ausführungsform 12. MEMS-Die nach Ausführungsform 11, wobei die thermische Grenzschichtdicke definiert ist durch den Ausdruck: $\sqrt{\frac{2 κ}{ω ρ_{0} C_{p}}}$
wobei κ die Wärmeleitfähigkeit des Gases im Rückvolumen, ρ₀ die Dichte des Gases, C_p die spezifische Wärme bei konstantem Druck des Gases und ω die Kreisfrequenz ist.
Ausführungsform 13. MEMS-Die nach Ausführungsform 11, wobei das Substrat eine Vielzahl von Säulen umfasst, die Räume zwischen den Säulen die Kanäle bilden.
Ausführungsform 14. MEMS-Die nach Ausführungsform 11, wobei die Kanäle zu Ringen geformt sind.
Ausführungsform 15. MEMS-Die nach Ausführungsform 11, wobei das Rückvolumen von dem Kolben, der elastischen Struktur und dem Substrat umschlossen ist.
Ausführungsform 16. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, wobei der Kolben eine Vielzahl von Kanälen aufweist, und die Abmessungen der Kanäle so sind, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist.
Ausführungsform 17. MEMS-Die nach Ausführungsform 16, wobei der Kolben eine Vielzahl von Säulen umfasst, wobei die Räume zwischen den Säulen die Kanäle bilden.
Ausführungsform 18. MEMS-Die nach Ausführungsform 16, wobei die Kanäle zu Ringen geformt sind.
Ausführungsform 19. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, wobei die federnde Struktur eine Dichtung ist.
Ausführungsform 20. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, wobei die federnde Struktur eine gefaltete Wand ist.
Ausführungsform 21. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, des Weiteren umfassend:
- eine Vielzahl von Stützwänden; und
- eine Vielzahl von externen Leitern, wobei jeder der Vielzahl von externen Leitern an einem Ende an dem Kolben und am anderen Ende an einer Stützwand der Vielzahl von Stützwänden befestigt ist.
Ausführungsform 22. MEMS-Die nach Ausführungsform 1, wobei das MEMS-Die eine Entlüftung aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen und einem Bereich außerhalb der MEMS-Die bei Frequenzen unterhalb des Audiobands ermöglicht.
Ausführungsform 23. Sensor, umfassend:
- einen MEMS-Die (mikroelektromechanische-System), umfassend:
  - einen Kolben;
  - eine dem Kolben zugewandte Elektrode, wobei zwischen dem Kolben und der Elektrode eine Kapazität besteht; und
  - eine federnde Struktur, die zwischen dem Kolben und der Elektrode angeordnet ist,
- wobei:
  - ein Rückvolumen durch den Kolben und die federnde Struktur begrenzt wird,
  - die federnde Struktur den Kolben stützt und verhindert, dass Luft das Rückvolumen verlässt, und
  - während der Operation des Sensors der MEMS-Die ein Signal ausgibt, das darauf basiert, dass sich die Kapazität aufgrund einer Änderung des Abstands zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert.
Ausführungsform 24. Sensor nach Ausführungsform 23, wobei das Rückvolumen durch den Kolben, das elastische Element und die Elektrode umschlossen ist.
Ausführungsform 25. Sensor nach Ausführungsform 23, der des Weiteren eine Spannungsquelle umfasst, wobei der Kolben elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden ist und die Elektrode das Signal ausgibt.
Ausführungsform 26. Sensor nach Ausführungsform 23, der des Weiteren eine Spannungsquelle umfasst, wobei die Elektrode elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden ist und der Kolben das Signal ausgibt.
Ausführungsform 27. Sensor nach Ausführungsform 23, wobei die Elektrode eine erste Elektrode ist, und der Sensor des Weiteren umfasst:
- eine Spannungsquelle für die Vorspannung; und
- eine zweite Elektrode, die dem Kolben gegenüberliegt, wobei die erste Elektrode elektrisch mit der Vorspannungsquelle verbunden ist und die zweite Elektrode das Signal ausgibt.
Ausführungsform 28. Sensor nach Ausführungsform 23, des Weiteren umfassend:
- eine Spannungsquelle für die Vorspannung; und
- einen externen Leiter, der elektrisch mit dem Kolben und der Spannungsquelle verbunden ist.
Ausführungsform 29. Sensor nach Ausführungsform 23, des Weiteren umfassend:
- eine integrierte Schaltung; und
- einen externen Leiter, der elektrisch mit dem Kolben und dem integrierten Schaltkreis verbunden ist.
Ausführungsform 30. Sensor nach Ausführungsform 23, des Weiteren umfassend:
- eine Basis;
- eine an der Basis befestigte Dose, wobei die Dose einen Port aufweist, wobei
  - der MEMS-Die innerhalb der Dose angeordnet ist, und
  - Schall in die Dose eintritt und den Kolben während der Operation des Sensors in Bewegung versetzt.
Ausführungsform 31. Sensor nach Ausführungsform 23, wobei der MEMS-Die eine Entlüftung aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen und einem Bereich außerhalb der MEMS-Die bei Frequenzen unterhalb des Audiobands ermöglicht.
Ausführungsform 32. Sensor nach Ausführungsform 23, wobei der MEMS-Die eine zweite elastische Struktur umfasst, die in dem Rückvolumen angeordnet ist, wobei die zweite elastische Struktur den Kolben stützt.
Ausführungsform 33. MEMS-Die (Mikroelektromechanisches Systeme), umfassend:
- eine Hülle;
- eine Membran, die über einer Öffnung des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Membran eine erste Elektrode umfasst,
- wobei das Gehäuse und die Membran ein Rückvolumen definieren und jeder Punkt innerhalb des Rückvolumens weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist; und
- eine zweite Elektrode, die außerhalb des Rückvolumens angeordnet und der Membran zugewandt ist.
Ausführungsform 34. MEMS-Die nach Ausführungsform 33, wobei die thermische Grenzschichtdicke durch den Ausdruck definiert ist,
Ausführungsform 34. MEMS-Die nach Ausführungsform 33, wobei die thermische Grenzschichtdicke durch den Ausdruck definiert ist, $\sqrt{\frac{2 κ}{ω ρ_{0} C_{p}}}$
wobei κ die Wärmeleitfähigkeit des Gases im Rückvolumen, ρ₀ die Dichte des Gases, C_p die spezifische Wärme bei konstantem Druck des Gases und ω die Kreisfrequenz ist.
Ausführungsform 35. MEMS-Die nach Ausführungsform 33, des Weiteren umfassend eine Rückplatte, wobei die zweite Elektrode auf der Rückplatte angeordnet ist.
Ausführungsform 36. MEMS-Die nach Ausführungsform 34, die des Weiteren eine zweite Rückplatte umfasst, die zwischen der Membran und der Öffnung angeordnet ist.
Ausführungsform 37. MEMS-Die nach Ausführungsform 33, des Weiteren umfassend eine zweite Membran, die der zweiten Elektrode gegenüberliegt, wobei die zweite Membran eine dritte Elektrode umfasst, wobei die zweite Elektrode zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist.
Ausführungsform 38. MEMS-Die der Ausführungsform 37 umfasst des Weiteren eine Vielzahl von Stützen, die sich durch die zweite Elektrode erstrecken und die erste Membran mit der zweiten Membran verbinden.
Ausführungsform 39. MEMS-Die nach Ausführungsform 37, wobei die erste Membran und die zweite Membran einen abgedichteten Bereich definieren, in dem der Druck niedriger als der Atmosphärendruck ist.
Ausführungsform 40. MEMS-Die nach Ausführungsform 33, wobei die Hülle eine Vielzahl von Säulen umfasst, eine Vielzahl von Kanälen zwischen den Säulen definiert ist.
Ausführungsform 41. MEMS-Die nach Ausführungsform 33, wobei in der Hülle ringförmige Kanäle ausgebildet sind.
Ausführungsform 42. Sensor, umfassend:
- ein MEMS-Die (Mikroelektromechanisches-System-) Die, umfassend:
  - eine Hülle;
  - eine Membran, die über einer Öffnung der Hülle angeordnet ist, wobei die Membran eine erste Elektrode umfasst, wobei die Hülle und die Membran ein Rückvolumen umschließen;
  - eine zweite Elektrode, die außerhalb des Rückvolumens angeordnet und der Membran zugewandt ist;
wobei:
- jeder Punkt innerhalb des Rückvolumens weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist, und
- während der Operation des Sensors der MEMS-Die ein Signal ausgibt, das auf einer Kapazität zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode basiert, die sich aufgrund einer Änderung des Abstands zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ändert.
Ausführungsform 44. Sensor nach Ausführungsform 43, der des Weiteren eine Vielzahl von Stützen umfasst, die sich durch die zweite Elektrode erstrecken und die erste Membran mit der zweiten Membran verbinden.
Ausführungsform 45. Sensor nach Ausführungsform 43, wobei die erste Membran und die zweite Membran einen abgedichteten Bereich definieren, in dem der Druck niedriger als der atmosphärische Druck ist.
Ausführungsform 46. Sensor nach Ausführungsform 42, wobei die Hülle eine Vielzahl von Säulen umfasst, eine Vielzahl von Kanälen zwischen den Säulen definiert ist.
Ausführungsform 47. Sensor nach Ausführungsform 42, wobei ringförmige Kanäle in der Hülle ausgebildet sind.
Ausführungsform 48. Sensor nach Ausführungsform 42, des Weiteren umfassend:
- eine Basis, die einen Port aufweist;
- eine an der Basis befestigte Dose, wobei der MEMS-Die in der Dose angeordnet ist und wobei Schall durch den Port eintritt und die Membran veranlasst, sich während der Operation des Sensors zu bewegen.
Ausführungsform 49. MEMS-Die (Mikroelektromechanisches Systeme), umfassend:
- eine Hülle;
- eine erste Membran, die über einer Öffnung der Hülle angeordnet ist, wobei die Hülle und die erste Membran ein Rückvolumen definieren und jeder Punkt innerhalb des Rückvolumens kleiner als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche ist;
- eine zweite Membran, die außerhalb des Rückvolumens angeordnet ist und der ersten Membran gegenüberliegt;
- ein festes Dielektrikum, das zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran angeordnet ist, wobei das feste Dielektrikum eine Vielzahl von Blenden aufweist;
- eine erste Elektrode, die ein erstes Ende aufweist, das mit der ersten Membran verbunden ist, und ein zweites Ende, das mit der zweiten Membran verbunden ist, wobei sich die erste Elektrode durch eine Blende der Vielzahl von Blenden erstreckt;
- eine zweite Elektrode, die in Längsrichtung und parallel zu der ersten Elektrode ausgerichtet ist, wobei die zweite Elektrode ein erstes Ende aufweist, das an der zweiten Membran befestigt ist, und ein zweites Ende, das innerhalb einer Blende der Vielzahl von Blenden angeordnet ist; und
- eine dritte Elektrode, die in Längsrichtung und parallel zu der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ausgerichtet ist, wobei die dritte Elektrode ein erstes Ende aufweist, das an der ersten Membran befestigt ist, und ein zweites Ende, das innerhalb einer Blende der Vielzahl von Öffnungen angeordnet ist.
Ausführungsform 50. MEMS-Die nach Ausführungsform 49, wobei das zweite Ende der zweiten Elektrode und das zweite Ende der dritten Elektrode innerhalb der gleichen Blende der Vielzahl von Blenden angeordnet sind.
Ausführungsform 51. MEMS-Die nach Ausführungsform 49, wobei die erste Elektrode eine aus einer ersten Vielzahl von Elektroden ist, von denen jede ein erstes Ende aufweist, das mit der ersten Membran gekoppelt ist, ein zweites Ende, das mit der zweiten Membran gekoppelt ist, und die sich durch eine Blende der Vielzahl von Blenden erstreckt, die zweite Elektrode eine aus einer zweiten Vielzahl von Elektroden ist, von denen jede ein erstes Ende aufweist, das an der zweiten Membran befestigt ist, und ein zweites Ende, das innerhalb einer Blende der Vielzahl von Blenden angeordnet ist, und die dritte Elektrode eine aus einer dritten Vielzahl von Elektroden ist, von denen jede ein erstes Ende aufweist, das an der ersten Membran befestigt ist, und ein zweites Ende, das innerhalb einer Blende der Vielzahl von Öffnungen angeordnet ist.

Claims

MEMS- (Mikroelektromechanisches-System-) Die, umfassend: einen Kolben; eine Elektrode, die dem Kolben zugewandt ist, wobei sich eine Kapazität zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert, wenn sich der Abstand zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert; und eine elastische Struktur, die zwischen dem Kolben und der Elektrode angeordnet ist, wobei die elastische Struktur den Kolben stützt, die elastische Struktur der Bewegung des Kolbens in Bezug auf die Elektrode widersteht, wobei ein Rückvolumen durch den Kolben und die elastische Struktur begrenzt wird und die elastische Struktur verhindert, dass Luft das Rückvolumen verlässt.
MEMS-Die nach Anspruch 1, wobei das Rückvolumen durch den Kolben, das elastische Element und die Elektrode umschlossen ist.
MEMS-Die nach Anspruch 1, wobei der Kolben ein starrer Körper aus einem leitfähigen Material ist.
MEMS-Die nach Anspruch 3, wobei das leitfähige Material ein Metall ist.
MEMS-Die nach Anspruch 3, wobei das leitfähige Material ein dotierter Halbleiter ist.
MEMS-Die nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend eine zweite federnde Struktur, die innerhalb des Rückvolumens angeordnet ist, wobei die zweite federnde Struktur den Kolben stützt.
MEMS-Die nach Anspruch 1, wobei der Kolben eine separate Schicht aus leitfähigem Material umfasst.
MEMS-Die nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein Substrat, wobei das Substrat die federnde Struktur und die Elektrode trägt.
MEMS-Die nach Anspruch 8, wobei das Substrat eine Vielzahl von Säulen umfasst und die Elektrode auf die Vielzahl von Säulen verteilt ist.
MEMS-Die nach Anspruch 8, wobei das Substrat eine elektrisch isolierende Schicht umfasst und die Elektrode in die elektrisch isolierende Schicht eingebettet ist.
MEMS-Die nach Anspruch 8, wobei das Substrat eine Vielzahl von Kanälen aufweist, und die Abmessungen der Kanäle so sind, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist.
MEMS-Die nach Anspruch 11, wobei die thermische Grenzschichtdicke definiert ist durch den Ausdruck: $\sqrt{\frac{2 κ}{ω ρ_{0} C_{p}}}$
wobei κ die Wärmeleitfähigkeit des Gases im Rückvolumen, ρ₀ die Dichte des Gases, C_p die spezifische Wärme bei konstantem Druck des Gases und ω die Kreisfrequenz ist.
MEMS-Die nach Anspruch 11, wobei das Substrat eine Vielzahl von Säulen umfasst, die Räume zwischen den Säulen die Kanäle bilden.
MEMS-Die nach Anspruch 11, wobei die Kanäle zu Ringen geformt sind.
MEMS-Die nach Anspruch 11, wobei das Rückvolumen von dem Kolben, der elastischen Struktur und dem Substrat umschlossen ist.
MEMS-Die nach Anspruch 1, wobei der Kolben eine Vielzahl von Kanälen aufweist, und die Abmessungen der Kanäle so sind, dass jeder Punkt innerhalb der Kanäle weniger als eine thermische Grenzschichtdicke von einer nächstgelegenen Oberfläche entfernt ist.
MEMS-Die nach Anspruch 16, wobei der Kolben eine Vielzahl von Säulen umfasst, wobei die Räume zwischen den Säulen die Kanäle bilden.
MEMS-Die nach Anspruch 16, wobei die Kanäle zu Ringen geformt sind.
MEMS-Die nach Anspruch 1, wobei die federnde Struktur eine Dichtung ist.
MEMS-Die nach Anspruch 1, wobei die federnde Struktur eine gefaltete Wand ist.
MEMS-Die nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: eine Vielzahl von Stützwänden; und eine Vielzahl von externen Leitern, wobei jeder der Vielzahl von externen Leitern an einem Ende an dem Kolben und am anderen Ende an einer Stützwand der Vielzahl von Stützwänden befestigt ist.
MEMS-Die nach Anspruch 1, wobei das MEMS-Die eine Entlüftung aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen und einem Bereich außerhalb der MEMS-Die bei Frequenzen unterhalb des Audiobands ermöglicht.
Sensor, umfassend: einen MEMS-Die (mikroelektromechanische Systeme), umfassend: einen Kolben; eine dem Kolben zugewandte Elektrode, wobei zwischen dem Kolben und der Elektrode eine Kapazität besteht; und eine federnde Struktur, die zwischen dem Kolben und der Elektrode angeordnet ist, wobei: ein Rückvolumen durch den Kolben und die federnde Struktur begrenzt wird, die federnde Struktur den Kolben stützt und verhindert, dass Luft das Rückvolumen verlässt, und während der Operation des Sensors der MEMS-Die ein Signal ausgibt, das darauf basiert, dass sich die Kapazität aufgrund einer Änderung des Abstands zwischen dem Kolben und der Elektrode ändert.
Sensor nach Anspruch 23, wobei das Rückvolumen durch den Kolben, das elastische Element und die Elektrode umschlossen ist.
Sensor nach Anspruch 23, der des Weiteren eine Spannungsquelle umfasst, wobei der Kolben elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden ist und die Elektrode das Signal ausgibt.
Sensor nach Anspruch 23, der des Weiteren eine Spannungsquelle umfasst, wobei die Elektrode elektrisch mit der Spannungsquelle verbunden ist und der Kolben das Signal ausgibt.
Sensor nach Anspruch 23, wobei die Elektrode eine erste Elektrode ist, und der Sensor des Weiteren umfasst: eine Spannungsquelle für die Vorspannung; und eine zweite Elektrode, die dem Kolben gegenüberliegt, wobei die erste Elektrode elektrisch mit der Vorspannungsquelle verbunden ist und die zweite Elektrode das Signal ausgibt.
Sensor nach Anspruch 23, des Weiteren umfassend: eine Spannungsquelle für die Vorspannung; und einen externen Leiter, der elektrisch mit dem Kolben und der Spannungsquelle verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 23, des Weiteren umfassend: eine integrierte Schaltung; und einen externen Leiter, der elektrisch mit dem Kolben und dem integrierten Schaltkreis verbunden ist.
Sensor nach Anspruch 23, des Weiteren umfassend: eine Basis; eine an der Basis befestigte Dose, wobei die Dose einen Port aufweist, wobei der MEMS-Die innerhalb der Dose angeordnet ist, und Schall in die Dose eintritt und den Kolben während der Operation des Sensors in Bewegung versetzt.
Sensor nach Anspruch 23, wobei der MEMS-Die eine Entlüftung aufweist, die so konfiguriert ist, dass sie einen Druckausgleich zwischen dem Rückvolumen und einem Bereich außerhalb der MEMS-Die bei Frequenzen unterhalb des Audiobands ermöglicht.
Sensor nach Anspruch 23, wobei der MEMS-Die eine zweite elastische Struktur umfasst, die in dem Rückvolumen angeordnet ist, wobei die zweite elastische Struktur den Kolben stützt.