DE112017007905T5

DE112017007905T5 - MEMS-Mikrofonsystem und Verfahren

Info

Publication number: DE112017007905T5
Application number: DE112017007905.5T
Authority: DE
Inventors: Andrew Doller; Bernhard Gehl; Daniel Christoph Meisel; Gökhan Hatipoglu; Yujie Zhang
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-10-18
Filing date: 2017-10-19
Publication date: 2021-04-15
Also published as: US10349188B2; WO2019078862A1; US20190116429A1; CN112219410A; CN112219410B

Abstract

Ein MEMS-Mikrofon (MEMS: mikroelektromechanisches System) umfasst eine Basiseinheit und ein auf der Basiseinheit angeordnetes Antriebssystem. Das Antriebssystem umfasst eine erste Membran, eine zweite Membran, die von der ersten Membran beabstandet ist, und eine Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung, die ein bewegliches Elektrodenelement umfasst, wobei die Gegenelektrodenanordnung mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch gekoppelt ist. Das Antriebssystem umfasst ferner eine Seitenwand, die die erste Membran mit der zweiten Membran mechanisch koppelt, wodurch ein abgedichtetes Elektrodengebiet definiert wird, und wobei das abgedichtete Elektrodengebiet einen gekapselten Gasdruck aufweist und die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets angeordnet ist.

Description

GEBIET
Diese Offenbarung betrifft im Allgemeinen MEMS-Vorrichtungen (MEMS: mikroelektromechanisches System) und insbesondere eine Elektrodenanordnung für Mikrofone.
KURZDARSTELLUNG
Ein Überblick über bestimmte hier offenbarte Ausführungsformen wird nachstehend dargelegt. Es versteht sich, dass diese Aspekte lediglich dargestellt werden, um dem Leser einen kurzen Überblick über diese bestimmte Ausführungsformen zu liefern, und dass diese Aspekte den Umfang dieser Offenbarung nicht einschränken sollen. Tatsächlich kann diese Offenbarung eine Vielfalt von Aspekten umfassen, die nachstehend möglicherweise nicht dargelegt sind.
Ausführungsformen der Offenbarung, die ein MEMS-Mikrofon betreffen, umfassen eine Basiseinheit, ein Antriebssystem, das auf der Basiseinheit angeordnet ist, wobei das Antriebssystem eine erste Membran und eine zweite Membran, die von der ersten Membran beabstandet ist, aufweist. Das Antriebssystem umfasst ferner eine Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung, die ein bewegliches Elektrodenelement umfasst, wobei die Gegenelektrodenanordnung mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch gekoppelt ist, und eine Seitenwand, die mechanisch die erste Membran mit der zweiten Membran koppelt, wodurch ein abgedichtetes Elektrodengebiet definiert wird, wobei das abgedichtete Elektrodengebiet einen gekapselten Gasdruck aufweist und die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets angeordnet ist. Die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung kann ein stationäres Elektrodenelement umfassen oder nicht. Die erste Membran wird im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine niedrige Leitfähigkeit aufweist, und die zweite Membran wird im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine niedrige Leitfähigkeit aufweist. Die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung umfasst ein Material, das eine Leitfähigkeit aufweist. Das bewegliche Elektrodenelement wird im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine Leitfähigkeit aufweist. Das stationäre Elektrodenelement wird aus einem Material gefertigt, das eine Leitfähigkeit aufweist. Eine oder mehrere der Membranen werden im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine Zugeigenspannung aufweist. Die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung umfasst ein Material, das eine Zugeigenspannung aufweist. Das MEMS-Mikrofon umfasst ferner mindestens ein oder mehrere von einem Verbindungselement, das die Gegenelektrodenanordnung mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch koppelt, und eine oder mehrere Säulen, die innerhalb des Antriebssystems ausgebildet sind. Ein Leckloch wird auf mindestens einem von der Säule oder dem Verbindungselement ausgebildet. Die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung umfasst mindestens zwei Gegenelektroden, die innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets ausgebildet sind.
In einem anderen Aspekt der Offenbarung umfasst ein Antriebssystem eine Elektrodenanordnung und eine Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung. Die Elektrodenanordnung umfasst eine erste Membran, eine zweite Membran, die von der ersten Membran beabstandet ist, und einen Spalt, der zwischen der ersten Membran und der zweiten Membran ausgebildet ist. Die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung, die innerhalb der ersten und der zweiten Membran ausgebildet ist, umfasst ein bewegliches Elektrodenelement, mindestens zwei Gegenelektrodenelemente, und eine Seitenwand, die die zwei Gegenelektrodenelemente mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch koppelt, wodurch ein abgedichtetes Elektrodengebiet definiert wird, wobei das abgedichtete Elektrodengebiet einen gekapselten Gasdruck aufweist, und die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets angeordnet ist. Die erste Membran wird im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine niedrige Leitfähigkeit aufweist, und die zweite Membran wird im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine niedrige Leitfähigkeit aufweist. Das bewegliche Elektrodenelement wird im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine Leitfähigkeit aufweist. Eine oder mehrere der Membranen werden im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine Zugeigenspannung aufweist. Die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung umfasst ein Material, das eine Zugeigenspannung aufweist. Das MEMS-Mikrofon umfasst ferner mindestens ein oder mehrere von einem Verbindungselement, das die Gegenelektrodenanordnung mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch koppelt, und eine oder mehrere Säulen, die innerhalb des Antriebssystems ausgebildet sind. Ein Leckloch ist auf mindestens einem von der Säule oder dem Verbindungselement ausgebildet. Die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung umfasst mindestens zwei Gegenelektroden, die innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets ausgebildet sind.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile dieser Offenbarung werden besser verstanden, wenn die nachstehende ausführliche Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Zeichen gleiche Ausgestaltungen in den gesamten Zeichnungen repräsentieren. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Mikrofonsystems gemäß einer beschriebenen Ausführungsform einer Offenbarung;
2A eine Querschnittsansicht des Mikrofonsystems von 1 gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung;
2B eine Querschnittsansicht eines anderen Mikrofonsystems von 1 mit einem unteren Anschluss gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung;
2C eine Querschnittsansicht eines anderen Mikrofonsystems von 1 mit einem seitlichen Anschluss gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung;
3A bis 31 Querschnittsansichten eines Mikrofons-Die, der innerhalb des Mikrofonsystems von 1 montiert ist, gemäß verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen der Offenbarung;
4 eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung;
5A und 5B Querschnittsansichten eines Antriebssystems gemäß verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen der Offenbarung;
6 eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung;
7A bis 7C Querschnittsansichten eines Antriebssystems gemäß verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen der Offenbarung;
8 eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung;
9A und 9B Querschnittsansichten eines Antriebssystems gemäß verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen der Offenbarung;
10 eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung;
11A und 11B Querschnittsansichten eines Antriebssystems gemäß verschiedenen beschriebenen Ausführungsformen der Offenbarung;
12 eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung; und
13 eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die nachstehende Beschreibung wird präsentiert, um es einem Fachmann zu ermöglichen, die beschriebenen Ausführungsformen herzustellen und zu verwenden, und wird im Kontext einer bestimmten Anwendung und ihrer Anforderungen bereitgestellt. Verschiedene Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen werden für einen Fachmann offensichtlich sein, und die hier definierten allgemeinen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen angewendet werden, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang der beschriebenen Ausführungsformen abzuweichen. Daher sind die beschriebenen Ausführungsformen nicht auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt, sondern sie sollen den breitesten Umfang gewährt bekommen, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen übereinstimmt.
Die Offenbarung ist ein Mikrofonsystem für eine Client-Maschine. Innerhalb der Client-Maschine befinden sich mehrere andere elektronische Komponenten, wie z.B. Sensorvorrichtungen, Lautsprecher, Grafikprozessoreinheiten, Rechnerprozessoreinheiten, Host-Systeme, Kameras und beliebige geeignete computerimplementierte Vorrichtungen, die entweder direkt oder indirekt mit dem Mikrofonsystem gekoppelt sind. Die Client-Maschine kann eine sprachgesteuerte Vorrichtung, eine Sprachassistentenvorrichtung, ein Personal Computer oder ein Desktop-Computer, ein Laptop, ein Mobiltelefon oder ein Smartphone, ein Tablet, ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), eine Spielekonsole, eine Audiovorrichtung, eine Videovorrichtung, eine Unterhaltungsvorrichtung, wie z.B. ein Fernseher, ein Fahrzeug-Infotainment, eine tragbare Vorrichtung, eine Unterhaltungs- oder eine Infotainment-Fernbedienung, ein Thin-Client-System, ein Thick-Client-System oder dergleichen sein. Es kann empfohlen werden, dass andere geeignete Client-Maschinen, unabhängig von Größe, Mobilität oder Konfiguration, eine beliebige Anzahl von Mikrofonsystemen aufnehmen.
Das Mikrofonsystem umfasst ein Kapselungsgehäuse oder eine Kapselung, um eine beliebige Anzahl von Sensorvorrichtungen/-Dies, internen Komponenten oder eine Kombination davon zu beherbergen. Die Sensorvorrichtungen/-Dies können z.B. MEMS-Wandler, Lautsprecher, Empfänger, Mikrofone, Drucksensoren, Wärmesensoren, optische Sensoren, Bildsensoren, chemische Sensoren, Gyroskope, Trägheitssensoren, Feuchtigkeitssensoren, Beschleunigungsmesser, Gassensoren, Umgebungssensoren, Bewegungssensoren, Navigationssensoren, Vitalsensoren, TMR-Sensoren (magnetischer Tunnelwiderstand), Näherungssensoren, Bolometer oder eine Kombination davon sein. Die Mikrofone können Elektretmikrofone, kapazitive Mikrofone, Graphenmikrofone, piezoelektrische Mikrofone, Siliziummikrofone, optische Mikrofone oder beliebige geeignete akustische Mikrofone sein.
1 eine perspektivische Ansicht eines MEMS-Mikrofonsystems 10 gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung. Das MEMS-Mikrofonsystem 10 umfasst ein Kapselungsgehäuse 20, das einen Deckel 12, einen Spacer 14 und ein Substrat 16, das an dem Spacer 14 mithilfe beliebiger geeigneter Anbringungsverfahren angebracht ist. Mehr als eine Sensorvorrichtung/ein Sensor-Die kann innerhalb des Mikrofonsystems 10 montiert werden. Die Sensorvorrichtungen/-Dies können MEMS-Wandler, Lautsprecher, Empfänger, Mikrofone, Drucksensoren, Wärmesensoren, optische Sensoren, Bildsensoren, chemische Sensoren, Gyroskope, Feuchtigkeitssensoren, Trägheitssensoren, Vitalsensoren, TMR-Sensoren, Beschleunigungsmesser, Gassensoren, Umgebungssensoren, Bewegungssensoren, Navigationssensoren, Näherungssensoren, Bolometer oder eine Kombination davon sein. Fakultative Komponenten, wie z.B. ASICs, integrierte Schaltungen, Prozessoren, Steuerungen, Energiespeicherungsvorrichtungen, Stellglieder, Sensorschaltungen oder eine beliebige geeignete Schaltung, können innerhalb des Mikrofonsystems 10 montiert sein. Je nach der Anwendung kann eine beliebige Anzahl von einer Öffnung 22, wie z.B. einem Anschluss oder einen Durchgang zum Empfangen von Attributen aus einer Umgebung, an einer beliebigen Position des Kapselungsgehäuses 20 durch Ätzen, Stechen, Bohren, Stanzen oder beliebige geeignete Verfahren ausgebildet werden. Zum Beispiel kann die Öffnung 22 entweder auf dem Deckel 12, dem Substrat 16 oder dem Spacer 14 ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Öffnung 22 an mehreren Positionen des Kapselungsgehäuses 20 ausgebildet werden. Die Attribute können ein akustisches Signal, ein Drucksignal, ein optisches Signal, ein Gassignal und ein beliebiges geeignetes Signal sein. Eine fakultative Barriere kann innerhalb der Öffnung 22 ausgebildet werden. Die Barriere wird als ein Filter zum Entfernen von Kleinteilen, Kontaminationsstoffen, Partikeln, Dampf, Fluid oder dergleichen ausgelegt und fungiert als dieser. In einigen Ausführungsformen kann die Barriere auf der Außenfläche des Gehäuses 20 ausgebildet werden, um die Öffnung 22 abzudecken, so dass Kleinteile, Kontaminationsstoffe, Partikeln oder dergleichen nicht in das Gehäuse gelangen können. In einer noch anderen Ausführungsform kann die Barriere unterhalb der Öffnung 22 ausgebildet werden, in der ein Abschnitt der Barriere an der Innenfläche des Gehäuses 20 zum Filtern oder Entfernen von Kleinteilen, Kontaminationsstoffen, Partikeln oder dergleichen angebracht wird. In weiteren Ausführungsformen kann die Barriere direkt auf dem beweglichen Element, wie z.B. einer Membran, gefertigt werden. In einer noch anderen Ausführungsform wird die Barriere als ein geschichteter Film oder ein geschichtetes Material ausgebildet, und kann entweder in das Gehäuse 20 während der Fertigung integriert werden oder auf der Außen- oder Innenfläche des Gehäuses 20 angeordnet werden. In einer noch weiteren anderen Ausführungsform wird, wie in 3C dargestellt, eine Barriere als eine starre Wand 45 ausgebildet, die das obere Elektrodenelement 38 mit dem unteren Elektrodenelement 40 zum Schutz des Mikrofons vor Kleinteilen koppelt. Die starre Wand 45 wird weiter unten beschrieben. Obwohl eine Barriere beschrieben ist, können in Abhängigkeit von der Anwendung mehrere Schichten einer Barriere oder eine beliebige geeignete Anzahl von Barrieren auf dem MEMS-Gehäuse implementiert werden. Die Barriere wirkt nicht nur als die Partikelentfernung, während sie über die Öffnung 22 der Umgebung ausgesetzt ist, die Barriere kann auch anderen Zwecken dienen, wie z.B. als ein Stoßdämpfer oder ein Schwingungsdämpfer oder eine Kombination davon.
Obwohl das dargestellte Mikrofonsystem 10 ein Gehäuse 20 mit mehreren Strukturen aufweist, können verschiedene Aspekte und Ausgestaltungen entweder in einem Gehäuse mit einer Einfachstruktur, einem Gehäuse mit einer zweiteiligen Struktur oder einem Gehäuse mit einer Mehrfachstruktur verwendet werden, um mindestens eine interne Komponente zu kapseln. Als ein Beispiel können der Deckel 12 und der Spacer 14 als eine Einzelstruktur ausgebildet werden, die eine Abdeckung oder eine Kappe definiert. Ein oder mehrere Bondpads 18 können auf dem Substrat 18, dem Deckel 12, dem Spacer 14 oder mehreren Positionen des Kapselungsgehäuses 20 durch ein beliebiges geeignetes Verfahren ausgebildet werden. Nachdem die Bondpads 18 eingeführt wurden, kann das Mikrofonsystem 10 leicht an einer externen gedruckten Leiterplatte oder einem anderen Stützelement der Client-Maschine montiert werden. In einigen Ausführungsformen umfasst das Kapselungsgehäuse ferner einen Interposer, der die Abdeckung 12 entweder mit dem Spacer 14 oder dem Substrat 16 koppelt.
2A bis 2C zeigen eine Querschnittsansicht des Mikrofonsystems 10 von 1, das mindestens eine Öffnung 22 aufweist, die an verschiedenen Positionen des Kapselungsgehäuses 20 gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der Offenbarung ausgebildet wird. Das Mikrofonsystem 10 umfasst eine Sensorvorrichtung/einen Sensor-Die 30 und eine Komponente 26, die innerhalb einer beliebigen Position des Kapselungsgehäuses 10 montiert sind. Eine Öffnung 22 wird an einer beliebigen Position des Kapselungsgehäuses 20 ausgebildet, die zu mindestens einem von der Sensorvorrichtung 30 oder der Komponente 26 benachbart ist, um Attribute oder Stimuli von der äußeren Umgebung zu empfangen. Eine Verbindungsverknüpfung 24 kann eingeführt werden, um die Sensorvorrichtung 30 mit der Komponente 26 kommunikativ zu koppeln. Die Verbindungsverknüpfung 24 kann ein Drahtbond, ein Lothügel, ein Lotmikrohügel, eine Lotkugel oder beliebige geeignete Verbinder sein. In einigen Ausführungsformen kann die Verbindungsverknüpfung 24 eine drahtlose Kommunikationsverknüpfung sein und die Sensorvorrichtung 20 ist kommunikativ mit der Komponente 26 mit eingebauten Schnittstellen gekoppelt, die sowohl in der Sensorvorrichtung 30 als auch der Komponente 26 ausgebildet sind. Die drahtlose Kommunikationsverknüpfung kann zum Beispiel WiFi, Nahfeldkommunikation (NFC), Zigbee, Smart-WiFi, Bluetooth (BT), drahtlose Qi-Kommunikation, Ultrabreitband (UWB), Mobilfunkprotokollfrequenz, Funkfrequenz oder eine beliebige geeignete Kommunikationsverbindung sein. Je nach den Anwendungen kann eine beliebige Anzahl von Sensorvorrichtungen 30, Komponenten 26 oder Verbindungsverknüpfungen 24 zwischen den Sensorvorrichtungen und den Komponenten verwendet werden. Obwohl eine Nebeneinander-Ausgestaltung der Komponente 26 und der Sensorvorrichtung 30 in 1 dargestellt ist, können beliebige geeignete Ausgestaltungen möglich sein. Zum Beispiel kann die Sensorvorrichtung 30 auf der Komponente 26 angeordnet oder montiert werden, um eine gestapelte Ausgestaltung auszubilden. In einem anderen Beispiel wird ein fakultatives Loch innerhalb der Komponente 26 ausgebildet und wird ausgelegt, um die Sensorvorrichtung 30 aufzunehmen und die Sensorvorrichtung 30 zu umgeben.
3A bis 31 zeigen Ansichten eines Mikrofons-Dies 30, der innerhalb des Mikrofonsystems 10 von 1 montiert ist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Der Mikrofon-Die 30 umfasst ein Antriebssystem 32, das auf einer Basiseinheit 34, wie z.B. einem Substrat, montiert ist. Im Inneren umfasst das Antriebssystem 32 eine Elektrodenanordnung 50 und eine Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 36, die von der Elektrodenanordnung 50 isoliert ist. In einer Ausführungsform ist die Elektrodenanordnung 50 eine bewegliche Elektrodenelementanordnung, wie z.B. eine Membran, und die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 36 ist eine kombinierte Membran und Rückplatten-Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung. Die Membranelektrodenanordnung 50 umfasst eine obere Membran 38 und eine untere Membran, die von der oberen Membran 38 beabstandet ist. Obwohl zwei Membranen 38, 40 dargestellt sind, kann eine beliebige Anzahl der Membranen 38, 40 vom Mikrofon-Die 30 entfernt oder ihm hinzugefügt werden, ohne dass die Leistungsfähigkeit des Mikrofon-Dies 30 beeinträchtigt wird Zwischen der oberen und der unteren Membran 38, 40 befindet sich die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 36 und umfasst ein oberes Kammfinger-Gegenelektrodenelement 44, ein unteres Kammfinger-Gegenelektrodenelement 46 und ein dazwischenliegendes Kammfinger-Gegenelektrodenelement 42. Ein elektrostatischer Spalt 64, der das dazwischenliegende Kammfinger-Gegenelektrodenelement 42 vom oberen Kammfinger-Gegenelektrodenelement 44 trennt, ist bereitgestellt. Ein elektrostatischer Spalt 64', der das dazwischenliegende Kammfinger-Gegenelektrodenelement 42 vom unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelement 46 trennt, ist bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen ist lediglich ein äußeres Kammfinger-Gegenelektrodenelement bereitgestellt. Das obere Kammfinger-Gegenelektrodenelement 44 und das untere Kammfinger-Gegenelektrodenelement 46 können auch als das obere stationäre Elektrodenelement 44 und das untere stationäre Elektrodenelement 46 bezeichnet werden. Das dazwischenliegende Kammfinger-Gegenelektrodenelement 42 kann als bewegliches Elektrodenelement 42 bezeichnet werden oder nicht. Wie in 3B dargestellt, ist ein unteres Kammfinger-Gegenelektrodenelement 46, das als das äußere Kammfinger-Gegenelektrodenelement definiert wird, bereitgestellt. In einer anderen Ausführungsform ist, wie z.B. dem in 3C dargestellten Mikrofon, ein oberes Kammfinger-Gegenelektrodenelement 44, das als das äußere Kammfinger-Gegenelektrodenelement definiert wird, bereitgestellt. Ein Spalt 52, der das obere und das untere Kammfinger-Gegenelektrodenelement 44, 46 trennt, ist bereitgestellt. In einigen Ausführungsformen sind das obere und das untere Kammfinger-Gegenelektrodenelement 44, 46 voneinander isoliert, indem beliebige geeignete Materialien, die als ein Isolator wirken, auf einer Fläche der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 abgeschieden werden. Um die Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 zu isolieren, wird lediglich ein Abschnitt der Fläche von mindestens einem der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 mit dem isolierenden Material abgedeckt. Jedoch kann auch die gesamte Fläche von mindestens einem der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 mit einem isolierenden Material oder Film abgedeckt werden. In einer anderen Ausführungsform kann eine Isolationsschicht oder -Film als eine getrennte Schicht oder ein getrennter Film eingeführt werden und zwischen den Kammfinger-Gegenelektrodenelementen 44, 46 angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen ist der Spalt 52 im Mikrofon-Die 30 nicht erforderlich, um die Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 zu trennen und zu isolieren, nachdem ein Isolationsmaterial zwischen die Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 eingeführt wurde. Bis zu einem gewissen Grad kann der Spalt 52 weiterhin zwischen den Kammfinger-Gegenelektrodenelementen 44, 46 vorhanden sein, wo das Isolationsmaterial vom Mikrofon-Die 30 am Umfangsrand der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 vorliegt.
Jedes der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 42, 44, 46 umfasst Kammfingerstrukturen 42a, 44a, 46a, die eine Reihe von Kammfinger aufweisen, die jeweils aus einem Abschnitt der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 42, 44, 46 strukturiert werden. Die Kammfingerstrukturen 44a, 46a stehen vom Abschnitt der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 hervor und erstrecken sich zum Kammfinger-Gegenelektrodenelement 42 hin. Gleichermaßen steht die Kammfingerstruktur 42a des Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 vom Abschnitt des Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 hervor und erstreckt sich zu den Kammfinger-Gegenelektrodenelementen 44, 46 hin. Ein oberer Abschnitt der Kammfingerstruktur 42a ist durch die Kammfingerstruktur 44a umgeben und ein unterer Abschnitt der Kammfingerstruktur 42a ist durch die Kammfingerstruktur 46a umgeben. Ein MEMS-Sensor mit verschiedenen Polaritätskonfigurationen kann aus mehreren Gründen eingeführt werden. In einer Ausführungsform umfasst ein MEMS-Sensor eine Polaritätskonfiguration mit einem unterschiedlichen Potential zum Vorspannen des oberen und des unteren Elektrodenelements 44, 46. In einer anderen Ausführungsform umfasst ein MEMS-Sensor eine Polaritätskonfiguration, die eine andere oder entgegengesetzte Polarität aufweist, und ist ausgelegt, um ein Rauschsignal zu sammeln, während die durch das obere und das untere Elektrodenelement 44, 46 erzeugten Signale sich entweder aufheben, indem der resultierende Signalwert, der vom oberen und unteren Elektrodenelement 44, 46 empfangen wird, kombiniert wird, oder der resultierende Signalwert, der vom oberen und unteren Elektrodenelement 44, 46 empfangen wird, subtrahiert wird. In einer noch anderen Ausführungsform umfasst ein MEMS-Sensor eine Polaritätskonfiguration, die eine identische Polarität aufweist, und ist ausgelegt, um ein durch das obere und untere Elektrodenelement 44, 46 erzeugte Signal auszulesen. In einer noch weiteren Ausführungsform umfasst ein MEMS-Sensor eine abwechselnde Polaritätskonfiguration mit entweder identischer oder unterschiedlicher/entgegengesetzter Polarität, um mindestens eine der vorstehend beschriebenen Funktionen durchzuführen. Zwischen den Kammfingern der Kammfingerstrukturen 42a und den Kammfingern von mindestens einer der Kammfingerstrukturen 44a, 44a befindet sich zu einem Isolationszweck ein Spalt 52, weil sie auf unterschiedlichen Potentialen liegen. Obwohl die Kammfingerstrukturen 42a, 44a, 46a der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 42, 44, 46 eine gleiche Länge und eine gleiche Breite aufweisen, kann die Länge der Kammfingerstrukturen 42a, 44a, 46a des Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 von der Länger der Kammfingerstrukturen 42a, 44a, 46a der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 44, 46 abweichen. Dies bedeutet, dass die Messung der Kammfinger der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 42, 44, 46 zum Zweck der Anwendung gewählt werden kann. Die Ausgestaltung und Geometrie der Kammfinger der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 42, 44, 46 kann je nach der Anwendung variieren. Obwohl die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 36 eine Sechseckform bildet, wie in 31 dargestellt, kann eine andere Geometrie in verschiedenen Messungen verwendet werden, ohne vom Erfindungsgedanken der Offenbarung abzuweichen.
Ein Verbindungselement 48, das das dazwischenliegende Kammfinger-Gegenelektrodenelement 42 mit der ersten und der zweiten Membran 38, 40 koppelt, ist in 3A bis 3E und 3G bis 31 dargestellt. In einer Ausführungsform kann das Verbindungselement 48 als Teil des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 gefertigt werden, wobei das Verbindungselement 48 einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt umfasst. Der obere Abschnitt des Verbindungselements erstreckt sich nach oben von einer oberen Fläche des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 zur oberen Membran 38 hin und ist mit ihr verbunden. Der untere Abschnitt des Verbindungselements erstreckt sich nach unten von einer unteren Fläche des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 zur unteren Membran 40 hin und ist mit ihr verbunden. In einer anderen Ausführungsform kann das Verbindungselement als Teil der ersten und der zweiten Membran 38, 40 gefertigt werden, wobei sich ein oberes Verbindungselement nach unten von der oberen Membran 38 zum dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelement 42 hin erstreckt und mit ihm verbunden ist, und sich ein unteres Verbindungselement nach oben von der unteren Membran 40 zum dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelement 38 hin erstreckt und mit ihm verbunden ist. In einer noch anderen Ausführungsform umfasst das Verbindungselement 48 ein oberes Verbindungselement und ein unteres Verbindungselement. Jedes Element umfasst ein erstes und ein zweites Ende. Das erste Ende des oberen Verbindungselements ist an der Innenfläche der oberen Membran 38 angebracht, und das zweite Ende des oberen Verbindungselements ist an einer oberen Fläche des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 angebracht. Das erste Ende des oberen unteren Verbindungselements ist an der Innenfläche der unteren Membran 40 angebracht, und das zweite Ende des oberen Verbindungselements ist an einer unteren Fläche des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 angebracht.
Im Gegensatz zu 3A bis 3E und 3G bis 31 erfordert der Mikrofon-Die 30 von 3F kein Verbindungselement. Eine dielektrische Anordnung 50 wirkt als eine Barriere, die Öffnungen 54 aufweist, die in der dielektrischen Anordnung ausgebildet sind, um Schallwellen zu empfangen, während die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 36 als eine Membran-Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung wirkt.
Unter Bezugnahme auf 3C koppelt die starre Wand 45 das obere Elektrodenelement 38 mit dem unteren Elektrodenelement 40, die gemeinsam ein Innengebiet oder ein Elektrodengebiet 60 bilden. Eine solche Ausbildung trennt das Innengebiet 60 von einem Außen- oder Umgebungsgebiet 62, das außerhalb des Antriebssystems 32 angeordnet ist. Dadurch wird ein abgedichteter Hohlraum, der durch das Innengebiet 60 definiert ist, ausgebildet.
In einer Ausführungsform sind das Innengebiet 60 und das Außengebiet 62 gasdurchlässig und schmutzundurchlässig, indem ein gasdurchlässiges und schmutzundurchlässiges Material verwendet wird, um 38, 40 oder 45 auszubilden. Das Material umfasst zum Beispiel eine Porosität, die es ermöglicht, dass das Gas leicht/frei innerhalb der Gebiete 60, 62 fließt, während ein Schmutzeindringen blockiert oder verhindert wird. Ein Druck im Innengebiet 60 ist im Wesentlichen gleich dem Druck des Außengebiets 62.
In einer anderen Ausführungsform sind das Innengebiet 60 und das Außengebiet 62 gasundurchlässig und schmutzundurchlässig, indem ein gasundurchlässiges und schmutzundurchlässiges Material für 38, 40 oder 45 verwendet wird. Der Druck im Innengebiet 60 kann im Wesentlichen gleich dem Außengebiet 62 oder von ihm verschieden sein. Zum Beispiel kann der Druck im Innengebiet 60 höher oder niedriger sein als der Druck im Außengebiet 62. In Abhängigkeit von der Umgebung kann der Druck im Elektrodengebiet 60 und dem Umgebungsgebiet 62 im Wesentlichen gleich, höher oder niedriger sein als ein Atmosphärendruck. In einigen anderen Umgebungen kann der Druck im Elektrodengebiet 60 niedriger sein als der Druck im Umgebungsgebiet 62, während der Druck in beiden Gebieten 60, 62 niedriger oder höher sein kann als der Atmosphärendruck. In noch anderen Umgebungen kann der Druck im Elektrodengebiet 60 höher sein als der Druck im Umgebungsgebiet 62, während der Druck in beiden Gebieten 60, 62 niedriger oder höher sein kann als der Atmosphärendruck.
Das Antriebssystem 32 wird in einer geschlossenen Kammer mit einer definierten Atmosphäre zusammengebaut. Die definierte Atmosphäre umfasst eine bestimmte Mischung von Gasen bei einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur. Das Gas kann ein einatomiges Gas oder ein zweiatomiges Gas sein. Zum Beispiel ist das Gas Helium, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid. In einem Beispiel kann das Gas eine niedrige Viskosität aufweisen, wie z.B. Methan, Ethan und Ammoniak. Zumindest eine oder mehrere kombinierte gasförmige Substanzen oder ein Gas können während der Zusammenbauphase eingeführt werden. Innerhalb des Elektrodengebiets 60 wird, nachdem der Zusammenbau abgeschlossen wurde, ein definierter Zustand des Gases gekapselt. Der im Elektrodengebiet 60 vorhandene Druck des Gases kann zum Beispiel zwischen 0,0001 bis 1,1 bar, zwischen 0,001 bis 0,05 bar, unter 0,0001 bar, über 0,05 bar sein. Nun wird der definierte Zustand des Gases, der einen Druck des beschriebenen Bereichs aufweist, in das Elektrodengebiet 60 eingeführt, das Artefaktrauschen wird erheblich reduziert, wodurch dann das vom Antriebssystem erzeugte akustische Signal verbessert wird.
Das Antriebssystem 32 kann aus einem Material, wie z.B. Silizium, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid, Siliziumoxid, Graphen, einem Dielektrikum, einem Polymer, einem Metall oder einem beliebigen anderen geeigneten Material, ausgebildet werden. In einer Ausführungsform werden die Membranen 38 und 40 im Wesentlichen aus einem Material mit niedriger Leitfähigkeit oder einem Isolationsmaterial gefertigt (z.B. 1 bis 1E18 Ohm*cm), wie z.B. Siliziumnitrid, die starre Wand 45 wird im Wesentlichen aus einem Material mit niedriger Leitfähigkeit oder einem Isolationsmaterial gefertigt, wie z.B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, das Verbindungselement 48 wird im Wesentlichen aus einem Material mit niedriger Leitfähigkeit oder einem Isolationsmaterial gefertigt, wie z.B. Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid, die Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 42, 44 und 44a werden im Wesentlichen aus einem leitfähigen Material gefertigt, wie z.B. Silizium oder dotiertem Silizium, die Basis 34 wird im Wesentlichen aus einem leitfähigen Material oder einem halbleitenden Material oder einem Material mit niedriger Leitfähigkeit oder einem Isolationsmaterial gefertigt, wie z.B. Silizium oder Siliziumdioxid.
In einer Ausführungsform werden die Membranen 38 und 40 im Wesentlichen aus einem Material gefertigt, das eine Zugspannung oder Zugeigenspannung von 0,1 bis 2000 MPa, oder 0,1 bis 10 MPa, oder 10 bis 50 MPa, oder 50 bis 100 MPa, oder 100 bis 300 MPa, oder 300 bis 2000 MPa aufweist, oder enthalten dieses. In einer Ausführungsform werden die Membranen 38 und 40 im Wesentlichen aus einem spannungsarmen Nitrid (Low Stress Nitride, LSN) gefertigt, das eine Zugeigenspannung von 1 bis 100 MPa aufweist. In einer Ausführungsform liegt die Dicke der Membranen 38 und 40 im Bereich von 0,1 bis 5 Mikrometer. In einer Ausführungsform enthalten die Membranen 38 und 40 und das Verbindungselement 48 Angusskanäle, die aus einem leitfähigen Material gefertigt werden, um die Kammfinger-Gegenelektrode 42 mit einem Bondpad am Umfang des MEMS-Chips elektrisch zu kontaktieren.
Wenn die Schallwellen durch die Öffnung 22 des Mikrofonsystems 10 von 1 und 2A bis 2C verlaufen, veranlasst das Auftreten der Schallwellen auf das Antriebssystem 32, dass sich das Antriebssystem 32 biegt, d.h. auf und ab vibriert. Eine solche Bewegung des Antriebssystems 32 erzeugt eine Änderung des Überlappungsbereichs zwischen den Elektroden, die in eine Kapazitätsänderung übersetzt wird, die durch die Komponente 26, d.h. ASIC, in ein elektrisches Signal übersetzt wird. Die ASIC misst dann die mindestens eine von Spannungs-/Ladungs-/Stromänderungen, die bei Änderungen der Kapazität, die aufgrund der Bewegung des Antriebssystem 32 als Antwort auf Schallwellen auftreten, verursacht werden.
Im Mikrofon 30 von 3A bis 3E und 3G bis 31 treffen die Schallwellen auf eine der Membranen 38, 40 auf, um als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks auf und ab zu vibrieren. Die Bewegung einer der Membranen 38, 40 verursacht wiederum eine Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 über das Verbindungselement 48. Eine solche Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 erzeugt eine Änderung des Bereichs der Überlappung zwischen den Elektroden, die in eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 und den Kammfingern des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 44, 46 übersetzt wird, die in ein elektrisches Signal übersetzt wird.
Im Mikrofon 30 von 3F verlaufen die Schallwellen durch die Öffnungen 50 einer von den oberen Rückplatten 38, 40 und treffen auf das dazwischenliegende Membran-Kammfinger-Gegenelektrodenelement 42 auf, das wiederum als Antwort auf die Änderung des Luftdrucks durch die Schallwellen auf und ab vibriert. Die Bewegung des dazwischenliegenden Membran-Kammfinger-Gegenelektrodenelements 42 erzeugt eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 48 und den Kammfingern des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 44, 46, die in ein elektrisches Signal übersetzt wird.
4 ist eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems 132 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung; Im Gegensatz zum Antriebssystem 32 von 3A sind das obere und das untere Kammfinger-Gegenelektrodenelement 144, 146 jeweils in die obere bzw. untere Membran 138, 140 integriert und als ein Abschnitt von diesen ausgebildet. Wie zu sehen, bilden das obere Kammfinger-Gegenelektrodenelement 144 und die obere Membran 138 eine C-Form. Gleichermaßen bilden das untere Kammfinger-Gegenelektrodenelement 146 und die untere Membran 140 eine umgekehrte C-Form. Jedes von dem oberen und dem unteren Finger-Gegenelektrodenelement 144, 146 umfasst eine Reihe von Kammfingern 144a, 146a, die vom Körper des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 144, 146 zum dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelement 142 hin hervorstehen. Zwischen dem oberen und dem unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelement 144, 146 besteht entweder ein Spalt 152, eine Isolationsschicht oder eine Kombination davon. Wie dargestellt, wird eine Isolationsschicht 156 zwischen dem oberen und dem unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelement 144, 146 ausgebildet, um die Bewegung des Rands der oberen und der unteren Membran 138, 140, die durch die Schallwellen verursacht wird, einzuschränken.
Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 138, 140 auftreffen, vibriert, mit der Ausnahme des Randes einer der Membranen 138, 140 in einer nicht beweglichen Bewegung, als Antwort auf die Änderung des Luftdrucks, die durch die Schallwellen verursacht wird, die Mitte einer der Membranen 138, 140 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 138, 140 verursacht wiederum eine Bewegung der dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 142 über das Verbindungselement 148. Eine solche Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 142 erzeugt eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 142a des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 142 und den Kammfingern des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 144, 146, die in ein elektrisches Signal übersetzt wird.
5A und 5B sind Querschnittsansichten eines Antriebssystems 232 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Im Gegensatz zum Antriebssystem 32 von 3A sind die obere und die untere Membran 238, 240, das Verbindungselement 248 und das dazwischenliegende Kammfinger-Gegenelektrodenelement 242 aus einem Abschnitt des als eine Einzelanordnung ausgebildet. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 238, 240 auftreffen, vibriert als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 238, 240 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 238, 240 verursacht wiederum eine Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 242 über das Verbindungselement 248. Eine solche Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 242 erzeugt eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 242 und den Kammfingern des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 244, 246, die in ein elektrisches Signal übersetzt wird. Wie in 5B dargestellt, ist eine fakultative Öffnung O, die als eine punktierte Linie dargestellt ist und die auf der Isolationswand oder der starren Wand 256 ausgebildet wird, ausgelegt, um mindestens eines oder mehrere der Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 244 und 246 aufzunehmen. In einer alternativen Ausführungsform kann ein fakultativer Hohlraum O auf den Kammfinger-Gegenelektrodenelementen 244 und 246 zum Aufnehmen der starren Wand 256 ausgebildet werden.
6 ist eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems 332 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Im Gegensatz zum Antriebssystem 32 von 3A sind Ränder des oberen und des unteren Finger-Gegenelektrodenelements 344, 346 mit einer Schicht 356 isoliert. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 338, 340 auftreffen, vibriert, mit der Ausnahme des Randes des oberen und des unteren Finger-Gegenelektrodenelements 344, 346 in einer nicht beweglichen Bewegung, als Antwort auf die die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 338, 340 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 338, 340 verursacht wiederum eine Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 342 über das Verbindungselement 48. Eine solche Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 342 erzeugt eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 342a des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 342 und den Kammfingern 344a, 346a des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 344, 346, die in ein elektrisches Signal übersetzt wird.
7A und 7C sind Querschnittsansichten verschiedener Antriebssysteme 432 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Im Gegensatz zum Antriebssystem 332 von 6 werden Öffnungen 458 fakultativ im dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelement 422 ausgebildet, um eine Säule 448 auszubilden. Zwei zusätzliche Verbindungselemente 448', 448", die das dazwischenliegende Kammfinger-Gegenelektrodenelement 442 mit der oberen und der unteren Membran 438, 440 koppeln, sind bereitgestellt. Fakultative Spalte 452, wie in 7B und 7C dargestellt, können an einer beliebigen Position ausgebildet werden, die benachbart zur Kammfinger-Elektrodenelementanordnung 436 ist, und trennen die Kammfinger-Elektrodenelementanordnung 436 in eine obere und eine untere Kammfinger-Elektrodenelementanordnung. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 438, 440 auftreffen, vibriert als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 438, 440 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 438, 440 verursacht wiederum eine Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 442 über die Verbindungselemente 448, 448' und 448". Eine solche Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 442 erzeugt eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 442a des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 442 und den Kammfingern 444a, 446a des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 444, 446, die in ein elektrisches Signal übersetzt wird.
8 ist eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems 532 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Im Gegensatz zum Antriebssystem 332 von 6 wird ein Leckloch 558 im dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelement 542 ausgebildet, um einen im vorderen und hinteren Volumen aufgrund von Wetteränderungen, Erhebung, Höhe oder beliebiger Umgebungsänderungen ausgebildeten Druck auszugleichen. Das Leckloch 558 kann innerhalb des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 542 ausgebildet und angeordnet werden. In einer Ausführungsform wird das Leckloch 558 am Mittelabschnitt oder in der Nähe des Mittelabschnitts des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 542 ausgebildet. In einer anderen Ausführungsform wird das Leckloch 558 am Umfangsabschnitt oder in der Nähe des Umfangsabschnitts des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 542 ausgebildet. Es kann mehr als ein Leckloch 558 im System ausgebildet werden. Alternativ können mehrere Stichlöcher im System ausgebildet werden. Wie zu sehen, sind beide Enden der Öffnungen 558 unter Verwendung des Verbindungselements 548 abgedeckt oder abgedichtet. Gegenüberliegende Enden des Verbindungselements 548 sind wiederum mit den Membranen 538, 540 gekoppelt. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 538, 540 auftreffen, vibriert als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 538, 540 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 538, 540 verursacht wiederum eine Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 542 über die Verbindungselemente 548, 548' und 548". Eine solche Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 542 erzeugt eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 542a des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 542 und den Kammfingern 544a, 546a des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 544, 546, die in ein elektrisches Signal übersetzt wird.
9A und 9B sind Querschnittsansichten eines Antriebssystems 632 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Im Gegensatz zum Antriebssystem 32 von 1 werden zwei dazwischenliegende Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 642, 642' in der Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 636 ausgebildet, die getrennte Verbindungselemente 648, 648' aufweisen, welche das dazwischenliegende Kammfinger-Gegenelektrodenelement 642, 642' jeweils mit der oberen bzw. unteren Membran 638, 640 koppeln. Jedes der dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelemente 642, 642' umfasst eine Reihe von Kammfingern 642a, 642a', die um den Umfang des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 642, 642' ausgebildet sind. Die Kammfinger 642a, 642a' stehen hervor und erstrecken sich zum Kammfinger 644a, 646a des Kammfinger-Gegenelektrodenelements 644, 646 hin. Ein Ende des Verbindungselements 648, 648' wird entweder an der oberen oder der unteren Membran 638, 640 angebracht und die gegenüberliegenden Enden des Verbindungselements 648, 648' werden am Mittelabschnitt des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 642, 642' angebracht. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 638, 640 auftreffen, vibriert als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 638, 640 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 638, 640 verursacht wiederum eine Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 642, 642' über die Verbindungselemente 648, 648'. Eine solche Bewegung des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 642, 642' erzeugt eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 642a, 642`a des dazwischenliegenden Kammfinger-Gegenelektrodenelements 642, 642' und den Kammfingern 644a, 646 des oberen und des unteren Kammfinger-Gegenelektrodenelements 644, 646, die in ein elektrisches Signal übersetzt wird. Die Elemente 644 und 642 sind in einer Ausführungsform perforierte Platten. Das Element 656 kann fakultativ sein und ist in einer bestimmten Anwendung nicht erforderlich. Wie in 9B dargestellt, kann eine fakultative Öffnung O', die in der Mitte des Antriebssystems zum Aufnehmen der Verbindungselemente 656 angeordnet ist, aus einer beliebigen geeigneten Geometrie ausgebildet werden. Alternativ können sich die Positionen der Öffnung O' irgendwo auf 644 oder 646 befinden.
10 ist eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems 732 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Im Gegensatz zum vorherigen Antriebssystem, wobei das obere und das untere Kammfinger-Gegenelektrodenelement als separate Schichten ausgebildet werden. Das obere und das untere Kammfinger-Gegenelektrodenelement im Antriebssystem 732 werden zusammen mit der Kammfinger-Elektrodenanordnung 736 als eine Einzeleinheit ausgebildet. Das Antriebssystem 732 umfasst eine obere und eine untere Membran 738, 740 mit integrierten Reihen von Kammfingern 738a, 740a, die zueinander gewandt sind und einander gegenüberliegen. Die Kammtreiber-Gegenelektrodenanordnung 736 umfasst einen Umfangsrandabschnitt und einen Mittelabschnitt. Der Innenbereich des Mittelabschnitts umfasst einen ersten Satz von Kammfingern 736a und einen zweiten Satz von Kammfingern 736b, die aneinander angrenzen und die ausgelegt sind, um die Kammfinger 738a, 740a der Membranen 738, 740 aufzunehmen. In einer Ausführungsform werden Durchgangskanäle auf dem ersten und dem zweiten Satz von Kammfingern 736a, 736b ausgebildet, um mindestens eines von der Verbindungsverknüpfung oder den Kammfingern 738a, 740a der Membranen 738, 740 aufzunehmen. In einer anderen Ausführungsform enden der erste und der zweite Satz von Kammfingern 736a, 736b, die Außenendabschnitte aufweisen, die zur Membran 738, 740 weisen, auf der oberen und der unteren Fläche der Kammtreiber-Gegenelektrodenanordnung 736, und gegenüberliegende Innenendabschnitte enden an einem Punkt innerhalb der Kammtreiber-Gegenelektrodenanordnung 736, gegenüberliegende Innenendabschnitte des ersten und des zweiten Satzes von Kammfingern 736a, 736b kommen nicht miteinander in Kontakt. Ein fakultatives Verbindungselement 738 kann zwischen den Kammfingern 736a, 736b des ersten und des zweiten Satzes von Kammfingern 736a und 736b ausgebildet werden. Die Kammtreiber-Gegenelektrodenanordnung 736 und die Membranen 738, 740 werden durch ein dazwischen ausgebildetes Material 756 isoliert.
Die Membranen 738, 740 umfassen eine Reihe von Kammfingern 38a, 40a, die sich zu dem ersten und dem zweiten Satz von Kammfingern 736a, 736b erstrecken und nach innen zu diesen hervorstehen. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 738, 740 auftreffen, vibriert als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 738, 740 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 738, 740 verursacht wiederum eine Bewegung der Kammfinger 736a, 736b, d.h. zu den Kammfingern 736a hin und nach außen der Kammfinger 736a in einer Aufwärts- und Abwärtsbewegung. Eine solche Bewegung der Membranen 738, 740 erzeugt eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 736a, 736b der Membranen 738, 740 und den Kammfingern 736a.
11 ist eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems 832 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Das Antriebssystem 832 ist dem Antriebssystem 732 von 10 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Elektrodenanordnung ein erstes und ein zweites Element 838', 840' umfasst, die von den Membranen 838, 840 über Brücken 861, 861' aufgehängt und mit ihnen verbunden sind. Der Umfangsrand des ersten und des zweiten Elements 838', 840' umfasst eine Reihe von Kammfingern 838'a, 840'a, die nach außen hervorstehen. Die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 836 umfasst eine Reihe von Kammfingern 836a, die nach innen und zu den Kammfingern 838'a, 840'a des ersten und des zweiten Elements 838', 840' hin hervorstehen. Ein fakultatives Verbindungselement 848 kann zwischen dem aufgehängten ersten und zweiten Element 838', 840' bereitgestellt werden. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 838, 840 auftreffen, vibriert als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 838, 840 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 838, 840 verursacht wiederum eine Bewegung des aufgehängten ersten und zweiten 838', 840'. Eine solche Bewegung des aufgehängten ersten und zweiten 838', 840' verursacht, dass die Kammfinger 838'a, 840'a in und aus den Kammfingern 836a, was dann eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 838'a, 840'a und den Kammfingern 836a erzeugt.
12 ist eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems 932 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Das Antriebssystem 932 ist dem Antriebssystem 732 von 10 ähnlich, mit der Ausnahme, dass die Brücken 861, 861' zum Verbinden des ersten und des zweiten Elements 938', 940' mit den Membranen 938, 940 durch eine Verbindungsanordnung 948 ersetzt wurden. Das erste und das zweite Element 938', 940' und die Membranen 938, 940 werden nun als getrennte Elemente gebaut. Ein erstes Verbindungselement 948a koppelt die Membran 938 mit dem ersten Element 938'. Ein zweites Verbindungselement 948b ist zwischen dem ersten und dem zweiten Element 938', 940' gekoppelt. Ein drittes Verbindungselement 948c koppelt die Membran 940 mit dem zweiten Element 940'. Anstatt die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 936 als eine separate Anordnung auszubilden, wie in 11 dargestellt, wird die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 936 einstückig mit der oberen und der unteren Membran 938, 940 ausgebildet. Eine Reihe von Kammfingern 936a wird in der Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung 936 ausgebildet und steht nach innen und zu den Kammfingern 938'a, 940'a des ersten und des zweiten Elements 938', 940' hin hervor. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 938, 940 auftreffen, vibriert als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 938, 940 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 938, 940 verursacht wiederum eine Bewegung des ersten und des zweiten Elements 938', 940' über die Verbindungsanordnung 948. Eine solche Bewegung des ersten und des zweiten Elements 938', 940' verursacht, dass die Kammfinger 938'a, 940'a in und aus den Kammfingern 936a, was dann eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 938'a, 940'a und den Kammfingern 936a erzeugt.
Um einen bestimmten Druck im Elektrodengebiet 960 auszubilden, umfasst der Membran 938 ein Versiegelungselement 930, das die Membran 938 zumindest teilweise abdeckt. Das Versiegelungselement 930 wird während der Fertigung des Antriebssystems 932 ausgebildet, um das Elektrodengebiet 960 abzudichten. Vor dem Abdichten des Elektrodengebiets 960 besteht eine Öffnung anstelle des Versiegelungselements 930.
In einer Ausführungsform ist das Antriebssystem 932 ein Teil eines MEMS-Mikrofons oder eines MEMS-Drucksensors. Das Elektrodengebiet 960 wird während der Fertigung ausgebildet, die einen Freigabeschritt umfasst, nach dem eine Öffnung an der Position von 930 vorhanden ist. Der Druck (z.B. Vakuum) im Elektrodengebiet 960 wird durch die Öffnung ausgebildet, indem z.B. das Elektrodengebiet 960 evakuiert wird. Der Zieldruck wird erzielt, indem die Öffnung abgedichtet wird, während das Elektrodengebiet einen geeigneten Druck aufweist. Das Abdichten findet statt, indem die Öffnung mit dem Versiegelungselement 930 beim geeigneten Druck geschlossen wird.
13 ist eine Querschnittsansicht eines Antriebssystems 1032 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Die Ausgestaltung des Antriebssystems 1032 ist aus einer kombinierten Ausgestaltung des ersten und des zweiten Elements 938', 940' des Antriebssystems 932 von 12 und der Elektrodenanordnung 836 des Antriebssystems 832 von 11 ausgebildet. Wenn die Schallwellen auf eine der Membranen 1038, 1040 auftreffen, vibriert als Antwort auf die durch die Schallwellen verursachte Änderung des Luftdrucks eine der Membranen 1038, 1040 auf und ab. Die Bewegung einer der Membranen 1038, 1040 verursacht wiederum eine Bewegung des ersten und des zweiten Elements 1038', 1040' über die Verbindungsanordnung 1048. Eine solche Bewegung des ersten und des zweiten Elements 1038', 1040' verursacht, dass die Kammfinger 1038'a, 1040'a in und aus den Kammfingern 1036a, was dann eine Änderung des Kapazitätsbetrags zwischen den Kammfingern 1038'a, 1040'a und den Kammfingern 1036a erzeugt.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurden als Beispiel gezeigt, und es versteht sich, dass diese Ausführungsformen verschiedene Modifikationen und alternative Formen annehmen können. Es versteht sich ferner, dass die Ansprüche nicht auf die konkreten offenbarten Formen beschränkt werden sollen, sondern vielmehr alle Modifikationen, Äquivalente und Alternative abdecken, die mit dem Erfindungsgedanken und Umfang dieser Offenbarung übereinstimmen.
Obwohl das Patent unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich, dass diese Ausführungsformen veranschaulichend sind und dass der Umfang der Offenbarung nicht auf sie beschränkt ist. Viele Abwandlungen Modifizierungen, Hinzufügungen und Verbesserungen sind möglich Im Allgemeinen wurden Ausführungsformen gemäß dem Patent im Kontext konkreter Ausführungsformen beschrieben. Die Funktionalität kann in verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung auf unterschiedliche Weisen getrennt oder in Blöcken kombiniert oder mit verschiedener Terminologie beschrieben werden. Diese und andere Abwandlungen, Modifizierungen, Hinzufügungen und Verbesserungen können innerhalb des Umfangs der Offenbarung liegen, wie in den nachstehenden Ansprüchen definiert.

Claims

MEMS-Mikrofon (MEMS: mikroelektromechanisches System), umfassend: eine Basiseinheit, ein Antriebssystem, das auf der Basiseinheit angeordnet ist, wobei das Antriebssystem umfasst: eine erste Membran, eine zweite Membran, die von der ersten Membran beabstandet ist, eine Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung, die ein bewegliches Elektrodenelement umfasst, wobei die Gegenelektrodenanordnung mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch gekoppelt ist, und eine Seitenwand, die die erste Membran mit der zweiten Membran mechanisch koppelt, wodurch ein abgedichtetes Elektrodengebiet definiert wird, wobei das abgedichtete Elektrodengebiet einen gekapselten Gasdruck aufweist und die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets angeordnet ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 1, wobei die erste Membran im Wesentlichen aus einem Material gefertigt ist, das eine niedrige Leitfähigkeit aufweist, und die zweite Membran im Wesentlichen aus einem Material gefertigt ist, das eine niedrige Leitfähigkeit aufweist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Elektrodenelement im Wesentlichen aus einem Material gefertigt ist, das eine Leitfähigkeit aufweist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 2, wobei eine oder mehrere der Membranen im Wesentlichen aus einem Material gefertigt sind, das eine Zugeigenspannung aufweist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 1, wobei die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung ein Material umfasst, das eine Zugeigenspannung aufweist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 1, das ferner ein Verbindungselement umfasst, das die Gegenelektrodenanordnung mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch koppelt.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 6, das ferner eine oder mehrere Säulen umfasst, die innerhalb des Antriebssystems ausgebildet sind.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 7, das ferner ein Leckloch umfasst, das auf mindestens einem von der Säule oder dem Verbindungselement ausgebildet ist.
MEMS-Mikrofon nach Anspruch 5, wobei die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung mindestens zwei Gegenelektroden umfasst, die innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets ausgebildet sind.
Antriebssystem für ein MEMS-Mikrofon (MEMS: mikroelektromechanisches System), umfassend: eine Elektrodenanordnung, umfassend: eine erste Membran, eine zweite Membran, die von der ersten Membran beabstandet ist, und einen Spalt, der zwischen der ersten und der zweiten Membran ausgebildet ist, eine Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung, die innerhalb der ersten und der zweiten Membran ausgebildet ist, wobei die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung umfasst: ein bewegliches Elektrodenelement, mindestens zwei Gegenelektrodenelemente, und eine Seitenwand, die die zwei Gegenelektrodenelemente mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch koppelt, wodurch ein abgedichtetes Elektrodengebiet definiert wird, wobei das abgedichtete Elektrodengebiet einen gekapselten Gasdruck aufweist und die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets angeordnet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 10, wobei die erste Membran im Wesentlichen aus einem Material gefertigt ist, das eine niedrige Leitfähigkeit aufweist, und die zweite Membran im Wesentlichen aus einem Material gefertigt ist, das eine niedrige Leitfähigkeit aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 10, wobei das bewegliche Elektrodenelement im Wesentlichen aus einem Material gefertigt ist, das eine Leitfähigkeit aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 11, wobei eine oder mehrere der Membranen im Wesentlichen aus einem Material gefertigt sind, das eine Zugeigenspannung aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 10, wobei die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung ein Material umfasst, das eine Zugeigenspannung aufweist.
Antriebssystem nach Anspruch 10, das ferner ein Verbindungselement umfasst, das die Gegenelektrodenanordnung mit der ersten und der zweiten Membran mechanisch koppelt.
Antriebssystem nach Anspruch 15, das ferner eine oder mehrere Säulen umfasst, die innerhalb des Antriebssystems ausgebildet sind.
Antriebssystem nach Anspruch 16, das ferner ein Leckloch umfasst, das auf mindestens einem von der Säule oder dem Verbindungselement ausgebildet ist.
Antriebssystem nach Anspruch 14, wobei die Kammfinger-Gegenelektrodenanordnung mindestens zwei Gegenelektroden umfasst, die innerhalb des abgedichteten Elektrodengebiets ausgebildet sind.