WO2018141515A1 - Mikromechanische modul und verfahren zum erfassen von schwingungen, insbesondere körperschall - Google Patents

Mikromechanische modul und verfahren zum erfassen von schwingungen, insbesondere körperschall Download PDF

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WO2018141515A1
WO2018141515A1 PCT/EP2018/050534 EP2018050534W WO2018141515A1 WO 2018141515 A1 WO2018141515 A1 WO 2018141515A1 EP 2018050534 W EP2018050534 W EP 2018050534W WO 2018141515 A1 WO2018141515 A1 WO 2018141515A1
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WO
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microphone
acceleration sensor
mems acceleration
micromechanical
vibrations
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PCT/EP2018/050534
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mathias Bruendel
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0228—Inertial sensors
    • B81B2201/0235—Accelerometers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
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    • B81B2207/01—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS
    • B81B2207/012—Microstructural systems or auxiliary parts thereof comprising a micromechanical device connected to control or processing electronics, i.e. Smart-MEMS the micromechanical device and the control or processing electronics being separate parts in the same package

Definitions

  • Micromechanical module and method for detecting vibrations, in particular structure-borne noise are known.
  • the present invention relates to a micromechanical module and a
  • Micromechanical modules and systems are suitable for use wherever there is limited space for relatively complex technical tasks. They can be used in mobile communication devices, as well as in fitness equipment and other modern sensor systems
  • DE 102011 055523 A1 describes a method and a device for detecting structure-borne noise, wherein only vibrations are detected whose amplitude exceeds a threshold value. Also known is a crash detection in the automobile based on structure-borne noise measurements. Structure-borne sound sensors can be part of the
  • micromechanical modules serve e.g. to capture a
  • Movement or to capture the heart rate of a user Movement or to capture the heart rate of a user.
  • the present invention discloses a device with the features of
  • Patent claim 1 and a method having the features of the claim
  • a micromechanical module for application to a body for detecting vibrations in the body comprising a housing having a cavity, the cavity being an acoustically effective volume, a substrate, a microphone being acoustically coupled to the cavity and arranged for transversal waves of the vibrations, and a MEMS acceleration sensor, wherein the MEMS acceleration sensor is adapted to longitudinal waves of
  • the substrate electrically and mechanically interconnects the microphone and the MEMS acceleration sensor and has a common interface for output.
  • a method for detecting vibrations in a body on a surface of the body comprising detecting transversal waves of the vibrations with a body Microphone, detecting longitudinal waves of the vibrations with a MEMS acceleration sensor, outputting measured values of the detected transverse and longitudinal waves via a common interface.
  • An embodiment also comprises an evaluation unit, wherein the
  • Evaluation unit is adapted to combine measured values of the detected longitudinal and transverse waves and the combined measured values in one
  • Another embodiment is configured such that the evaluation unit outputs the common output signal wirelessly. This will reduce the number of
  • the microphone and / or the MEMS acceleration sensor output digital output signals.
  • Digital output signals are less susceptible to interference during transmission and therefore improve a signal-to-noise ratio.
  • the MEMS acceleration sensor is optimized for a first frequency range and the microphone for a second frequency range different from the first frequency range.
  • a signal-to-noise ratio can be improved by optimizing the frequency response of the micromechanical module.
  • the MEMS acceleration sensor is for
  • Microphone in the frequency range up to 20 kHz is optimized.
  • the MEMS acceleration sensor is in
  • Frequency range of 20 kHz and 100 kHz is optimized.
  • the MEMS acceleration sensor has two measuring axes which are perpendicular to one another and which are in contact with the sensor
  • micromechanical module on the surface of the body parallel to the
  • longitudinal vibrations are detected in one plane and so on Propagation direction of the longitudinal vibrations are determined.
  • the MEMS acceleration sensor has two MEMS acceleration modules, each having a measuring axis, wherein the two measuring axes are perpendicular to one another and when the object is in contact with the
  • Micromechanical module are arranged on the surface of the body parallel to the surface. By using two MEMS accelerator modules, these two MEMS accelerator modules can be precisely tailored to the application in question
  • the method comprises combining the measured values of the detected transverse and longitudinal waves before
  • Vibrations must be further processed.
  • the output is wireless. This will simplify the wiring and the readout of several
  • detecting comprises
  • Transversal waves digitizing the measured values and / or detecting the longitudinal waves digitizing the measured values.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 2 is a schematic representation of a measuring process when using an embodiment of a micromechanical module according to the invention
  • Fig. 4 is a schematic representation of an embodiment of a
  • Figure 5 is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 6 shows a basic flow chart of an embodiment of a method for detecting vibrations in a body.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a micromechanical module according to the invention (M EMS module) 100 for detecting structure-borne noise, wherein the structure-borne noise composed of longitudinal and transverse waves.
  • the micromechanical module 100 has a housing 50, as well as a substrate 40, a MEMS acceleration sensor 20 and a microphone 10.
  • micromechanical module 100 also has an evaluation unit 30 (not shown in FIG. 1).
  • the housing 50 serves for the mechanical protection of the micromechanical module 100, the mechanical connection of the micromechanical module to the body 60 and for the acoustic coupling of the body 60 to the microphone 10 by means of the housing 50.
  • a shell construction made of plastic, metal and / or a composite material, or consist of a solid material, for. B. a known from electronics potting or grouting.
  • the housing 50 has a cavity 51.
  • the cavity 51 serves the microphone 10 as an acoustically effective volume. Shape and size of the cavity 51 are matched to the type and shape of the microphone 10. If the microphone 10 is e.g. a MEMS microphone, so depending on the design and position of the MEMS microphone in the housing 50 before and / or behind a membrane of the microphone 10, a cavity is needed, which forms a front and / or rear volume of the microphone 10.
  • the cavity 51 is a pre-volume of the microphone 10.
  • the size and geometry of the cavity 51 may, for example, also have an influence on a resonance behavior of the microphone 10 and be designed in accordance with a desired resonance.
  • the Helmholtz resonant frequency is shifted toward lower frequencies by decreasing to higher frequency.
  • Increasing the back volume makes it easier to move a membrane of the microphone 10, therefore increasing the back volume increases the sensitivity of the microphone 10.
  • a sealing of the cavity 51 can be effected, for example, by means of a foil 52. The film would have no influence on a quality of the acoustic coupling, but would mean a further mechanical protection, for example against dust or the like.
  • the sealing of the cavity 51 can also be achieved by sealing against the surface 64 of the body, for example by means of an adhesive or glue or by sealing means such as a rubber lip or an O-ring, for example Applying the micromechanical module is pressed against the body 60 and so the cavity 51 seals.
  • the substrate 40 electrically and mechanically interconnects the MEMS acceleration sensor 20 and the microphone 10. An issue recorded
  • Measurement values take place via a common interface 43, optionally by means of an evaluation unit 30 optionally arranged on the substrate 40 (not shown in FIG. 1).
  • the substrate 40 has a recess 41 resting against the cavity 51, which enables an acoustic coupling of the body 60 to the microphone 10.
  • the substrate 40 is, for example, a simple printed circuit board, an S MD printed circuit board or a multilayer printed circuit board.
  • the common interface 43 may be, for example, a CAN bus interface, a USB interface, an Ethernet interface, or any other conventional wired data bus.
  • the common interface can also establish a wireless connection, for example via Bluetooth, WLAN, or also via RFID or by means of a mobile radio module.
  • the MEMS acceleration sensor 20 is thus on the body 60
  • the MEMS acceleration sensor 20 may also be two perpendicular to each other
  • the MEMS acceleration sensor 20 detects the
  • the measured values of the detected longitudinal waves are given by the MEMS acceleration sensor 20 analogously, for example.
  • the measured values can already be digitized in the MEMS acceleration sensor 20.
  • the microphone 10 is likewise arranged on the side of the substrate 40 facing away from the body 60 and is acoustically coupled to the body 60 by means of the cavity 51 and the recess 41.
  • the microphone 10 is formed, for example as a MEMS microphone and has a cavity 11 which a
  • the cavity may also be a pre-volume of the ME MS microphone. Due to the acoustic coupling to the body 60, the microphone 10 can
  • the microphone 10 is a bottom-port ME MS microphone.
  • the microphone 10 is a bottom-port ME MS microphone.
  • the measured values of the detected transverse waves are emitted by the microphone 10, for example, analogously; alternatively, the digitizing of the measured values can already take place in the microphone 10.
  • FIGS. 2A and 2B are intended to illustrate the detection of structure-borne noise by a micromechanical module 100 on a body 60.
  • arrows 67 indicate a longitudinal oscillation in the body 60 with a propagation direction 65.
  • the micromechanical module 100 oscillates according to the longitudinal vibration of the body 60 and the MEMS
  • Acceleration sensor 20 detects a component of the longitudinal wave of structure-borne sound parallel to the at least one measurement axis 21 of the MEMS acceleration sensor.
  • the arrows 66 and the corrugated surfaces 63 and 64 indicate a transverse oscillation in the body 60 with the propagation direction 65.
  • the microphone 10 of the micromechanical module 100 is acoustically coupled to the body 60 by means of the cavity 51 and the recess 41 and can thus detect the transverse waves of the structure-borne sound.
  • Both the microphone 10 and the MEMS acceleration sensor 20 can be optimized with regard to their response to specific frequency ranges.
  • the microphone 10 may be optimized for the audible frequency range between 20 Hz and 20 kHz and the MEMS acceleration sensor 20 may be used for the frequency range between 20 kHz and
  • the micromechanical module 100 is designed so that the M EMS Acceleration sensor for the frequency range between 20 Hz and 20 kHz and the microphone 10 are optimized for the frequency range between 20 kHz and 100 kHz. Accordingly, for each application, provided the expected frequency range is known, a correspondingly optimized microphone 10 and a correspondingly optimized MEMS acceleration sensor 20 can be selected.
  • FIG. 3 shows an embodiment that has been modified from the embodiment of FIG. 1 such that not, or not exclusively, the housing 50 rests on the body, but that also, or exclusively, the substrate 40 rests directly on the body 60.
  • the position of the cavity 51 is changed so that it is no longer located below the substrate 40, but above.
  • a top-port MEMS microphone is used instead of a bottom-port MEMS microphone.
  • the top-port MEMS microphone is not directly acoustically coupled to the recess 41 in the substrate 40, but the recess 41 is acoustically coupled to the cavity 51, which in turn is coupled to the top-port MEMS microphone.
  • the recess 41 is sealed by means of a film 42. This embodiment allows compared to the embodiment of Figure 1 is a slimmer design.
  • the evaluation unit 30 combines measured values of the longitudinal and transverse oscillations detected by the MEMS acceleration sensor and the microphone 10 over the substrate 40 and outputs the combined measured values in a common output signal. The output is via the common interface 43 (not shown).
  • the evaluation unit 30 is for example a microcontroller unit, alternatively also a microcontroller unit combined with a wireless transmission interface. If the evaluation unit 30 is a microcontroller unit, then the evaluation unit 30 can also carry out an analysis of the measured values or, for example, according to predetermined conditions a first
  • the embodiment according to FIG. 4 differs from the embodiment according to FIG. 3 in that the microphone 10 is a bottom-port MEMS microphone and is acoustically coupled directly to the recess 41 in the substrate 40.
  • the cavity 51 acts in this embodiment as a back volume of the bottom-port ME MS microphone.
  • the micromechanical module 100 from FIG. 4 has two MEMS acceleration sensors 20A and 20B whose measuring axes 21A, 21B are perpendicular to one another and form a plane parallel to the surface 64 of the body 60.
  • the embodiment according to FIG. 5 differs from the embodiment according to FIG. 1 in that the microphone 10, the MEMS
  • Acceleration sensor 20 and the optional evaluation unit 30 are arranged on a side 60 of the body 60 of the substrate 40 within the housing 50.
  • the microphone 10 is designed as a top-port MEMS microphone and coupled acoustically directly to the cavity 51.
  • the direct acoustic coupling to the cavity 51 without recess 41 improves an acoustic coupling with respect to the embodiment of Figure 1 and has a slimmer design.
  • the common interface 43 may be formed on a back side 44 of the substrate by means of a via (via) in the printed circuit board.
  • FIG. 6 shows a basic flow chart of an embodiment of a method for detecting vibrations in a body, in particular for detecting structure-borne noise.
  • a transverse wave of the vibration is detected with a microphone.
  • a longitudinal wave of the vibration is detected with a MEMS acceleration sensor. Measured values of the detected longitudinal and transverse waves of the vibrations are then output in a step 220.
  • the acquired measured values of the transverse and longitudinal waves are combined prior to output and then output as combined measured values in a common output signal in step 220.

Abstract

Mikromechanisches Modul (100) zum Anlegen an einen Körper (60) zum Erfassenvon Schwingungen in dem Körper(60), umfassend ein Gehäuse(50)mit einer Kavität (51), wobei die Kavität (51) ein akustisch wirksames Volumen darstellt, einem Substrat(40), einem Mikrofon(10), das akustisch an die Kavität (51)gekoppelt istund dazu eingerichtet ist Transversalwellen der Schwingungen zu erfassen, und einem MEMS- Beschleunigungssensor(20), wobei der MEMS-Beschleunigungssensor(20)dazu eingerichtet ist Longitudinalwellen der Schwingungen entlang mindestens einer Messachse(21)parallel zu einer Oberfläche(64)des Körpers(60)zuerfassen, und wobei das Substrat(50)das Mikrofon(10)und den MEMS-Beschleunigungssensor(20) elektrisch und mechanisch miteinander verbindetund eine gemeinsame Schnittstelle (43) zur Ausgabe aufweist.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanische Modul und Verfahren zum Erfassen von Schwingungen, insbesondere Körperschall.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches Modul und ein
Verfahren zum Erfassen von Schwingungen in einem Körper an einer Oberfläche des Körpers, sog. Körperschall, insbesondere zum Erfassen von Transversal- und Longitudinalwellen der Schwingungen.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zur Messung von Schwingungen verschiedene mikromechanische Module und Systeme bekannt.
Mikromechanische Module (MEMS-Module) und Systeme eignen sich überall dort zur Verwendung, wo bei relativ komplexer technischer Aufgabenstellung wenig Platz zur Verfügung steht. Sie können in mobilen Kommunikationsgeräten, ebenso wie in Fitnessgeräten und sonstigen modernen Sensorsystemen
Verwendung finden.
Aus der DE 10 2014 100 464 AI ist eine Vorrichtung mit mehreren
mikromechanischen Mikrofonen offenbart, die z.B. als Stereomikrofone verwendet werden.
DE 102011 055523 AI beschreibt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erfassen von Körperschall, wobei lediglich Schwingungen erfasst werden, deren Amplitude einen Schwellwert überschreiten. Bekannt ist ferner eine Crash- Erkennung im Automobil auf Basis von Körperschallmessungen. Körperschallsensoren können Bestandteil der
Elektronik zur Aktivierung von Rückhaltesystemen, wie zum Beispiel Airbag und Gurtstraffer, sein. Durch eine Messung des bei einem Crash auftretenden
charakteristischen Körperschalls wird die plastische Deformation der Struktur erfasst. Gleichzeitig können verschiedene Crash-Szenarien wie zum Beispiel hohe oder niedrige Geschwindigkeit, teilweise Fahrzeugüberdeckung, schräger Aufprall und Aufprall gegen gut deformierbare Objekte gut unterschieden werden.
In Fitnessgeräten dienen mikromechanische Module z.B. zum Erfassen einer
Bewegung oder zum Erfassen der Herzfrequenz eines Benutzers.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung offenbart eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
11.
Demgemäß ist vorgesehen:
Ein mikromechanisches Modul zum Anlegen an einen Körper zum Erfassen von Schwingungen in dem Körper, umfassend ein Gehäuse mit einer Kavität, wobei die Kavität ein akustisch wirksames Volumen darstellt, einem Substrat, einem Mikrofon, das akustisch an die Kavität gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist Transversalwellen der Schwingungen zu erfassen, und einem MEMS-Beschleunigungssensor, wobei der MEMS-Beschleunigungssensor dazu eingerichtet ist Longitudinalwellen der
Schwingungen entlang mindestens einer Messachse parallel zu einer Oberfläche des Körpers zu erfassen, und wobei das Substrat das Mikrofon und den MEMS- Beschleunigungssensor elektrisch und mechanisch miteinander verbindet und eine gemeinsame Schnittstelle zur Ausgabe aufweist.
Ferner ist vorgesehen:
Verfahren zum Erfassen von Schwingungen in einem Körper an einer Oberfläche des Körpers, umfassend Erfassen von Transversalwellen der Schwingungen mit einem Mikrofon, Erfassen von Longitudinalwellen der Schwingungen mit einem MEMS- Beschleunigungssensor, Ausgeben von Messwerten der erfassten Transversal- und Longitudinalwellen über eine gemeinsame Schnittstelle.
Vorteile der Erfindung
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass Schwingungen in zu charakterisierenden Körpern eine longitudinale und eine tangentiale Komponente haben, die sich im Körper unterschiedlich
ausbreiten und von unterschiedlichen Messsystemen erfasst werden müssen.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Idee besteht nun darin,
dieser Erkenntnis Rechnung zu tragen und ein mikromechanisches Modul
gemäß der vorliegenden Erfindung vorzusehen, das longitudinale Schwingungen mit einem MEMS-Beschleunigungssensor und transversale Schwingungen mit einem Mikrofon erfasst.
Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die
Figuren.
Ein Ausführungsform umfasst außerdem eine Auswerteeinheit, wobei die
Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, Messwerte der erfassten Longitudinal- und Transversalwellen zu kombinieren und die kombinierten Messwerte in einem
gemeinsamen Ausgabesignal auszugeben. Dies vereinfacht die Weiterverarbeitung der erfassten Daten, da lediglich ein kombinierter Satz von erfassten Schwingungen weiterverarbeitet werden muss.
Ein weitere Ausführungsform ist so ausgestaltet, dass die Auswerteeinheit das gemeinsame Ausgabesignal drahtlos ausgibt. Dadurch wird die Anzahl der
benötigten Kabel verringert und darüber hinaus auch der für die Kabel benötigte Platz eingespart, so dass das mikromechanische Modul den Aufwand beim eine Verkabeln verringert und gleichzeitig weniger Platz benötigt und somit an Stellen eingesetzt werden kann, die mit größeren Modulen mit Verkabelung nicht erreichbar waren. Insgesamt wird eine Vereinfachung der Verkabelung und der
Auslese mehrerer mikromechanischer Module erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform geben das Mikrofon und/oder der MEMS- Beschleunigungssensor digitale Ausgangssignale aus. Digitale Ausgangsignale sind weniger störanfällig bei der Übertragung und verbessern daher ein Signal- zu-Rausch-Verhältnis.
In einer weiteren Ausführungsform ist der MEMS-Beschleunigungssensor für einen ersten Frequenzbereich und das Mikrofon für einen von dem ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich optimiert. Gerade in Anwendungen in denen Frequenzbereiche der zu erfassenden Schwingungen bekannt sind, kann durch eine Optimierung des Frequenzgangs des mikromechanischen Moduls ein Signal-zu-Rausch- Verhältnis verbessert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist der MEMS-Beschleunigungssensor für
einen Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 100 kHz optimiert, während das
Mikrofon im Frequenzbereich bis 20 kHz optimiert ist. Das mikromechanische
Modul ermöglicht so die Aufnahme von longitudinalen Schwingungen im
hörbaren Spektrum und die Aufnahme von transversalen Schwingungen im
Bereich des Ultraschalls.
In einer weiteren Ausführungsform ist der MEMS-Beschleunigungssensor in
einem Frequenzbereich bis 20 kHz optimiert, während das Mikrofon im
Frequenzbereich von 20 kHz und 100 kHz optimiert ist. Das mikromechanische
Modul ermöglicht die Aufnahme von transversalen Schwingungen im hörbaren
Spektrum und die Aufnahme von longitudinalen Schwingungen im Bereich des
Ultraschalls.
In einer weiteren Ausführungsform hat der MEMS-Beschleunigungssensor zwei aufeinander senkrecht stehende Messachsen, welche bei Anliegen des
mikromechanischen Moduls an der Oberfläche des Körpers parallel zu der
Oberfläche angeordnet sind. Durch die Verwendung eines MEMS- Beschleunigungssensors mit zwei Messachsen können die Komponenten
longitudinaler Schwingungen in einer Ebene erfasst werden und so eine Ausbreitungsrichtung der longitudinalen Schwingungen bestimmt werden.
Alternativ können aber verschiedene überlagerte longitudinale Schwingungen mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen erfasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist der MEMS-Beschleunigungssensor zwei MEMS-Beschleunigungsmodule mit je einer Messachse auf, wobei die zwei Messachsen senkrecht aufeinander stehen und bei Anliegen des
mikromechanischen Moduls an der Oberfläche des Körpers parallel zu der Oberfläche angeordnet sind. Durch die Verwendung zweier MEMS- Beschleunigungsmodule können diese zwei MEMS-Beschleunigermodule genau auf die entsprechende Anwendung angepasst werden, dadurch wird die
Sensitivität und das Signal-zu-Rausch-Verhältnis optimiert.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Verfahren ein Kombinieren der Messwerte der erfassten Transversal- und Longitudinalwellen vor dem
Ausgeben, wobei das Ausgeben die kombinierten Messwerte als gemeinsames Ausgabesignal ausgibt. Dies vereinfacht die Weiterverarbeitung der erfassten Daten, da lediglich ein Satz von kombinierten Messwerten erfasster
Schwingungen weiterverarbeitet werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Ausgeben drahtlos. Dadurch wird eine Vereinfachung der Verkabelung und der Auslese mehrerer
mikromechanischer Module erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform beinhaltet das Erfassen der
Transversalwellen eine Digitalisierung der Messwerte und/oder das Erfassen der Longitudinalwellen eine Digitalisierung der Messwerte.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen mikromechanischen Moduls,
Fig. 2 Eine schematische Darstellung eines Messvorgangs bei Verwendung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Moduls,
Fig.3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen mikromechanischen Moduls,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen mikromechanischen Moduls,
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen mikromechanischen Moduls,
Figur 6 ein prinzipielles Ablaufdiagram einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Erfassen von Schwingungen in einem Körper.
In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen - sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere
Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Moduls (M EMS-Modul) 100 zum Erfassen von Körperschall, wobei sich der Körperschall aus Longitudinal- und Transversalwellen zusammensetzt. Das mikromechanische Modul 100 weist ein Gehäuse 50, sowie ein Substrat 40, einen MEMS-Beschleunigungssensor 20 sowie ein Mikrofon 10 auf. Optional weist das mikromechanische Modul 100 noch eine Auswerteeinheit 30 auf (in Figur 1 nicht gezeigt).
Das Gehäuse 50 dient dem mechanischen Schutz des mikromechanischen Moduls 100, der mechanischen Anbindung des mikromechanischen Moduls an den Körper 60 und zur akustischen Kopplung des Körpers 60 an das Mikrofon 10 mittels des Gehäuses 50. Das Gehäuse 50 kann z. B. eine Schalenkonstruktion aus Kunststoff, Metall und/oder einem Verbundwerkstoff sein, oder aus einem Vollmaterial bestehen, z. B. einer aus der Elektronik bekannten Verguss- oder Verpressmasse. Das Gehäuse 50 weist eine Kavität 51 auf. Die Kavität 51 dient dem Mikrofon 10 als akustisch wirksames Volumen. Form und Größe der Kavität 51 sind auf die Art und Form des Mikrofons 10 abgestimmt. Ist das Mikrofon 10 z.B. ein MEMS-Mikrofon, so wird je nach Bauform und Position des MEMS- Mikrofons im Gehäuse 50 vor und/oder hinter einer Membran des Mikrofons 10 ein Hohlraum benötigt, der ein Vor- und/oder Rückvolumen des Mikrofons 10 bildet.
Gemäß der Ausführungsform in Figur 1 ist die Kavität 51 ein Vorvolumen des Mikrofons 10. Die Größe und Geometrie der Kavität 51 kann z.B. auch einen Einfluss auf ein Resonanzverhalten des Mikrofons 10 haben und entsprechend einer gewünschten Resonanz ausgestaltet sein. Durch ein Vergrößern des Vorvolumens wird die Helmholtz Resonanzfrequenz zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben, durch ein Verkleinern hin zu höheren Frequenz. Durch ein Vergrößern des Rückvolumens wird es einfacher eine Membran des Mikrofons 10 zu bewegen, weshalb das Vergrößern des Rückvolumens die Sensitivität des Mikrofons 10 erhöht. Eine Abdichtung der Kavität 51 kann beispielsweise mittels einer Folie 52 erfolgen. Die Folie hätte keinen Einfluss auf eine Güte der akustischen Kopplung, würde aber einen weiteren mechanischen Schutz z.B. vor eindringendem Staub oder ähnlichem bedeuten. Alternativ kann die Abdichtung der Kavität 51 aber auch durch Abdichten gegenüber der Oberfläche 64 des Körpers erreicht werden, z.B. mittels eines Klebers oder Leims oder durch Abdichtmittel wie eine Gummilippe oder einen O-Ring, der beispielsweise bei Anlegen des mikromechanischen Moduls an den Körper 60 gepresst wird und so die Kavität 51 abdichtet.
Das Substrat 40 verbindet den MEMS-Beschleunigungssensor 20 und das Mikrofon 10 elektrisch und mechanisch miteinander. Eine Ausgabe erfasster
Messwerte erfolgt über eine gemeinsamen Schnittstelle 43, wahlweise mittels einer optional auf dem Substrat 40 angeordneten Auswerteeinheit 30 (in Figur 1 nicht dargestellt). Gemäß der Ausführungsform in Figur 1 weist das Substrat 40 eine an der Kavität 51 anliegende Aussparung 41 auf, die eine akustischen Kopplung des Körpers 60 an das Mikrofon 10 ermöglicht. Das Substrat 40 ist beispielsweise eine einfache Leiterplatte, eine S MD- Leiterplatte oder eine mehrlagige Leiterplatte. Die gemeinsame Schnittstelle 43 kann beispielsweise eine CAN-Bus Schnittstelle sein, eine USB-Schnittstelle, eine Ethernet- Schnittstelle, oder jeder sonstige übliche drahtgebundene Datenbus. Alternativ kann die gemeinsame Schnittstelle aber auch eine drahtlose Verbindung aufbauen, beispielsweise via Bluetooth, WLAN, oder auch über RFID oder mittels eines Mobilfunkmoduls.
Der MEMS-Beschleunigungssensor 20 ist so auf der dem Körper 60
abgewandten Seite des Substrats 40 angeordnet, dass er bei Anliegen des mikromechanischen Moduls an der Oberfläche 64 des Körpers mindestens eine Messachse 21 parallel der Oberfläche 64 aufweist. Alternativ kann der MEMS- Beschleunigungssensor 20 auch zwei senkrecht zu einander stehende
Messachsen aufweisen, wobei die beiden Messachsen eine Ebene parallel zur Oberfläche 64 aufspannen. Der MEMS-Beschleunigungssensor 20 erfasst die
Longitudinalwellen des Körperschalls, wie in Fig. 2 gezeigt. Die Messwerte der erfassten Longitudinalwellen gibt der MEMS-Beschleunigungssensor 20 beispielsweise analog aus, alternativ kann bereits im MEMS- Beschleunigungssensor 20 eine Digitalisierung der Messwerte erfolgen.
Das Mikrofon 10 ist ebenfalls auf der dem Körper 60 abgewandten Seite des Substrats 40 angeordnet und mittels der Kavität 51 und der Aussparung 41 akustisch an den Körper 60 gekoppelt. Das Mikrofon 10 ist beispielsweise als MEMS-Mikrofon ausgebildet und weist einen Hohlraum 11 auf, der ein
Rückvolumen des MEMS-Mikrofons bildet. Je nach Bauart des MEMS-Mikrofons kann der Hohlraum aber auch ein Vorvolumen des ME MS -Mikrofons sein. Durch die akustische Kopplung an den Körper 60 kann das Mikrofon 10 die
Transversalwellen des Körperschalls erfassen. Gemäß Figur 1 ist das Mikrofon 10 ein bottom-port ME MS- Mikrofon. Alternativ kann aber bei geeigneter Wahl der Geometrie der Kavität 51 auch ein top-port ME MS- Mikrofon verwendet werden oder eine Mischform der beiden. Die Messwerte der erfassten Transversalwellen gibt das Mikrofon 10 beispielsweise analog aus, alternativ kann bereits im Mikrofon 10 eine Digitalisierung der Messwerte erfolgen. Die Figuren 2A und 2B sollen die Erfassung des Körperschalls mit einem mikromechanisches Modul 100 auf einem Körper 60 darstellen.
In Figur 2A deuten Pfeile 67 eine longitudinale Schwingung im Körper 60 mit einer Ausbreitungsrichtung 65 an. Das mikromechanische Modul 100 schwingt entsprechend der longitudinalen Schwingung des Körpers 60 und der MEMS-
Beschleunigungssensor 20 erfasst eine Komponente der Longitudinalwelle des Körperschalls parallel zu der mindestens einen Messachse 21 des MEMS- Beschleunigungssensors. In Figur 2B deuten die Pfeile 66 sowie die gewellten Oberflächen 63 und 64 eine transversale Schwingung im Körper 60 mit der Ausbreitungsrichtung 65 an. Das Mikrofon 10 des mikromechanischen Moduls 100 ist mittels der Kavität 51 und der Aussparung 41 akustisch an den Körper 60 gekoppelt und kann so die Transversalwellen des Körperschalls erfassen.
Sowohl das Mikrofon 10 als auch der MEMS-Beschleunigungssensor 20 können hinsichtlich ihres Ansprechverhaltens für bestimmte Frequenzbereiche optimiert werden. Beispielsweise kann das Mikrofon 10 für den hörbaren Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 20 kHz optimiert sein und der MEMS- Beschleunigungssensor 20 kann für den Frequenzbereich zwischen 20 kHz und
100 kHz optimiert sein und somit auch Ultraschall erfassen. Ist hingegen bekannt, dass longitudinale Schwingungen im Körper 60 im Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 20 kHz und transversale Schwingungen im Körper im Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 100 kHz auftreten, so wird das mikromechanische Modul 100 so ausgelegt, dass der M EMS Beschleunigungssensor für den Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 20 kHz und das Mikrofon 10 für den Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 100 kHz optimiert sind. Entsprechend kann für jede Anwendung, sofern der zu erwartende Frequenzbereich bekannt ist, ein entsprechend optimiertes Mikrofon 10 und ein entsprechend optimierter MEMS-Beschleunigungssensor 20 gewählt werden.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform, die gegenüber der Ausführungsform aus Figur 1 dahingehend geändert wurde, dass nicht, oder nicht ausschließlich, das Gehäuse 50 auf dem Körper aufliegt, sondern dass auch, oder ausschließlich, das Substrat 40 direkt auf dem Körper 60 aufliegt. Außerdem ist die Position der Kavität 51 dahingehend geändert, dass sie nicht mehr unterhalb des Substrats 40 angeordnet ist, sondern oberhalb. Weiter wird anstelle eines bottom-port MEMS-Mikrofons ein top-port MEMS-Mikrofon verwendet. Das top-port MEMS- Mikrofon ist nicht direkt akustisch an die Aussparung 41 in dem Substrat 40 gekoppelt, sondern die Aussparung 41 ist akustisch an die Kavität 51 gekoppelt, diese wiederum an das top-port MEMS-Mikrofon. Die Aussparung 41 ist mittels einer Folie 42 abgedichtet. Diese Ausführungsform ermöglicht gegenüber der Ausführungsform aus Figur 1 eine schlankere Bauform.
Über dem Substrat 40 zeigt die Ausführungsform in Figur 3 die Auswerteeinheit 30. Die Auswerteeinheit 30 kombiniert Messwerte der von dem MEMS- Beschleunigungssensor und dem Mikrofon 10 erfassten longitudinalen und transversalen Schwingungen und gibt die kombinierten Messwerte in einem gemeinsamen Ausgabesignal aus. Die Ausgabe erfolgt über die gemeinsame Schnittstelle 43 (nicht gezeichnet). Die Auswerteeinheit 30 ist beispielsweise eine Mikrocontroller- Einheit, alternativ auch eine Mikrocontroller- Einheit kombiniert mit einer drahtlosen Übertragungsschnittstelle. Ist die Auswerteeinheit 30 eine Mikrocontroller- Einheit, so kann die Auswerteeinheit 30 auch eine Analyse der Messwerte oder z.B. gemäß vorgegebener Bedingungen eine erste
Datenselektion durchführen.
Die Ausführungsform gemäß Figur 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 3 dahingehend, dass das Mikrofon 10 ein bottom-port MEMS- Mikrofon ist und akustisch direkt an die Aussparung 41 in dem Substrat 40 gekoppelt ist. Die Kavität 51 wirkt in dieser Ausführungsform als Rückvolumen des bottom-port ME MS -Mikrofons. Darüber hinaus weist das mikromechanische Modul 100 aus Figur 4 zwei MEMS-Beschleunigungssensoren 20A und 20B auf, deren Messachsen 21A, 21B senkrecht aufeinander stehen und eine Ebene parallel zur Oberfläche 64 des Körpers 60 aufspannen.
Die Ausführungsform gemäß Figur 5 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 1 dahingehend, dass das Mikrofon 10, der MEMS
Beschleunigungssensor 20 und die optionale Auswerteeinheit 30 auf einer dem Körper 60 zugewandten Seite des Substrats 40 innerhalb des Gehäuses 50 angeordnet sind. Das Mikrofon 10 ist als top-port MEMS-Mikrofon ausgebildet und akustisch direkt an die Kavität 51 gekoppelt. Die direkte akustische Kopplung an die Kavität 51 ohne Aussparung 41 verbessert eine akustische Kopplung gegenüber der Ausführungsform aus Figur 1 und hat eine schlankere Bauform. Die gemeinsame Schnittstelle 43 kann auf einer Rückseite 44 des Substrats mittels einer Durchkontaktierung (via) in der Leiterplatte ausgebildet sein.
Figur 6 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagram einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Erfassen von Schwingungen in einem Körper, insbesondere zum Erfassen von Körperschall. In einem Schritt 200 wird eine Transversalwelle der Schwingung mit einem Mikrofon erfasst. In einem Schritt 210 wird eine Longitudinalwelle der Schwingung mit einem MEMS-Beschleunigungssensor erfasst. Messwerte der erfassten Longitudinal- und Transversalwellen der Schwingungen werden dann in einem Schritt 220 ausgegeben. In einem optionalen Schritt 230 werden die erfassten Messwerte der Transversal- und Longitudinalwellen vor dem Ausgeben kombiniert und dann als kombinierte Messwerten in einem gemeinsamen Ausgabesignal im Schritt 220 ausgegeben.

Claims

Ansprüche
1 . Mikromechanisches Modul (100) zum Anlegen an einen Körper (60) zum Erfassen von Schwingungen in dem Körper (60), umfassend
- ein Gehäuse (50) mit einer Kavität (51 ), wobei die Kavität (51 ) ein akustisch wirksames Volumen darstellt,
- einem Substrat (40),
- einem Mikrofon (10), das akustisch an die Kavität (51 ) gekoppelt ist und dazu eingerichtet ist Transversalwellen der Schwingungen zu erfassen, und
- einem MEMS-Beschleunigungssensor (20), wobei der MEMS-Beschleunigungssensor (20) dazu eingerichtet ist Longitudinalwellen der Schwingungen entlang mindestens einer Messachse (21 ) parallel zu einer Oberfläche (64) des Körpers (60) zu erfassen, und wobei das Substrat (40) das Mikrofon (10) und den MEMS-Beschleunigungssensor (20) elektrisch und mechanisch miteinander verbindet und eine gemeinsame
Schnittstelle (43) zur Ausgabe aufweist.
2. Mikromechanisches Modul (100) gemäß Anspruch 1 , weiterhin umfassend
- eine Auswerteeinheit (30),
- wobei die Auswerteeinheit (20) dazu eingerichtet ist, Messwerte der erfassten
Longitudinal- und Transversalwellen zu kombinieren und die kombinierten Messwerte in einem gemeinsamen Ausgabesignal auszugeben.
3. Mikromechanisches Modul (100) gemäß Anspruch 2, wobei die Auswerteeinheit (30) dazu eingerichtet ist das gemeinsame Ausgabesignal drahtlos auszugeben.
4. Mikromechanisches Modul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eins von dem Mikrofon (10) und dem MEMS-Beschleunigungssensor (20) dazu eingerichtet ist digitale Ausgangssignale auszugeben.
5. Mikromechanische Modul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Mikrofon (10) ein MEMS-Mikrofon ist.
6. Mikromechanische Modul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der MEMS-Beschleunigungssensor (20) für einen ersten Frequenzbereich optimiert ist und das Mikrofon (10) für einen von dem ersten Frequenzbereich verschiedenen zweiten Frequenzbereich optimiert ist.
7. Mikromechanisches Modul (100) gemäß Anspruch 6,
wobei der MEMS-Beschleunigungssensor (20) für einen Frequenzbereich zwischen 20 kHz und 100 kHz optimiert ist, während das Mikrofon (10) im Frequenzbereich bis 20 kHz optimiert ist.
8. Mikromechanisches Modul (100) gemäß Anspruch 6,
wobei der MEMS-Beschleunigungssensor (20) in einem Frequenzbereich bis 20 kHz optimiert ist, während das Mikrofon (10) im Frequenzbereich von 20 kHz und 100 kHz optimiert ist.
9. Mikromechanisches Modul (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der MEMS-Beschleunigungssensor (20) zwei aufeinander senkrecht stehende Messachsen (21 , 21 ) aufweist, welche bei Anliegen des mikromechanischen Moduls (100) an der Oberfläche (64) des Körpers (60) parallel zu der Oberfläche (64) angeordnet sind.
10. Mikromechanisches Modul (10) gemäß Anspruch 9, wobei der MEMS- Beschleunigungssensor (20) zwei MEMS-Beschleunigungsmodule (20A, 20B) mit je einer Messachse (21 A, 21 B) aufweist.
1 1 . Verfahren zum Erfassen von Schwingungen in einem Körper an einer Oberfläche des Körpers, umfassend
- Erfassen von Transversalwellen der Schwingungen mit einem Mikrofon,
- Erfassen von Longitudinalwellen der Schwingungen mit einem MEMS- Beschleunigungssensor,
- Ausgeben von Messwerten der erfassten Transversal- und Longitudinalwellen über eine gemeinsame Schnittstelle.
12. Verfahren gemäß Anspruch 1 1 , weiterhin umfassend
- Kombinieren der Messwerte der erfassten Transversal- und Longitudinalwellen vor dem Ausgeben, wobei das Ausgeben die kombinierten Messwerte als gemeinsames Ausgabesignal ausgibt.
13. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei
das Ausgeben drahtlos erfolgt.
14. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Erfassen der Transversalwellen eine Digitalisierung der Messwerte beinhaltet und/oder wobei das Erfassen der Longitudinalwellen eine Digitalisierung der Messwerte beinhaltet.
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