WO2022008190A1 - Mems-vorrichtung mit berührungssensorelement und näherungssensorelement - Google Patents

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WO2022008190A1
WO2022008190A1 PCT/EP2021/066292 EP2021066292W WO2022008190A1 WO 2022008190 A1 WO2022008190 A1 WO 2022008190A1 EP 2021066292 W EP2021066292 W EP 2021066292W WO 2022008190 A1 WO2022008190 A1 WO 2022008190A1
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WO
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sensor element
proximity sensor
mems device
touch
micromechanical
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PCT/EP2021/066292
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Rupak Bardhan Roy
Sandro KOCH
Marco KIRCHER
Jörg AMELUNG
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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    • H03K2217/96—Touch switches
    • H03K2217/96003—Touch switches using acoustic waves, e.g. ultrasound

Definitions

  • Embodiments according to the invention relate to a MEMS device with touch sensor element and proximity sensor element.
  • ultrasonic distance measurement is the method of choice because of its cost-effective implementation.
  • Ultrasonic ranging technology measures distance by detecting the travel time of reflected waves from obstacles.
  • the ultrasonic waves which are usually between 20 kHz and 300 kHz, are generated and recorded by the transducer.
  • the converter is the key component of the system as it determines the overall performance.
  • piezoelectric transducers In general, electrostatic transducers perform better than piezoelectric transducers in the frequency range mentioned. The sensitivity of the piezoelectric transducer is limited by the piezoelectric coupling coefficient.
  • Electrostatic or capacitive sensors usually consist of two horizontally positioned electrodes on the surface, which are subjected to a potential difference and thus form an inhomogeneous electrostatic field. They typically sense the environment by detecting the change in dielectric properties (e.g. by bringing an object close). This changes the electric field. Due to the inhomogeneity, the sensitivity increases with decreasing distance.
  • the capacitive micromachined ultrasonic transducers are miniaturized electrostatic transducers in which electrodes are positioned vertically and can emit or receive electrostatically operated ultrasonic waves.
  • the sensitivity of the CMUT is determined by the distance between the electrodes and is therefore a design parameter of the sensor. The sensor sensitivity does not change with decreasing object distance (but the signal strength of the sensor does). It has been shown that CMUTs can be used, for example, to measure the distance of a robot arm [36-41].
  • miniaturized tactile and distance sensors has been vividly reported in the available literature in the fields of medical technology, prosthetics, motor vehicles, etc. [21, 42-44].
  • capacitance or ultrasound-based sensors have proven to be the most suitable.
  • the capabilities embodied with such sensors in a robotic hand mimic the flexible reactive gripping properties of the human hand.
  • the handling of different types of objects (surface roughness, rigidity, etc.) and shapes defines the future of complex tasks in terms of handling technologies with robots in the industrial sector.
  • gripping is essential to automated support for medical services and in nursing.
  • Current and future applications result from the expansion of human sensory perception (augmented reality, prosthetics) and the implementation of a 3D object recognition and security system (fingerprint sensor) and a depth-resolved gesture detection, which offer a high information density in real time.
  • An embodiment of the present invention provides a MEMS device with at least one touch sensor element that is designed to detect a touch piezoelectrically, capacitively, optically or magnetically, and with at least one proximity sensor element that is designed to detect an object that to the proximity sensor element is spaced to detect with ultrasound.
  • the at least one touch sensor element and the at least one proximity sensor element are integrated on a semiconductor chip.
  • This exemplary embodiment of the MEMS device is based on the finding that by integrating the at least one touch sensor element and the at least one proximity sensor element (e.g. on the same substrate), touches and objects in the vicinity of the MEMS device can be detected at the same time.
  • z. B a spatially separate arrangement (the at least one touch sensor element is e.g.
  • z. B. a sensitivity of the at least one touch sensor element and/or the at least one proximity sensor element can be set separately from one another.
  • the MEMS device does not have to switch between touch mode and proximity mode, as a result of which very efficient control and readout can be implemented.
  • Another advantage is that the MEMS device can be realized in miniaturized form.
  • the sensor elements are electrical functional components, the z. B. can be arranged on a substrate.
  • a proximity sensor element can be designed to detect a distance of an object from the proximity sensor element and a touch sensor element can be designed to detect a touch of the touch sensor element.
  • the respective detection can be based on different functional principles of the sensor elements and detected information (e.g. a distance in the case of a proximity sensor element, e.g. a touch in the case of a touch sensor element) can be read out from the sensor elements as an electrical signal.
  • the substrate z. B. as a carrier element without electrical function.
  • the semiconductor chip has the substrate.
  • the at least one touch sensor element is designed to be operated in a proximity sensor mode as a proximity sensor element.
  • the at least one touch sensor element and the at least one proximity sensor element can together form a large proximity sensor.
  • touch sensor elements may not have the same precision or performance as special proximity sensor elements in the proximity sensor mode, a larger proximity-sensitive area can be formed with the sensor elements and thereby the precision of the distance determination of elements to the MEMS device can be improved or also the range can be increased, as a result of which larger distances between elements and the MEMS device can also be detected.
  • the at least one proximity sensor element can be designed to be operated in a touch sensor mode as a touch sensor element.
  • the at least one touch sensor element and the at least a proximity sensor element together form a large touch sensor.
  • a touch-sensitive area can be enlarged, whereby, for example, a local precision of the touch detection with the MEMS device can be improved.
  • the MEMS device can be configured to operate individual or all proximity sensor elements in the touch sensor mode and/or to operate individual or all touch sensor elements in the proximity sensor mode to operate.
  • various adjacent sensor elements can be grouped into large sensors. It is possible for proximity sensor elements and touch sensor elements to be interconnected to form a large proximity sensor in a first area of the semiconductor chip and for the proximity sensor elements and touch sensor elements to be interconnected to form a large touch sensor in a second area.
  • all sensor elements of the MEMS device can also be operated in either the proximity sensor mode or the touch sensor mode.
  • the MEMS device is configured to adaptively adjust the mode in which the sensor elements are operated.
  • the at least one touch-sensing element of the MEMS device includes a plurality of arrays arranged in a one-dimensional array (eg, touch-sensing cells arranged in a row) or two-dimensional array (eg, touch-sensing cells arranged in a plane). touch sensor cells. In other words, several, for example at least two, touch sensor cells are combined into one touch sensor element. Additionally or alternatively, the at least one proximity sensor element has a multiplicity of proximity sensor cells arranged in a one-dimensional field (eg proximity sensor cells arranged in a row) or two-dimensional field (eg proximity sensor cells arranged in a surface). In other words, several, for example at least two, proximity sensor cells are combined to form a proximity sensor element.
  • the arrangement of touch sensor cells and/or proximity sensor cells in the respective sensor element enables an individual grouping of the sensor cells.
  • the at least one touch sensor element and the at least one proximity sensor element can differ from one another, e.g. B in shape, area size, sensitivity, etc., be configured.
  • the arrangement of the respective sensor cells (e.g. the proximity sensor cells or the touch sensor cells) in a one-dimensional field or two-dimensional field also makes it possible for an object to be touched and/or approached to the MEMS device to be detected with high local resolution.
  • the advantages are, among other things, the freedom of design of the respective sensor elements with regard to e.g. B. the sensitivity and in the pictorial/two-dimensional representation of the touch and the distance.
  • the touch sensor cells i.e. the electrical transducers, of the at least one touch sensor element are electrically connected in parallel in order to be driven and read in parallel.
  • the proximity sensor cells i.e. the electrical converters, of the at least one proximity sensor element are electrically connected in parallel in order to be controlled and read out in parallel. This can e.g. B. each individual sensor cell of a sensor element can be controlled and read out separately.
  • a possible failure of individual sensor cells can be compensated by neighboring sensor cells, i.e. individual defective sensor cells can be compensated.
  • the parallel connection enables very efficient control and readout.
  • the touch sensor cells of the at least one touch sensor element and/or the proximity sensor cells of the at least one proximity sensor element are round. This enables miniaturization of the MEMS device, since the sensor cells can thereby be arranged very close to one another (adjacent rows of sensors may overlap, for example) and a great deal of space can thus be saved.
  • the round shape is advantageous in some applications because the symmetry has a homogeneous radiation characteristic.
  • rectangular and/or hexagonal shapes are also conceivable.
  • other shapes of the sensor cells can be advantageous. It can also be advantageous here if the touch sensor cells have a different shape than the proximity sensor cells.
  • the sensor cells can e.g. B. have electrodes z. B. from amorphous
  • the touch sensor cells of the at least one touch sensor element and/or the proximity sensor cells of the at least one proximity sensor element are arranged in rows. Adjacent rows are offset from one another in such a way that the adjacent rows at least partially overlap, without overlapping adjacent touch sensor cells and/or adjacent proximity sensor cells. This enables advantageous interlocking of sensor cells in adjacent rows, since this saves space, among other things, and thus allows miniaturization of the MEMS device.
  • z. B. achieves an increased local sensitivity, since no non-sensitive border between two rows of sensors arises.
  • the MEMS device has a plurality of touch sensor elements and proximity sensor elements arranged next to one another in a plane.
  • a large area for detecting touches and objects can be realized in the vicinity of the MEMS device.
  • the touch sensor elements and proximity sensor elements can always be arranged alternately within a row in order to thereby implement touch and proximity detection with high local resolution.
  • These rows can be staggered or arranged next to each other. Due to the staggered arrangement of the rows, a high spatial resolution can be achieved. If the rows are not offset from one another, an effective sensitive area of the touch sensor elements and/or proximity sensor elements can be increased. The size of the respective sensor elements or the effective sensitive area (e.g. for a touch detection and a proximity detection separately) determine the
  • the structure width is still decisive for the formation of the sound field.
  • the expansion can optionally be selected according to the emitted wavelength. Typically, a characteristic expansion (of, for example, 0.5 to 1.0 of the wavelength) is selected here.
  • the at least one proximity sensor element has at least one micromechanical ultrasonic transducer.
  • the micromechanical ultrasonic transducer can represent a proximity sensor cell of the proximity sensor element.
  • the micromechanical ultrasonic transducer is designed as a capacitive micromechanical ultrasonic transducer or as a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer.
  • the capacitive micromechanical ultrasonic transducer is z. B. formed to an ultrasonic echo of an object in the vicinity of the proximity to detect the sensor cell capacitively.
  • the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer is z. B. designed to piezoelectrically detect an ultrasonic echo of an object in the vicinity of the proximity sensor cell.
  • the MEMS device can be designed to determine a distance of the object, a material composition of the object and/or a surface condition of the object based on the detected ultrasonic echo.
  • the capacitive micromechanical ultrasonic transducer has a drive circuit that is designed to stimulate a movable electrode of the capacitive micromechanical ultrasonic transducer by means of an electrostatic force between the movable electrode and a fixed electrode of the capacitive micromechanical ultrasonic transducer to generate ultrasound send out.
  • the capacitive micromechanical ultrasonic transducer has a readout circuit that is designed to detect a change in distance (e.g. a change in capacitance) between the movable electrode, which is deflected by means of an ultrasonic echo reflected from the object at a distance, and the fixed electrode read out. Read out” is e.g. B. the displacement current that arises when the distances between the electrodes change.
  • the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer has a control circuit that is designed to control a deformation of a layer stack, which has a piezoelectric layer, of the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer in order to thus emit ultrasound. Furthermore, the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer has a readout circuit that is designed to read out a deformation of the layer stack based on an ultrasonic echo reflected from the object at a distance.
  • the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer has the layer stack as the sound-emitting element.
  • the layer stack has z. B. a first electrode material, a piezoelectric material, and a second electrode material.
  • the layer stack can be a layer sequence with a first electrode (eg lower electrode), a piezoelectric layer that has PZT material, and a second electrode (e.g. upper electrode).
  • the ceramic piezo transducer is a thickness oscillator.
  • the deformation of this layer stack is a deflection of the layer stack in the thickness direction of the individual layers.
  • the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer has piezoelectric thin or thick layers, the stack of layers can be constructed analogously to the stack of layers of the ceramic piezo transducer. In this case, it can also be a thickness oscillator.
  • the layer stack can be a clamped membrane with a layer sequence with a first electrode (e.g. bottom electrode), a piezoelectric layer with piezo material and a second electrode (e.g. top electrode ), represent.
  • the PMUT is a membrane oscillator. PMUT detect the deformation of the layer stack (the membrane).
  • the PMUT is not a so-called thickness oscillator, where deformation in one direction leads to sound emission in the same direction. Rather, the PMUT membrane is clamped (eg in an xy plane). The expansion in this plane is therefore prevented and leads to a deformation in the z-direction.
  • the so-called d33 coefficient of the piezoelectric material is used in a piezoelectric thickness oscillator: an electric field in the z-direction leads directly to an expansion in the z-direction.
  • the d31 coefficient of the piezoelectric material is used: an electric field in the z direction leads directly to an expansion in the xy plane. Due to the clamping, the membrane deforms in the z-direction.
  • the at least one touch sensor element has at least one micromechanical sensor structure.
  • the micromechanical sensor structure can represent a touch sensor cell of the touch sensor element.
  • the micromechanical sensor structure has a readout circuit that is designed to read out a changed resonant frequency of a movable electrode of the micromechanical sensor structure or of a layer stack of the micromechanical sensor structure.
  • the changed resonant frequency is based on a changed load on the movable electrode of the micromechanical sensor structure or on a changed load on the layer stack (142) of the micromechanical sensor structure as a result of touching.
  • the micromechanical sensor structure has a capacitive micromechanical sensor structure or a piezoelectric micromechanical sensor structure.
  • the capacitive micromechanical sensor structure is z. B. designed to detect a touch capacitively.
  • the piezoelectric micromechanical sensor structure is z. B.
  • a capacitive or a piezoelectric drive ZAuslese structure used which can serve as an ultrasonic transducer.
  • the capacitive micromechanical sensor structure has a readout circuit that is designed to read out a change in distance (eg a change in capacitance) between a movable electrode of the capacitive micromechanical sensor structure and a fixed electrode of the capacitive micromechanical sensor structure , whereby the movable electrode is deflected by a touch to bring about the change in distance (e.g. a change in capacitance).
  • "Read out” is e.g. B. the displacement current that arises when the distances between the electrodes change.
  • the piezoelectric micromechanical sensor structure has a readout circuit that is designed to read out a deformation of a layer stack, which has a piezoelectric layer, of the piezoelectric micromechanical sensor structure.
  • the deformation of the layer stack is based on touching the layer stack.
  • the layer stack has z. B. a first electrode material, a piezoelectric material, and a second electrode material.
  • the layer stack can be a layer sequence with a first electrode (eg lower electrode), a piezoelectric layer, which has PZT materials, for example, and a second Have electrode (z. B. upper electrode).
  • the piezoelectric micromechanical sensor structure has piezoelectric thin or thick layers, the stack of layers can be constructed analogously to the stack of layers of the ceramic piezo transducer.
  • a layer stack can also consist of a large number of alternating electrodes and piezoelectric materials, with the first layer and the last layer being formed by electrodes.
  • a load transfer element is arranged over the at least one touch sensor element. As a result, the force of a touch can be optimally transmitted to the touch sensor element. With the load transfer element z. B.
  • the load transfer element can be arranged over several adjacent touch sensor cells or over individual touch-sensing cells (e.g., a touch-sensing element then has multiple load transfer elements).
  • the load transfer element can also serve as a protective layer.
  • a protective layer is arranged over the at least one proximity sensor element.
  • the protective layer can be a thin layer in order to protect the at least one proximity sensor element from external influences, such as physical contact and dirt.
  • the protective layer of the proximity sensor element and the load transfer element of the touch sensor element can be configured identically or at least have the same material and/or the same 3D shape.
  • a continuous universal layer is disposed over both the touch-sensing elements and the proximity-sensing elements, with the continuous universal layer acting as a load transfer element over the touch-sensing elements and as a protective layer over the proximity-sensing elements.
  • a or the protective layer is arranged over the at least one proximity sensor element and/or a or the load transfer element is arranged over the at least one touch sensor element, wherein the load transfer element and/or the protective layer is cubic, cuboid, pyramid-shaped or semi-cubic. are formed in gel form.
  • the advantages of these forms lie in an increased power transmission and thus in a different sensitivity and in a lower influencing of adjacent contact and/or proximity elements.
  • the adhesive properties on the sensor surface are influenced differently by these configurations. This is relevant for applications, e.g. in a robot gripper for safe/tactile gripping of objects.
  • a or the protective layer is arranged over the at least one proximity sensor element and/or a or the load transfer element is arranged over the at least one touch sensor element, the load transfer element and/or the protective layer being made of polymer material, elastomer material or comparable material having.
  • these materials have a very good load transfer and are robust against environmental influences. Furthermore, these materials are suitable for conducting ultrasonic waves.
  • a or the protective layer is arranged over the at least one proximity sensor element and a or the load transfer element is arranged over the at least one touch sensor element, wherein the protective layer has a smaller thickness than the load transfer element.
  • a protective layer is disposed over the at least one touch-sensing element, and the touch-sensing element includes at least one MEMS ultrasonic transducer to transmit and/or receive sound waves.
  • touch mode information about the touching object/people etc. can be determined. These can be: topology, 3D images of the object, material parameters for classifying the object.
  • the semiconductor chip has a flexible substrate. This not only allows the MEMS device to be used planar in various applications, but also allows the MEMS device to conform to curved or bulky surfaces.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a MEMS device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a MEMS device with a sealed proximity sensor element, according to an embodiment of the present invention
  • 2b shows a schematic representation of a MEMS device with a ventilated proximity sensor element, according to an exemplary embodiment of the present invention
  • 2c shows a schematic representation of a MEMS device with an electrode embedded in an insulator and a sealed proximity sensor element, according to an embodiment of the present invention
  • 2d shows a schematic representation of a MEMS device with an electrode embedded in an insulator and vented proximity sensor element, according to an embodiment of the present invention
  • 3a shows a schematic representation of a MEMS device which, according to an embodiment of the present invention, has a plurality of touch sensor elements and proximity sensor elements;
  • 3b shows a schematic section of a MEMS device which, according to an embodiment of the present invention, has a plurality of touch sensor elements and proximity sensor elements;
  • 4a shows a schematic representation of an interconnection of a MEMS device in a first view, according to an embodiment of the present invention
  • 4b shows a schematic representation of an interconnection of a MEMS device in a second view, according to an embodiment of the present invention
  • 5a is a schematic representation of a MEMS device having a load transfer element disposed over at least one touch sensing element, in accordance with an embodiment of the present invention
  • FIG. 5b shows a schematic representation of a MEMS device in which, according to an embodiment of the present invention, a protective layer is arranged over at least one proximity sensor element;
  • 5c is a schematic representation of a MEMS device in which at least one load transfer element over at least one touch-sensing element and at least one protective layer over at least one proximity-sensing element have the same thickness, according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 6a shows a schematic representation of a control circuit for a sensor element of a MEMS device, according to an embodiment of the present invention
  • 6b shows a schematic representation of a control circuit, without bias tee, for a sensor element of a MEMS device, according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 7a shows a schematic representation of a readout circuit for a sensor element of a MEMS device, according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7b shows a schematic representation of a readout circuit, without bias tee, for a sensor element of a MEMS device, according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 8 shows a block diagram of a system structure of a MEMS device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a MEMS device 100 having a touch sensor element 120 configured to detect a touch 124 piezoelectrically, capacitively, optically or magnetically, and having at least one proximity sensor element 130 configured to an object 200, which is spaced apart from the proximity sensor element 130, with sound 191, such as e.g.
  • the at least one touch sensor element 120 and the at least one proximity sensor element 130 are integrated on a semiconductor chip 110 .
  • the MEMS device 100 may be referred to as a system, MEMS system, sensor module, MEMS sensor module, integrated sensor, or integrated touch and distance sensor. Based on the features of the MEMS device 100 described herein, a method for its manufacture can be derived.
  • touch sensor elements 120 can also be referred to as touch sensor elements and proximity sensor elements 130 can also be referred to as distance sensor elements.
  • a MEMS device 100 with a touch sensor element 120 and a proximity sensor element 130 is shown in each of FIGS. 2a to 2d. Both the touch sensor element 120 and the proximity sensor element 130 are integrated on a semiconductor chip 110 .
  • the semiconductor chip 110 has z. B. a wafer 112 and an insulator 114 on.
  • the insulator 114 may be a stack of layers of insulators. Alternatively, the insulator 114 is formed from a single insulating layer. According to one exemplary embodiment, insulator 114 has at least one recess 140 in an area of touch sensor element 120 and/or in an area of proximity sensor element 130 .
  • the recess 140 for example a recess, is formed on a surface of the insulator 114 which faces away from the wafer 112 .
  • the at least one recess 140 is z. B. bounded on one side by a plate 142, wherein the plate 142 can alternatively be referred to as a membrane or movable plate.
  • the plate 142 is z. B.
  • the plate 142 can be formed as a stack of layers and can have multiple conductive and/or non-conductive layers. Even if all plates 142 are shown to be of the same thickness in FIGS. 2a to 2d (eg the same extension in the z-direction; eg an extension perpendicular to a surface of the insulator 114 adjoining the plate 142). , the plate 142 of the touch sensor element 120 can have a different thickness than a thickness of the plate 142 of the proximity sensor element 130.
  • the recess 140 and/or the plate 142 is cylindrical, cuboid or cubic in shape.
  • recess 140 of touch-sensor element 120 is sealed airtight or vacuum-tight (eg, sealed airtight or vacuum-tight (vacuum sealed)) by plate 142 and insulator 114, such as in FIGS 2d shown.
  • the recess 140 of the proximity sensor element 130 is closed airtight or vacuum-tight by means of the plate 142 and the insulator 114 (e.g. sealed airtight or vacuum-tight (vacuum sealed)) (see e.g. Fig. 2a or Fig .2c).
  • the plate 142 of the proximity sensor element 130 can have openings (eg holes), as a result of which the recess 140 can be aerated or vented (see FIG. 2b or 2d).
  • a load transfer element 150 is disposed on plate 142 and/or on insulator 114 of touch-sensing element 120 .
  • the load transfer element 150 is z. B. on a side facing away from the recess 140 of the plate 142 is arranged.
  • the load transfer element 150 z. B. be arranged on a surface of the insulator 114, on which the plate 142 is also arranged.
  • a sensitivity of the touch sensor element 120 is increased by the load transfer element 150 .
  • the load-transmitting element 150 (z. B. a hump elastomer) has z. B. an elastomeric material.
  • the load transfer element 150 has features and/or functionalities of the load transfer element 150 described in the context of FIGS. 5a to 5c.
  • FIGS. 2a to 2d show variations or cell configurations with a representation of a sensor module in which each cell, ie each sensor element 120/130, can be used separately as a touch or distance sensor.
  • the sensor elements 120/130 can have a physical principle of action, such as. B. electrostatically, piezoelectrically, optically, magnetically, etc., controlled and read.
  • the MEMS device can have sensor elements with different physical principles of action.
  • the plate 142 according to FIG. 2a or
  • a layer sequence of at least one electrically conductive material, a piezoelectric material and a further electrically conductive material, ie the plate 142 is made of a layer stack of at least one electrode, a piezoelectric layer and an electrode in this order formed. Additional layers can also be arranged between the layers just mentioned, such as one of the electrodes and the piezoelectric layer.
  • the piezoelectric MEMS e.g. B. a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer (PMUT), z. B. in the case of the proximity sensor element 130, and / or a piezoelectric micro-mechanical sensor structure, z. e.g., in the case of touch-sensing element 120.
  • FIGS. 2c and 2d show exemplary embodiments of a capacitive MEMS.
  • z. B. under the recess 140, in the insulator 114 a layer 144 of electrically conductive material, z. B. a fixed electrode, integrated or embedded.
  • the region of insulator 114 above layer 144 of electrically conductive material, e.g. B. the area facing the plate 142 can be structured. So the insulating layer z. B. also cover the electrode 144 only in places. Because the layer 144 is at least partially covered with an insulating layer of the insulator 114, a short circuit with the movable plate 142 can be avoided.
  • the capacitive sensor elements 120/130 have two electrodes, the layer 144 and the plate 142 (e.g. an electrode and optionally insulation layers), and at least one dielectric in between.
  • the layer 144 and the plate 142 e.g. an electrode and optionally insulation layers
  • at least one dielectric in between.
  • a deformation of the plate 142 by the electrostatic interaction between the electrodes can be evaluated.
  • ultrasound can be transmitted and received as a result of the electrostatic interaction.
  • CMUT capacitive micromechanical ultrasonic transducer
  • CMUTs are basically MEMS structures consisting of two opposing electrodes.
  • One of the electrodes is rigid, e.g. the layer 144, the other movable, e.g. B. the plate 142.
  • Between the two electrodes are an insulating layer and a z. e.g. gap 140 which is closed in a vacuum.
  • CMUTs can both transmit and receive by converting electrical energy into acoustic energy by moving the movable electrode 142 or vice versa.
  • an electrical potential is built up between the two electrodes 142, so that an electrostatic force deflects the movable electrode 142 (eg first electrode) towards the rigid electrode 144 (eg second electrode).
  • a sound wave e.g.
  • CMUTs can also act as receivers when movable electrode 142 is exposed to an acoustic input signal (e.g., an ultrasonic wave). This causes movement of the electrode 142, which in turn causes a current to flow between the two electrodes, e.g. B. a displacement current. This electric current can be measured and z. B. can be processed digitally into an image for further analysis.
  • an acoustic input signal e.g., an ultrasonic wave
  • the proximity sensor element 130 of the MEMS device 100 has e.g. B. at least one micromechanical ultrasonic transducer. It can be z. B. be a capacitive micromechanical ultrasonic transducer or see a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer.
  • Proximity sensor elements 130 and/or touch sensor elements 120 can have a drive circuit 170, as described in connection with FIG. 6a or 6b, and a readout circuit 180, as described in connection with FIGS. 7a and 7b. exhibit.
  • a proximity sensor element 130 the plate 142 z. B. by means of the control circuit put into a transmission oscillation in order to emit ultrasound.
  • An ultrasonic echo reflected from a distant object sets the plate 142 into a reception oscillation and this reception oscillation is detected by the readout circuit.
  • a distance of the object to the proximity sensor z. B. be determined by ultrasonic transit time measurements.
  • the proximity sensor element 130 is designed to detect the received vibration capacitively, piezoelectrically, optically or magnetically.
  • the detection of the reception vibration can, for. B. as described below (z. B. same or similar to a detection of a deflection of the plate 142 caused by a touch).
  • plate 142 of touch-sensing element 120 is flexed upon touch.
  • the touch sensor element 120 has z. B. has a readout circuit to detect this bending. Based on a strength of the bending z. B. a force of touch can be determined.
  • the touch sensor element 120 is designed to detect the bending capacitively, piezoelectrically, optically or magnetically. A deflection of the plate 142 can be detected in a wide variety of ways, as explained below, among other things. However, the methods presented should not be viewed as limiting, since other methods are also conceivable.
  • the plate 142 and an additional electrode form a capacitor.
  • an additional electrode e.g. counter electrode, e.g. second electrode
  • the plate 142 e.g. B. is a first electrode or has a first electrode.
  • the bending of the plate 142 changes a capacitance of the capacitor that can be read out by the readout circuit.
  • z. B. the displacement current that arises when the distances between the electrodes change, read out or an electrostatic interaction is evaluated.
  • the additional electrode is z. B. embedded in the insulator 114, as shown in Figures 2c and 2d as layer 144.
  • the wafer 112 or the insulator 114 can be implanted to create an electrode in the wafer substrate or in the insulator 114 .
  • the plate 142 has a layer stack made up of at least a first electrode, a piezoelectric layer and a second electrode.
  • the first electrode and the second electrode are arranged, for example, on two opposite sides (e.g. on a side facing the recess 140 and on a side facing away from the recess 140) of the piezoelectric layer.
  • the bending changes an electrical voltage between the two electrodes on the piezoelectric layer, which can be read out by the readout circuit.
  • a proximity sensor element z. B. can be applied to the two electrodes by means of the drive circuit, a voltage to put the plate 142 in a transmission oscillation.
  • a laser and a detector are arranged in the recess 140 or in the insulator 114 (eg facing the recess via an opening).
  • the plate 142 and/or the substrate comprises a permanent magnet or at least one electromagnet (eg a flat coil - see reference [16]).
  • a dynamic magnetic field of the electromagnet leads to a force acting on the membrane, which contains a permanent magnet or a second electromagnet, for example, and thus to sound emission.
  • the movement of the membrane leads to a changed magnetic field in the coil of the electromagnet, which induces a corresponding alternating voltage.
  • the membrane can consist of magnetoresistive or magnetoelastic materials.
  • a coil arrangement below the recess 140 or on the membrane itself can generate a variable magnetic field and thus (similar to the piezoelectric effect) generate a deformation of the membrane or, conversely, detect it by means of induction.
  • touch sensor cell 122 is a micromechanical sensor structure that has a readout circuit that is designed to read out a changed resonant frequency, a movable electrode of the micromechanical sensor structure, or a layer stack of the micromechanical sensor structure.
  • the changed resonant frequency is based on a changed load on the movable electrode of the micromechanical sensor structure or on a changed load on the layer stack of the micromechanical sensor structure due to a contact tion.
  • the plate 142 z. B. represent the movable electrode in a capacitive micromechanical sensor structure and represent the layer stack in a piezoelectric micromechanical sensor structure.
  • the plate can also be designed differently for other micromechanical sensor structures, such as a laser-based micromechanical sensor structure or a magnetic micromechanical sensor structure, but the respective readout circuit can also be designed to read out a changed resonant frequency of the plate 142.
  • Touch sensor elements 120 with a multiplicity of touch sensor cells 122 and proximity sensor elements 130 with a multiplicity of proximity sensor cells 132 are shown schematically in FIGS. 3a to 5c.
  • Each touch sensor cell 122 may z. B have the same or a similar structure as the touch sensor element 120 described in one of the figures 2a to 2d and each proximity sensor cell 132 can e.g. B have the same or a similar structure as the proximity sensor element 130 described in one of Figures 2a to 2d.
  • the touch sensor element 120 shown in one of Figures 2a to 2d can also be a touch sensor cell 120 (e.g.
  • a tactile cell in the sense of the MEMS device 100 shown in Figures 3a to 5c and the proximity sensor element 130 shown in one of Figures 2a to 2d can also be a proximity sensor cell 132 (z. B. a distance cell) in the sense of in Figures 3a to Illustrate the MEMS device 100 shown in Figure 5c.
  • the touch sensor cells 122 and/or the proximity sensor cells 132 can be any other known sensors.
  • MEMS device 100 enables multiple tactile and distance sensing elements (e.g., touch sensing elements 120 and proximity sensing elements 130), e.g. B., on the basis of a capacitive converter, to be integrated in a single chip (see, for example, FIGS. 3a to 5c).
  • a capacitive converter e.g. B.
  • sensor fusion high-volume information about distance and touch can be recorded and processed.
  • any other technology used to manufacture such transducers, sensors and integrated sensors is also hereby implied.
  • the entire system e.g. MEMS device 100
  • Sensor elements e.g., touch sensor elements 120 and/or proximity sensor elements 130
  • each transducer cell e.g., touch sensor cells 122 and/or proximity sensor cells 132
  • ASIC application specific integrated circuit
  • each transducer cell e.g., touch-sensing cells 122 and/or proximity-sensing cells 132
  • each transducer element e.g., touch-sensing elements 120 and/or proximity-sensing elements 130
  • the entire transducer e.g., MEMS device 100
  • drive modality e.g. drive circuit
  • a few sensor modules can be used.
  • at least one of the following features applies to the MEMS device (e.g. an integrated distance and touch sensor module):
  • Each cell e.g., touch sensor cells 122 and/or proximity sensor cells 132 is used (e.g., powered or driven) as either a tactile or distance sensor.
  • Alternating cells are used (e.g. driven or driven) as either distance or tactile sensors.
  • a transducer element (comprising multiple electrically bundled cells) can be used (eg, powered or driven) as a tactile or a distance sensor.
  • Separate tactile and distance sensor elements can be mechanically configured together to form the entire sensor module.
  • V. Integrated manufacturing processes can be used to form the touch (cell or elements) and/or distance (cell or elements) sensor modules to form the entire sensor assembly - produce group (e.g. MEMS device 100).
  • VI. Geometrical structures (cubic, rectangular, pyramidal, etc.) made of materials (including all soft materials such as polymer, elastomer, etc. and material suitable for such structures and applications) on top tactile sensor (cells or elements), that are able to couple the tactile load to its respective sensor (cell or element) can be used as tactile load bumps (e.g. load transfer elements).
  • a distance sensor (cell or elements) can either have a bare surface or structures (e.g. a protective layer) that are geometrically and materially similar to the tactile load bumps can be used to cover them to protect them from mechanical impact or damage during operation.
  • a bare surface or structures e.g. a protective layer
  • Capacitive transducers (which include all types such as CMUT) can be used in different configurations as hermetically sealed, vented or vacuum sealed depending on the requirements in duty or distance mode. This implies z.
  • the integrated sensor module described herein, so to speak the MEMS device 100, has numerous features/advantages:
  • a tactile sensor Using a tactile sensor, distance sensor (elements or cells) in a separate or aggregated configuration either individually or through multiplexing.
  • Schematic representations of configurations in which grouped transducer cells (e.g. touch sensor cells 122 and/or proximity sensor cells 132) form sensor elements (e.g. touch sensor elements 120 and/or proximity sensor elements 130) and alternating elements are shown in FIGS. 3a to 5c e.g. B. are arranged in a checkered pattern to form the complete sensor module (z. B. the MEMS device).
  • the tactile elements touch sensing elements 120
  • an elastomeric bump e.g., a load transfer element
  • the spacer elements (proximity sensor elements 130) can in this state z. B. have three configurations:
  • the present invention relates to a device and a system for test and distance detection using an integrated sensor module z. B. based on a MEMS acoustic converter.
  • it is z. B. to a system in which several tactile and distance sensor elements were integrated for the first time, z. B., for an integration on a robot hand.
  • the sensor fusion of the individual systems makes it possible to acquire and process a high information density, which is necessary with the increasing complexity of applications.
  • the entire chip eg the semiconductor chip
  • the entire chip consists of 8 tactile elements (eg touch sensor elements 120) and 8 spacer elements (eg proximity sensor elements 130), which are arranged next to one another in one plane.
  • the first touch sensor element 120i and the first proximity sensor element 130i have been outlined in dashed lines.
  • Each touch-sensing element 120 has z.
  • B. a plurality of touch sensor cells 122 arranged in a two-dimensional array and each proximity sensor element 130 z.
  • B. comprises a plurality of proximity sensor cells 132 arranged in a two-dimensional array.
  • the touch sensor cells 122 and/or the proximity sensor cells 132 are z. B formed around.
  • each touch-sensing element 120 and each proximity-sensing element 130 has contacts 160 and 162, ie contact points or contact pads.
  • the contact 162 is used for.
  • the transmission of the transmission voltage or the detection in the reception path and the contact 160 can represent a ground connection, a DC connection or the like.
  • contact pads 160 associated with touch-sensing elements 120 and/or associated with proximity-sensing elements 130 may also be implemented together.
  • this merging can also be applied to the contacts 162.
  • An advantageous interconnection is illustrated in FIGS. 4a and 4b (e.g. a parallel connection of the touch sensor cells 122 of a touch sensor element 120 and a parallel connection of the proximity sensor cells 132 of a proximity sensor element 130).
  • touch sensor cells 122 and proximity sensor cells 132 are shown as circles and disks, respectively, in FIGS. 3a-5c, they are not limited thereto. It is also possible to integrate sensor cells with other shapes into the chip. According to one embodiment, touch-sensor cells 122 and/or proximity-sensor cells 132 are CMUT cells and/or PMUT cells.
  • the modular structure makes it possible that, depending on the application, a number, a structure and/or an arrangement of the touch sensor elements 120 and the proximity sensor elements 130 can be varied.
  • the touch sensor element has 12039 touch sensor cells 122 and each proximity sensor element 130 has 14 proximity sensor cells 132.
  • successive rows of cells z. B. offset from each other to arrange the sensor cells as space-saving as possible within a sensor element. Adjacent rows overlap z. B. at least partially without adjacent touch-sensor cells 122 and/or adjacent proximity-sensor cells 132 overlapping.
  • FIG. 3b a touch sensor element 120 and a proximity sensor element 130 according to an exemplary embodiment are shown enlarged.
  • the section shown in FIG. 3b can represent a section of the MEMS device 100 from FIG. 3a.
  • the sensor cells of a sensor element are each connected to a first connection 160 and a second connection 162 .
  • the first port 160 represents z.
  • B. represents a reference connection or ground connection
  • the second port 162 represents e.g. a signal terminal (e.g. "bias terminal") or a positive terminal.
  • a possible cell connection for a tactile and a spacer element is shown via a positive and a grounded terminal (e.g. "ground ter - minal").
  • Other configurations are also possible. These configurations are an example where there is very little parasitic capacitance.
  • the first connection 160 does not have the same functionality for all sensor elements.
  • the contact pads can be used for the individual elements (e.g. for the individual sensor cells 122, 132 and/or for the individual touch 120 and Proximity sensor elements 130) are controlled or read differently.
  • each individual sensor element in FIG. 3a 4 touch 120 1 -120 4 and 4 proximity sensor elements 130 1 -130 4 are shown as an example) can be controlled individually.
  • first electrodes (eg arranged on the wafer 112 ) of the sensor cells are connected to the first connection 160 and second electrodes (eg the plate 142 ) of the sensor cells are connected to the second connection 162 .
  • an AC voltage can be applied between the two connections 160, 162 in order to excite a movable electrode (eg the first electrode or the second electrode) of the proximity sensor cells 132 to oscillate and thus to perform an ultrasonic propagation time measurement enable.
  • Figures 4a and 4b represent e.g. B. Sections of the MEMS device 100 from Fig. 3a.
  • Figures 5a to 5c show additional different embodiments of the MEMS device 100 from Fig. 3a with a load transfer element 150 and/or a protective layer 152.
  • the load transfer elements 150 and the protective layers 152 are shaped as cuboids in FIGS. 5a to 5c. These can also be shaped as pyramids or hemispheres or the like using suitable deposition and structuring processes.
  • an "additional" protective layer can be introduced. This can be placed as a kind of thin film over the entire chip or just over the proximity sensor. This film can have a structure. The advantage is that there is no mechanical interaction with the proximity sensor and protection against mechanical effects, dust, moisture, etc. can be provided.
  • FIG. B. are covered with polymer (z. B. load transfer elements 150 or contact bumps) and proximity sensor elements 130 that are open (not covered).
  • the “additional” protective layer can be placed over the entire chip as a kind of thin film.
  • the “further” protective layer is e.g. B. rests on the load transfer elements 150 and is arranged in a cantilevered manner above the proximity sensor elements 130 . As a result, there is no mechanical interaction between the "additional" protective layer and the proximity sensor element.
  • FIG. B covered with polymer (z. B. load transfer elements or contact bumps) and proximity sensor elements 130, which are partially covered for protection.
  • the protective layers 152 arranged over each two adjacent proximity sensor elements 130 have a smaller thickness than the load transfer elements arranged over each two adjacent touch sensor elements 120 .
  • FIG. B. are completely covered with polymer.
  • control circuit 170 i.e. a control configuration for transmission, as an example for a capacitive micromechanical ultrasonic transducer (CMUT) as a proximity sensor cell 132 for a MEMS device, according to an exemplary embodiment.
  • CMUT capacitive micromechanical ultrasonic transducer
  • the drive circuit 170 in FIG. 6a has a signal controller 172, a signal source 174, a DC source 176 and a bias tee 178.
  • the signal controller 172 in FIG. 6a, can be configured to regulate the signal source 174 and the DC source 176.
  • the two voltages generated are superimposed via bias tee 178 and transmitted to proximity sensor 132 . This converts the electrical signal into ultrasonic waves.
  • An alternative drive circuit 170 is shown in FIG. 6b.
  • the drive circuit 170, in FIG. 6b comprises a signal controller 172, a signal source 174 and a DC source 176, for example.
  • the signal controller 172 can be designed to regulate the signal source 174 and the DC source 176 .
  • the two voltages are superimposed directly on the proximity sensor 132 via various electrical contacts. This converts the electrical signal into ultrasonic waves.
  • the control circuit 170 has the signal controller 172 and the signal source 174 as the proximity sensor cell 132 .
  • the electrical signal from the signal source 174 is sent directly to the proximity sensor 132 .
  • CMUT capacitive micromechanical ultrasonic transducer
  • the readout circuit 180 in FIG. A high-frequency electrical signal from the proximity sensor 132 caused by an ultrasonic wave is amplified via the amplifier 184 and transferred to the signal processing unit 182 . Receive sensitivity is controlled by amplifier 184 and the DC source
  • the readout circuit 180 in FIG. 7b, comprises a signal processor 182, an amplifier 184 and a DC source 186, for example.
  • a high-frequency electrical signal from the proximity sensor 132 caused by an ultrasonic wave is amplified by an amplifier 184 and transferred to the signal processing unit 182 .
  • the reception sensitivity is controlled via the amplifier 184 and the DC source 186.
  • the DC source 186 and the bias tee 188 in the case of the configuration shown in FIG. 7a and the DC source 186 is omitted in the case of the configuration shown in FIG. 7b.
  • readout circuit 180 has signal processing 182 and amplifier 184 .
  • the electrical signal from the proximity sensor 132 is fed directly to the amplifier 184 .
  • FIG. 8 shows a block diagram of a system architecture of a MEMS device 100 having at least one touch sensor element 120 and at least one proximity sensor element 130.
  • the main modules of the system are shown on the left and a flowchart of the system is shown on the right.
  • At least one or each of the touch sensor elements 120 1 -120 n can have multiple touch sensor cells and at least one or also each of the proximity sensor elements 130 1 -130 m can have multiple proximity sensor cells.
  • the index n is a natural number and indicates the number of independent proximity sensor elements 130 .
  • the subscript m is a natural number and indicates the number of independent touch-sensing elements 130 .
  • Sensor elements 130/120 and/or sensor cells can have features and/or functionalities as described in connection with at least one of FIGS. 1 to 7b.
  • a drive circuit 170 1 ie an electronic control system
  • the proximity sensor elements 130 that is, the proximity sensors
  • These convert the electrical signals 175 into ultrasonic waves 190 Ni "pTx Ni", which then interact with the environment.
  • the response 192 to all of the signals 190 "pTx Ni” is recorded by the sensor system.
  • the j-th receiving element can likewise receive response signals 192 i induced by the i-th transmitting element 130 i (for i ⁇ j).
  • the signals are prepared using suitable signal processing and transferred to a visualization system.
  • the touch sensor system 120 is controlled analogously.
  • an active touch sensor 120 it can also emit ultrasonic waves 190 Bi "pTx Bi" (analogous to the proximity sensor 130).
  • touch sensor 120 may operate in a proximity sensing mode.
  • the proximity sensor elements 130 and optionally the touch sensor elements 120 can be controlled with an electrical transmission pulse 175, whereupon the sensor elements 130/120 emit a physical transmission pulse 190 (e.g. ultrasound, electrostatics, magnetism, optics) to the environment.
  • a physical transmission pulse 190 e.g. ultrasound, electrostatics, magnetism, optics
  • Both the proximity sensor elements 130 and the touch sensor elements 120 can receive a physical receive pulse 192 (e.g. ultrasound, electrostatics, magnetism, optics) and convert it into an electrical receive pulse 183 .
  • the individual sensor elements 130 “Ni” and 120 “Bi” can be grouped electrically in order to increase the signal-to-noise ratio, for example.
  • touch sensor elements 120 are configured to operate in a proximity sensor mode as a proximity sensor element and/or proximity sensor elements 130 are configured to operate in a touch sensor mode as a touch sensor element. This allows both proximity sensor elements 130 and touch sensor elements 120 to be grouped into one large proximity sensor, with both proximity sensor elements 130 and touch sensor elements 120 being operated in the proximity sensor mode. Conversely, proximity sensor elements 130 and touch sensor elements 120 can also be grouped into one large touch sensor, with both the proximity sensor elements 130 and the touch sensor elements 120 being operated in the touch sensor mode.
  • the modules "Signal processing”, i.e. data processing, and “Visualization” can combine the information from both sensor domains “Proximity sensors” and “Touch sensors”.
  • the system 100 can transfer information to an external control loop in order to actively intervene in the interaction between the sensor system and the environment (for example changing the gripping distance in a robot gripper).
  • an external control loop in order to actively intervene in the interaction between the sensor system and the environment (for example changing the gripping distance in a robot gripper).
  • embodiments of the invention can be implemented in hardware or in software.
  • the implementation may be performed using a digital storage medium such as a floppy disk, a DVD, a Blu-ray Disc, a CD, a ROM, a PROM, an EPROM, an EEPROM or a FLASH memory, a hard disk or other magnetic or be carried out optical memory on which electronically readable control signals are stored, which can interact with a programmable computer system in such a way or interaction that the respective method is carried out. Therefore, the digital storage medium can be computer-readable.
  • Some exemplary embodiments according to the invention thus include a data carrier which has electronically readable control signals which are capable of interacting with a programmable computer system in such a way that one of the methods described herein is carried out.
  • exemplary embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, with the program code being effective to carry out one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can also be stored on a machine-readable carrier, for example.
  • Other exemplary embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, the computer program being stored on a machine-readable carrier.
  • an exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a computer program which has a program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded.
  • the data carrier, digital storage medium, or computer-readable medium is typically tangible and/or non-transitory.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data stream or a sequence of signals which represents the computer program for carrying out one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals can be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
  • Another embodiment includes a processing device, such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • a processing device such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program for performing one of the methods described herein is installed.
  • a further exemplary embodiment according to the invention comprises a device or a system which is designed to transmit a computer program for carrying out at least one of the methods described herein to a recipient.
  • the transmission can take place electronically or optically, for example.
  • the recipient may be a computer, mobile device, storage device, or similar be direction.
  • the device or the system can, for example, comprise a file server for transmission of the computer program to the recipient.
  • a programmable logic device eg, a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein.
  • the methods are performed on the part of any hardware device. This can be universally replaceable hardware such as a computer processor (CPU) or hardware specific to the method, such as an ASIC.
  • the devices described herein may be implemented, for example, using hardware apparatus, or using a computer, or using a combination of hardware apparatus and a computer.
  • the devices described herein, or any components of the devices described herein may be implemented at least partially in hardware and/or in software (computer program).
  • the methods described herein may be implemented, for example, using hardware apparatus, or using a computer, or using a combination of hardware apparatus and a computer.

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Abstract

MEMS-Vorrichtung, mit zumindest einem Berührungssensorelement, das ausgebildet ist, um piezoelektrisch, kapazitiv, optisch oder magnetisch eine Berührung zu delektieren; und mit zumindest einem Näherungssensorelement, das ausgebildet ist, um ein Objekt, das zu dem Näherungssensorelement beabstandet ist, mit Schall zu delektieren. Das zumindest eine Berührungssensorelement und das zumindest eine Näherungssensorelement sind auf einem Halbleiterchip integriert.

Description

MEMS-Vorrichtung mit Berührungssensorelement und Näherungssensorelement
Beschreibung
Technisches Gebiet
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine MEMS-Vorrichtung mit Berührungssensorelement und Näherungssensorelement.
Hintergrund der Erfindung
Tastsensoren werden seit über 40 Jahren entwickelt. In den 1970er Jahren berichteten Ki- noshita et al. über piezoelektrische Erfassungsarrays, um ein Tastsystem zu bilden, und verwirklichten dies auf einer Roboterhand [1]. Raibert et al. entwickelten 1980 eine Tast- sensoranordnung unter Verwendung von Elektroden aus leitfähigem Gummi und Metall auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung [2], Um 1990 entwickelten sich flexible und dehnbare Materialien zu einem neuen Interessengebiet [3-6]. Ohtsuka et al. beschrieben einen piezoelektrischen Tastsensor für die Lokalisierung kleiner unsichtbarer Knoten in der Lunge [7]. Mit dem Beginn des 21. Jahrhunderts überschritten Forschungs- und Entwick- lungsarbeiten zur Nachahmung der taktilen Funktion der menschlichen Haut den Umfang der Druckmessung bezüglich Temperatur, Feuchtigkeit, Härte, Viskosität usw. [8-29]. Dar- über hinaus wurde auch die Klassifizierung von Materialien und deren Eigenschaften wie Textur, Form usw. mittels Tastsensoren beschrieben [30-34]. Engel et al. integrierten eine mikrobearbeitete Tastanordnung aus Polymer mit Metalldünnfilmen, um die Härte, Wärme- leitfähigkeit, Temperatur und Oberflächenkonturen eines Kontaktobjekts zu erfassen [35]. Die in der verfügbaren Literatur dargestellten Funktionsprinzipien von Tastsensoren werden im Wesentlichen wie folgt eingetellt:
I. Kapazitiv II. Piezoresistiv
III. Optisch IV. Magnetisch
Für Tastsensoren, hauptsächlich kapazitive und piezoresistive, ist die Verwendung von die- lektrischen Schichten und taktilen Höckern üblich. Die gängigsten Materialien, die für solche Kontakthöcker beschrieben werden, sind PDMS, Pil2T-Si, PET usw. Bei den zahlreichen heutigen Robotersystemen ist Ultraschallentfemungsmessung auf- grund ihrer kostengünstigen Implementierung die Methode der Wahl. Die Ultraschallentfer- nungsmessungs-Technik misst die Entfernung durch Erfassen der Laufzeit der reflektieren- den Wellen von den Hindernissen. Die Ultraschallwellen, die in der Regel zwischen 20 kHz und 300 KHz liegen, werden durch den Wandler erzeugt und erfasst. Der Wandler ist die Schlüsselkomponente des Systems, da er die Gesamtleistung bestimmt. Die meisten Sys- teme verwenden piezoelektrische Wandler. Im Allgemeinen schneiden die elektrostati- schen Wandler in dem genannten Frequenzbereich besser ab als piezoelektrische. Die Empfindlichkeit der piezoelektrischen Wandler ist durch den piezoelektrischen Kopplungs- koeffizienten begrenzt.
Elektrostatische bzw. kapazitive Sensoren bestehen üblicherweise aus zwei horizontal po- sitionierten Elektroden an der Oberfläche, die mit einem Potentialunterschied beaufschlagt sind und so ein inhomogenes elektrostatisches Feld bilden. Sie erfassen üblicherweise die Umgebung, indem die Änderung der dielektrischen Eigenschaften erfasst werden (bspw. indem ein Objekt) in die Nähe gebracht wird. Dadurch ändert sich das elektrische Feld. Aufgrund der Inhomogenität nimmt die Sensitivität mit abnehmendem Abstand zu.
Die kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler (capacitive micromachined ult- rasonic transducers) sind miniaturisierte elektrostatische Wandler, bei denen Elektroden vertikal positioniert sind und elektrostatisch betrieben Ultraschallwellen aussenden bzw. empfangen können. Die Sensitivität der CMUT wird durch den Abstand der Elektroden be- stimmt und ist damit ein Designparameter des Sensors. Die Sensorsensitivität ändert sich nicht mit abnehmendem Objektabstand (wohl aber die Signalstärke des Sensors). Es hat sich gezeigt, dass CMUTs bspw. für die Abstandserfassung bei einem Roboterarm verwen- det werden können [36-41].
Die Verwendung von miniaturisierten Tast- und Abstandssensoren wurde in der verfügba- ren Literatur in den Bereichen Medizintechnik, Prothetik, Kraftfahrzeuge usw. anschaulich berichtet [21 , 42-44]. So haben sich beispielsweise kapazitäts- oder ultraschallbasierte Sen- soren als am besten geeignet erwiesen. Die Fähigkeiten, die mit derartigen Sensoren in einer Roboterhand verkörpert werden, imitieren die flexiblen reaktiven Greifeigenschaften der menschlichen Hand. Die Handhabung unterschiedlicher Arten von Objekten (Oberflä- chenrauheit, Steifigkeit usw.) und Formen definiert die Zukunft komplexer Aufgabenstellun- gen bezüglich Handhabung-Technologien mit Robotern im industriellen Bereich. Darüber hinaus ist das Greifen von wesentlicher Bedeutung, um eine automatisierte Unterstützung für medizinische Dienste sowie in der Pflege zu bieten. Aktuelle und zukünftige Anwendun- gen ergeben sich aus der Erweiterung der menschlichen Sinneswahmehmung (erweiterte Realität, Prothetik) und der Implementierung eines 3D-Objekterkennungs- und Sicherheits- systems (Fingerabdrucksensor) und einer tiefenaufgelösten Gestenerfassung, die eine hohe Informationsdichte in Echtzeit bieten.
Aktuelle Sensoren sind nicht in der Lage, einen Tast- und einen Abstandssensor in einer Lösung zu kombinieren. Jedoch sind in der realen Welt taktile Ereignisse einfach ein logi- scher nächster Schritt, wenn Objekte sich in der Nähe befinden. Lediglich Systemlösungen versuchen, sich mit diesem Thema auseinanderzusetzen, was in Situationen mit geringen Abständen kostspielig, sperrig und schwer zu handhaben ist.
In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf nach einem Konzept, das eine gleichzeitige De- tektion von Berührungen und Entfernungen, eine kostengünstige, einfache und effiziente Fertigung sowie eine Miniaturisierung von Sensorarrays ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft eine MEMS-Vorrichtung, mit zumindest einem Berührungssensorelement, das ausgebildet ist, um piezoelektrisch, kapa- zitiv, optisch oder magnetisch eine Berührung zu delektieren, und mit zumindest einem Näherungssensorelement, das ausgebildet ist, um ein Objekt, das zu dem Näherungs- sensorelement beabstandet ist, mit Ultraschall zu delektieren. Das zumindest eine Berüh- rungssensorelement und das zumindest eine Näherungssensorelement sind auf einem Halbleiterchip integriert. Dieses Ausführungsbeispiel der MEMS-Vorrichtung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Integration des zumindest einen Berührungssensorelements und des zumindest einen Näherungssensorelements (z. B. auf demselben Substrat) gleichzeitig Berührungen, als auch Objekte in der Nähe der MEMS-Vorrichtung delektiert werden können. Ferner bietet z. B. eine räumlich getrennte Anordnung (das zumindest eine Berührungssensorelement ist z. B. neben dem zumindest einen Näherungssensorelement angeordnet; z. B. unmittel- bar nebeneinander angeordnet) des zumindest einen Berührungssensorelements und des zumindest einen Näherungssensorelements eine hohe Designfreiheit, wodurch z. B. eine Sensitivität des zumindest einen Berührungssensorelements und/oder des zumindest einen Näherungssensorelements getrennt voneinander eingestellt werden kann. Dies ist z. B. nicht möglich, wenn Näherungssensoren und Berührungssensoren in ein und demselben Sensorelement integriert sind. Zudem muss durch die MEMS-Vorrichtung nicht zwischen Berührungsmodus und Näherungsmodus gewechselt werden, wodurch eine sehr effiziente Ansteuerung und Auslese realisiert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die MEMS-Vorrichtung miniaturisiert realisiert werden kann. Bei den Sensorelementen handelt es sich um elektrische Funktionsbauteile, die z. B. auf einem Substrat angeordnet sein können. Dabei kann ein Näherungssensorelement ausge- bildet sein, um einen Abstand eines Objektes zu dem Näherungssensorelement zu delek- tieren und ein Berührungssensorelement kann ausgebildet sein, um eine Berührung des Berührungssensorelements zu delektieren. Die jeweilige Detektion kann dabei auf unter- schiedlichen Funktionsprinzipien der Sensorelemente beruhen und eine delektierte Infor- mation (z. B. ein Abstand bei einem Näherungssensorelement, z. B. eine Berührung bei einem Berührungssensorelement) kann als elektrisches Signal aus den Sensorelementen ausgelesen werden. Auf dem Substrat, auf dem die Sensorelemente z. B. angeordnet sind, können z. B. zusätzlich Leiterbahnen und/oder weitere Bauteile, wie z. B. eine Ansteuer- und/oder Ausleseelektronik angeordnet sein. Somit dient das Substrat z. B. als Trägerele- ment ohne elektrischer Funktion. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Halbleiter- chip das Substrat auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist das zumindest eine Berührungssensorelement aus- gebildet, um in einem Näherungssensormodus als Näherungssensorelement betrieben zu werden. Dadurch kann das zumindest eine Berührungssensorelement und das zumindest eine Näherungssensorelement zusammen einen großen Näherungssensor bilden. Auch wenn Berührungssensorelemente unter Umständen in dem Näherungssensormodus nicht dieselbe Präzision oder Leistung wie spezielle Näherungssensorelemente haben, kann dadurch mit den Sensorelementen eine größere näherungs-sensitive Fläche gebildet wer- den und dadurch die Präzision der Abstandsbestimmung von Elementen zu der MEMS- Vorrichtung verbessert werden oder auch die Reichweite vergrößert werden, wodurch auch größere Abstände von Elementen zu der MEMS-Vorrichtung detektiert werden können. Zu- sätzlich oder alternativ kann das zumindest eine Näherungssensorelement ausgebildet sein, um in einem Berührungssensormodus als Berührungssensorelement betrieben zu werden. Dadurch kann das zumindest eine Berührungssensorelement und das zumindest eine Näherungssensorelement zusammen einen großen Berührungssensor bilden. In die- sem Fall kann eine berührungs-sensitive Fläche vergrößert werden, wodurch zum Beispiel eine örtliche Präzision der Berührungsdetektion mit der MEMS-Vorrichtung verbessert wer- den kann.
Weist die MEMS-Vorrichtung mehrere Näherungssensorelemente und/oder mehrere Be- rührungssensorelemente auf, so kann die MEMS-Vorrichtung ausgebildet sein, um ein- zelne oder alle Näherungssensorelemente in dem Berührungssensormodus zu betreiben und/oder um einzelne oder alle Berührungssensorelemente in dem Näherungssensormo- dus zu betreiben. Dadurch können verschiedene benachbarte Sensorelemente zu großen Sensoren gruppiert werden. Es wird ermöglicht, dass in einem ersten Bereich des Halb- leiterchips Näherungssensorelemente und Berührungssensorelemente zu einem großen Näherungssensor zusammengeschaltet werden und in einem zweiten Bereich die Nähe- rungssensorelemente und Berührungssensorelemente zu einem großen Berührungssensor zusammengeschaltet werden. Alternativ können auch alle Sensorelemente der MEMS- Vorrichtung entweder in dem Näherungssensormodus oder dem Berührungssensormodus betrieben werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist die MEMS-Vorrichtung ausgebil- det, um den Modus, in dem die Sensorelemente betrieben werden, adaptiv anzupassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das zumindest eine Berührungssensorelement der MEMS-Vorrichtung eine Vielzahl von in einem eindimensionalen Feld (z. B. Berüh- rungssensorzellen in einer Zeile angeordnet) oder zweidimensionalen Feld (z. B. Berüh- rungssensorzellen in einer Fläche angeordnet) angeordneten Berührungssensorzellen auf. In anderen Worten, werden mehrere, zum Beispiel zumindest zwei, Berührungssensorzel- len zu einem Berührungssensorelement kombiniert. Zusätzlich oder alternativ weist das zu- mindest eine Näherungssensorelement eine Vielzahl von in einem eindimensionalen Feld (z. B. Näherungssensorzellen in einer Zeile angeordnet) oder zweidimensionalen Feld (z. B. Näherungssensorzellen in einer Fläche angeordnet) angeordneten Näherungs- sensorzellen aufweist. In anderen Worten, werden mehrere, zum Beispiel zumindest zwei, Näherungssensorzellen zu einem Näherungssensorelement kombiniert. Durch die Anord- nung von Berührungssensorzellen und/oder Näherungssensorzellen in dem jeweiligen Sensorelement wird eine individuelle Gruppierung der Sensorzellen ermöglicht. Dadurch kann das zumindest eine Berührungssensorelement und das zumindest eine Näherungs- sensorelement unterschiedlich voneinander, z. B in Form, Flächengröße, Sensitivität, etc., ausgestaltet sein. Durch die Anordnung der jeweiligen Sensorzellen (z. B. der Näherungs- sensorzellen oder der Berührungssensorzellen) in einem eindimensionalen Feld oder zwei- dimensionalen Feld wird zudem ermöglicht, dass eine Berührung und/oder eine Annähe- rung eines Objekts an die MEMS-Vorrichtung mit hoher örtlicher Auflösung delektiert wer- den kann. Die Vorteile liegen somit unteranderem in der Designfreiheit der jeweiligen Sen- sorelemente hinsichtlich z. B. der Sensitivität und in der bildlichen/zweidimensionalen Dar- stellung der Berührung und des Abstandes.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, sind die Berührungssensorzellen, d.h. die elektrischen Wandler, des zumindest einen Berührungssensorelements elektrisch parallel geschaltet, um parallel angesteuert und ausgelesen zu werden. Zusätzlich oder alternativ sind die Nä- herungssensorzellen, d.h. die elektrischen Wandler, des zumindest einen Näherungs- sensorelements elektrisch parallel geschaltet, um parallel angesteuert und ausgelesen zu werden. Dadurch kann z. B. jede einzelne Sensorzelle eines Sensorelements separat an- gesteuert und ausgelesen werden. Zudem kann ein möglicher Ausfall einzelner Sensorzel- len durch benachbarte Sensorzellen kompensiert werden, d.h. einzelne defekte Sensorzel- len können kompensiert werden. Durch die Parallelschaltung wird eine sehr effiziente An- steuerung und Auslese ermöglicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, sind die Berührungssensorzellen des zumindest einen Berührungssensorelements und/oder die Näherungssensorzellen des zumindest einen Nä- herungssensorelements rund ausgebildet. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung der MEMS-Vorrichtung, da die Sensorzellen dadurch sehr nah nebeneinander (es ist z. B. ein überlapp benachbarter Sensorreihen möglich) angeordnet werden können und somit eine hohe Platzersparnis realisiert werden kann. Die runde Form ist in einigen Anwendungsfäl- len vorteilhaft, da die Symmetrie eine homogene Abstrahlcharakteristik besitzt. Alternativ sind auch rechteckige und/oder hexagonale Formen vorstellbar. Je nach gewünschter An- ordnung der Sensorzellen bzw. dem Anwendungsgebiet der MEMS-Vorrichtung können andere Formen der Sensorzellen vorteilhaft sein. Hier kann es durchaus auch vorteilhaft sein, wenn die Berührungssensorzellen eine andere Form aufweisen, als die Näherungs- sensorzellen. Die Sensorzellen können z. B. Elektroden aufweisen, die z. B. aus amorphem
Material gebildet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, sind die Berührungssensorzellen des zumindest einen Berührungssensorelements und/oder die Näherungssensorzellen des zumindest einen Nä- herungssensorelements in Reihen angeordnet. Benachbarte Reihen sind so zueinander versetzt angeordnet, so dass die benachbarten Reihen zumindest teilweise überlappen, ohne dass benachbarte Berührungssensorzellen und/oder benachbarte Näherungssensor- zellen überlappen. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Verzahnung von Sensorzellen benach- barter Reihen, da dadurch unteranderem Platz gespart wird und somit eine Miniaturisierung der MEMS-Vorrichtung ermöglicht wird. Zudem wird z. B. eine erhöhte örtliche Sensitivität erreicht, da keine nicht-sensitive Grenze zwischen zwei Sensorreihen entsteht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die MEMS-Vorrichtung eine Mehrzahl von Berüh- rungssensorelementen und Näherungssensorelementen auf, die in einer Ebene nebenei- nander angeordnet sind. Dadurch kann eine große Fläche zur Detektion von Berührungen und Objekten in der Nähe der MEMS-Vorrichtung realisiert werden. Dies ermöglicht, dass an mehreren Positionen der Ebene Berührungen und nahe Objekte delektiert werden kön- nen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können innerhalb einer Reihe die Berührungs- sensorelemente und Näherungssensorelemente immer abwechselnd angeordnet sein, um dadurch eine Berührungs- und Näherungsdetektion mit hoher örtlicher Auflösung zu reali- sieren. Diese Reihen können versetzt zueinander oder gleich nebeneinander angeordnet sein. Durch die versetzte Anordnung der Reihen kann eine hohe örtliche Auflösung realisiert werden. Werden die Reihen nicht versetzt zueinander angeordnet, so kann eine effektive sensitive Fläche der Berührungssensorelemente und/oder Näherungssensorelemente er- höht werden. Die Größe der jeweiligen Sensorelemente bzw. die effektive sensitive Fläche (z. B. für eine Berührungsdetektion und eine Näherungsdetektion separat) bestimmen die
Sensitivität. Bei Näherungssensorzellen (z. B. bei der Nutzung von CMUTs oder PMUTs; z. B. für Ultraschall) ist z.B. die Strukturbreite noch maßgeblich für die Ausbildung des Schallfeldes. Hierbei ist die Ausdehnung optional entsprechend der ausgesendeten Wel- lenlänge zu wählen. Typischerweise wird hier eine charakteristische Ausdehnung (von z. B. 0,5 bis 1,0 der Wellenlänge) gewählt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das zumindest eine Näherungssensorelement mindestens einen mikromechanischen Ultraschallwandler auf. Der mikromechanische Ult- raschallwandler kann eine Näherungssensorzelle des Näherungssensorelements darstel- len.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist der mikromechanische Ultraschallwandler als kapa- zitiver mikromechanischer Ultraschallwandler oder als piezoelektrischer mikromechani- scher Ultraschallwandler ausgebildet. Der kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler ist z. B. ausgebildet, um ein Ultraschallecho eines Objekts in der Nähe der Näherungs- sensorzelle kapazitiv zu detektieren. Der piezoelektrische mikromechanische Ultraschall- wandler ist z. B. ausgebildet, um ein Ultraschallecho eines Objekts in der Nähe der Nähe- rungssensorzelle piezoelektrisch zu detektieren. Die MEMS-Vorrichtung kann ausgelegt sein, um basierend auf dem detektierten Ultraschallecho einen Abstand des Objekts, eine Materialzusammensetzung des Objekts und/oder eine Oberflächenbeschaffenheit des Ob- jekts zu ermitteln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist der kapazitive mikromechanische Ultraschall- wandler eine Ansteuerungsschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine bewegliche Elektrode des kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers mittels einer elektrostatischen Kraft, zwischen der beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode des kapazitiven mik- romechanischen Ultraschallwandlers anzuregen, um Ultraschall auszusenden. Zusätzlich weist der kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler eine Ausleseschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Abstandsänderung (z. B. eine Kapazitätsänderung) zwischen der beweglichen Elektrode, die mittels eines Ultraschallechos, reflektiert von dem beabstande- ten Objekt, ausgelenkt wird, und der festen Elektrode auszulesen. Ausgelesen“ wird z. B. der Verschiebungsstrom der entsteht, wenn sich die Abstände der Elektroden ändern. Der piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler weist eine Ansteuerungsschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Deformation eines Schichtstapels, der eine piezoelektrische Schicht aufweist, des piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers zu kon- trollieren, um somit Ultraschall auszusenden. Ferner weist der piezoelektrische mikrome- chanische Ultraschallwandler eine Ausleseschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Defor- mation des Schichtstapels, basierend auf einem Ultraschallecho, reflektiert von dem beab- standeten Objekt, auszulesen. Der piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler weist den Schichtstapel als schallaussendendes Element auf. Der Schichtstapel weist z. B. ein erstes Elektrodenmaterial, ein piezoelektrisches Material, und ein zweites Elektroden- material auf. Handelt es sich bei dem piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschall- wandler um einen keramischen Piezowandler, so kann der Schichtstapel eine Schichtab- folge mit einer ersten Elektrode (z. B. untere Elektrode), einer piezoelektrischen Schicht, die PZT-Material aufweist, und einer zweiten Elektrode (z. B. obere Elektrode) aufweisen. Bei dem keramischen Piezowandler handelt es sich um einen Dickenschwinger. In anderen Worten handelt es sich bei der Deformation dieses Schichtstapels um eine Auslenkung des Schichtstapels in Dickenrichtung der einzelnen Schichten. Weist der piezoelektrische mik- romechanische Ultraschallwandler piezoelektrische Dünn- bzw. Dickschichten auf, so kann der Schichtstapel analog zu dem Schichtstapel des keramischen Piezowandlers aufgebaut sein. In diesem Fall kann es sich ebenfalls um einen Dickenschwinger handeln. Handelt es sich bei dem piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandler um einen PMUT, so kann der Schichtstapel eine eingespannte Membran, mit einer Schichtfolge mit einer ersten Elektrode (z. B. untere Elektrode), einer piezoelektrischen Schicht mit Piezomaterial und einer zweiten Elektrode (z. B. obere Elektrode), darstellen. Bei dem PMUT handelt es sich um einen Membranschwinger. PMUT delektieren die Deformation des Schichtstapels (der Membran). Der PMUT ist kein sog. Dickenschwinger, bei dem eine Deformation in eine Richtung, zu einer Schallemission in dieselbe Richtung führt. Vielmehr ist die PMUT Memb- ran eingespannt (z.B. in einer x-y-Ebene). Die Ausdehnung in dieser Ebene wird daher verhindert und führt zu einer Deformation in z-Richtung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wird bei einem piezoelektrischen Dickenschwinger der sogenannte d33-Koeffizient des piezoelektrischen Materials genutzt: Ein elektrisches Feld in z-Richtung führt dabei direkt zu einer Ausdehnung in z-Richtung. Bei einem piezoelektri- schen Membranschwinger wird zum Beispiel der d31-Koeffizent des piezoelektrischen Ma- terials genutzt: Ein elektrisches Feld in z-Richtung führt dabei direkt zu einer Ausdehnung in der x-y-Ebene. Durch die Einspannung deformiert sich die Membran in z-Richtung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das zumindest eine Berührungssensorelement mindestens eine mikromechanische Sensorstruktur auf. Die mikromechanische Sen- sorstruktur kann eine Berührungssensorzelle des Berührungssensorelements darstellen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die mikromechanische Sensorstruktur eine Aus- leseschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine geänderte Resonanzfrequenz, einer bewegli- chen Elektrode der mikromechanischen Sensorstruktur oder eines Schichtstapels der mik- romechanischen Sensorstruktur, auszulesen. Die geänderte Resonanzfrequenz beruht auf einer geänderten Last auf der beweglichen Elektrode der mikromechanischen Sensorstruk- tur oder auf einer geänderten Last auf dem Schichtstapel (142) der mikromechanischen Sensorstruktur durch eine Berührung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die mikromechanische Sensorstruktur eine ka- pazitive mikromechanische Sensorstruktur oder eine piezoelektrische mikromechanische Sensorstruktur auf. Die kapazitive mikromechanische Sensorstruktur ist z. B. ausgebildet, um eine Berührung kapazitiv zu delektieren. Die piezoelektrische mikromechanische Sen- sorstruktur ist z. B. ausgebildet, um eine Berührung piezoelektrisch zu delektieren. Optional kann in der kapazitiven mikromechanischen Sensorstruktur oder in der piezoelektrischen mikromechanischen Sensorstruktur eine kapazitive bzw. eine piezoelektrische Antriebs- ZAuslesestruktur zum Einsatz kommen die als Ultraschallwandler dienen kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die kapazitive mikromechanische Sensorstruktur eine Ausleseschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Abstandsänderung (z. B. eine Kapa- zitätsänderung) zwischen einer beweglichen Elektrode der kapazitiven mikromechanischen Sensorstruktur, und einer festen Elektrode der kapazitiven mikromechanischen Sen- sorstruktur auszulesen, wobei die bewegliche Elektrode mittels einer Berührung ausgelenkt wird, um die Abstandsänderung (z. B. eine Kapazitätsänderung) hervorzurufen. „Ausgele- sen“ wird z. B. der Verschiebungsstrom der entsteht, wenn sich die Abstände der Elektro- den ändern. Die piezoelektrische mikromechanische Sensorstruktur weist eine Auslese- schaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Deformation eines Schichtstapels, der eine piezo- elektrische Schicht aulweist, der piezoelektrischen mikromechanischen Sensorstruktur auszulesen. Die Deformation des Schichtstapels beruht auf einer Berührung des Schichtstapels. Der Schichtstapel weist z. B. ein erstes Elektrodenmaterial, ein piezoelekt- risches Material, und ein zweites Elektrodenmaterial auf. Handelt es sich bei der piezoe- lektrischen mikromechanischen Sensorstruktur um einen keramischen Piezowandler, so kann der Schichtstapel eine Schichtabfolge mit einer ersten Elektrode (z. B. untere Elekt- rode), einer piezoelektrischen Schicht, die beispielsweise PZT-Materiai aufweist, und einer zweiten Elektrode (z. B. obere Elektrode) aufweisen. Weist die piezoelektrische mikrome- chanische Sensorstruktur piezoelektrische Dünn- bzw. Dickschichten auf, so kann der Schichtstapel analog zu dem Schichtstapel des keramischen Piezowandlers aufgebaut sein. Alternativ kann der Schichtstapel, der piezoelektrischen mikromechanischen Sen- sorstruktur, eine eingespannte Membran, mit einer Schichtfolge mit einer ersten Elektrode (z. B. untere Elektrode), einer piezoelektrischen Schicht mit Piezomaterial und einer zwei- ten Elektrode (z. B. obere Elektrode), aufweisen. Ein Schichtstapel kann weiterhin aus einer Vielzahl von alternierenden Elektroden und piezoelektrischen Materialien bestehen, wobei die erste Schicht und die letzte Schicht durch Elektroden gebildet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Berührungssensorele- ment ein Lastübertragungselement angeordnet. Dadurch kann eine Kraft einer Berührung optimiert auf das Berührungssensorelement übertragen werden. Mit dem Lastübertra- gungselement wird z. B. ermöglicht, dass nicht nur die Berührung alleine detektiert wird, sondern zusätzlich eine Messung einer durch die Berührung übertragenen Kraft und/oder eines durch die Berührung übertragenen Druckes durchgeführt werden kann. Das Lastüber- tragungselement kann über mehreren benachbarten Berührungssensorzellen angeordnet sein oder über einzelnen Berührungssensorzellen (ein Berührungssensorelement weist dann z. B. mehrere Lastübertragungselemente auf). Das Lastübertragungselement kann zudem als Schutzschicht dienen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist über dem zumindest einen Näherungssensorele- ment eine Schutzschicht angeordnet. Bei der Schutzschicht kann es sich um eine dünne Schicht handeln, um das zumindest eine Näherungssensorelement vor äußeren Einflüssen, wie Berührungen und Verschmutzungen zu schützen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schutzschicht des Näherungssensorelements und das Lastübertragungselement des Berührungssensorelements identisch ausgebildet sein oder zumindest das gleiche Material und/oder die gleiche 3D-Form aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine durchgängige Universalschicht sowohl über den Berührungssensorelementen, als auch über den Näherungssensorelementen angeord- net, wobei die durchgängige Universalschicht über den Berührungssensorelementen als Lastübertragungselement wirkt und über den Näherungssensorelementen als Schutz- schicht wirkt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Näherungssensorele- ment eine oder die Schutzschicht und/oder über dem zumindest einen Berührungssenso- relement ein oder das Lastübertragungselement angeordnet, wobei das Lastübertragungs- element und/oder die Schutzschicht kubisch, quaderförmig, pyramidenförmig oder halbku- gelförmig ausgebildet sind. Die Vorteile dieser Formen liegen in einer erhöhten Kraftüber- tragung und damit einer anderen Sensitivität und in einer geringeren Beeinflussung benach- barter Berührungs- und/oder Näherungselemente. Ferner werden durch diese Ausgestal- tungen die Hafteigenschaften an der Sensoroberfläche unterschiedlich beeinflusst. Dies ist relevant für Anwendungen, bspw. in einem Robotergreifer zum sicheren/taktilen Greifen von Objekten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Näherungssensorele- ment eine oder die Schutzschicht und/oder über dem zumindest einen Berührungssenso- relement ein oder das Lastübertragungselement angeordnet, wobei das Lastübertragungs- element und/oder die Schutzschicht Polymermaterial, Elastomermaterial oder vergleichba- res Material aufweist. Diese Materialien weisen zum einen eine sehr gut Lastübertragung auf und sind robust gegenüber Umwelteinflüssen. Ferner sind diese Materialien geeignet um Ultraschallwellen zu leiten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Näherungssensorele- ment eine oder die Schutzschicht und über dem zumindest einen Berührungssensorele- ment ein oder das Lastübertragungselement angeordnet, wobei die Schutzschicht eine ge- ringere Dicke als das Lastübertragungselement aufweist. Dadurch sind die Näherungs- sensorelemente sehr gut von den Berührungssensorelementen getrennt und es entsteht ein zusätzlicher Schutz der Näherungssensorelemente, da z. B. eine Berührung dieser dadurch verhindert werden kann. Große Objekte werden beispielsweise von den erhöhten Lastübertragungselementen von den Näherungssensorelementen auf Abstand gehalten, wenn das Objekt z. B. zu groß ist, um in einen Zwischenraum zweier Lastübertragungsele- mente, die benachbart zu dem Näherungssensorelement angeordnet sind, zu passen. Durch die geringe Dicke der Schutzschicht wird zudem ermöglicht, dass Ultraschallwellen nur kaum oder gar nicht abgeschwächt werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Berührungssensorele- ment eine Schutzschicht angeordnet und das Berührungssensorelement weist zumindest einen MEMS-Ultraschallwandler auf, um Schallwellen zu senden und/oder zu empfangen. Im Berührungsmodus können damit Informationen zum berührenden Objekt/ der Personen etc. ermittelt werden. Diese können sein: Topologie, 3D-Bilder des Objekts, Materialpara- meter zur Klassifizierung des Objekts.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist der Halbleiterchip ein flexibles Substrat auf. Dadurch wird ermöglicht die MEMS-Vorrichtung nicht nur planar in verschiedenen Anwen- dungen zu verwenden, sondern es wird zusätzlich ermöglicht, dass die MEMS-Vorrichtung sich an gewölbte oder unförmige Oberflächen anpassen kann.
Figurenkurzbeschreibung
Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug neh- mend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schema- tischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch als entspre- chende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens davon abge- leitet werden können. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Aus- führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2a eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung mit versiegeltem Näherungssensorelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen- den Erfindung;
Fig. 2b eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung mit belüftetem Nä- herungssensorelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen- den Erfindung; Fig. 2c eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung mit einer in einem Isolator eingebetteten Elektrode und versiegeltem Näherungssensorele- ment, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2d eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung mit einer in einem Isolator eingebetteten Elektrode und belüftetem Näherungssensorelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, die, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl von Berüh- rungssensorelementen und Näherungssensorelementen aufweist;
Fig. 3b ein schematischer Ausschnitt einer MEMS-Vorrichtung, die, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl von Berüh- rungssensorelementen und Näherungssensorelementen aufweist;
Fig. 4a eine schematische Darstellung einer Verschaltung einer MEMS-Vorrichtung in einer ersten Ansicht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 4b eine schematische Darstellung einer Verschaltung einer MEMS-Vorrichtung in einer zweiten Ansicht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen- den Erfindung; Fig. 5a eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, bei der, gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, über zumindest einem Berührungssensorelement ein Lastübertragungselement angeordnet ist;
Fig. 5b eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, bei der, gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, über zumindest einem Näherungssensorelement eine Schutzschicht angeordnet ist;
Fig. 5c eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, bei der, gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, zumindest ein Lastübertragungselement über zumindest einem Berührungssensorelement und zumindest eine Schutzschicht über zumindest einem Näherungssenso- relement dieselbe Dicke aufweisen;
Fig. 6a eine schematische Darstellung einer Ansteuerungsschaltung für ein Senso- relement einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6b eine schematische Darstellung einer Ansteuerungsschaltung, ohne Bias Tee, für ein Sensorelement einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7a eine schematische Darstellung einer Ausleseschaltung für ein Sensorele- ment einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung;
Fig. 7b eine schematische Darstellung einer Ausleseschaltung, ohne Bias-Tee, für ein Sensorelement einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung; und Fig. 8 ein Blockdiagram eines Systemaufbaus einer MEMS-Vorrichtung, gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktions- gleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedli- chen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente un- tereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. FIG. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung 100, mit einem Berüh- rungssensorelement 120, das ausgebildet ist, um piezoelektrisch, kapazitiv, optisch oder magnetisch eine Berührung 124 zu detektieren, und mit zumindest einem Näherungssenso- relement 130, das ausgebildet ist, um ein Objekt 200, das zu dem Näherungssensorele- ment 130 beabstandet ist, mit Schall 191, wie z. B. Ultraschall und Hörschall, zu detektie- ren. Das zumindest eine Berührungssensorelement 120 und das zumindest eine Nähe- rungssensorelement 130 sind auf einem Halbleiterchip 110 integriert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die MEMS-Vorrichtung 100 als System, MEMS- System, Sensormodul, MEMS-Sensormodul, integrierter Sensor oder integrierter Tast- und Abstandssensor bezeichnet werden. Basierend auf den hierin beschriebenen Merkmalen der MEMS-Vorrichtung 100 kann ein Verfahren zu seiner Herstellung abgeleitet werden. Im Folgenden können Berührungssensorelemente 120 auch als Tastsensorelemente und Nä- herungssensorelemente 130 auch als Abstandssensorelemente bezeichnet werden. In den Figuren 2a bis 2d wird jeweils eine MEMS-Vorrichtung 100 mit einem Berührungs- sensorelement 120 und einem Näherungssensorelement 130 dargestellt. Sowohl das Be- rührungssensorelement 120 als auch das Näherungssensorelement 130 sind auf einem Halbleiterchip 110 integriert. Der Halbleiterchip 110 weist z. B. einen Wafer 112 und einen Isolator 114 auf. Bei dem Isolator 114 kann es sich um einen Schichtstapel von Isolatoren handeln. Alternativ ist der Isolator 114 aus einer einzigen isolierenden Schicht gebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Isolator 114 in einem Bereich des Berüh- rungssensorelements 120 und/oder in einem Bereich des Näherungssensorelements 130 zumindest eine Ausnehmung 140 auf. Die Ausnehmung 140, zum Beispiel eine Ausspa- rung, wird an einer Oberfläche des Isolator 114, die von dem Wafer 112 abgewandt ist, gebildet. Die zumindest eine Ausnehmung 140 wird z. B. einseitig von einer Platte 142 begrenzt, wobei die Platte 142 alternativ als Membran oder bewegliche Platte bezeichnet werden kann. Die Platte 142 ist z. B. an ihren Enden mit dem Isolator 114 verbunden und zwischen diesen Enden schwebend über der Ausnehmung 140 angeordnet. Gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel, kann die Platte 142 als Schichtstapel ausgebildet sein und mehrere leitende und/oder nicht leitende Schichten aufweisen. Auch wenn in den Figuren 2a bis 2d alle Plat- ten 142 gleich dick (z. B. dieselbe Ausdehnung in z-Richtung; z. B. eine Ausdehnung senk- recht zu einer an die Platte 142 angrenzende Fläche des Isolators 114) dargestellt sind, kann die Platte 142 des Berührungssensorelements 120 eine andere Dicke aufweisen, als eine Dicke der Platte 142 des Näherungssensorelements 130. Gemäß einem Ausführungs- beispiel, ist die Ausnehmung 140 und/oder die Platte 142 zylindrisch, quaderförmig oder kubisch geformt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 140 des Berührungssensorele- ments 120 mittels der Platte 142 und des Isolators 114 luftdicht oder vakuumdicht ver- schlossen (z. B. luftdicht oder vakuumdicht versiegelt (vakuumversiegelt)), wie zum Bei- spiel in den Figuren 2a bis 2d dargestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 140 des Näherungssensorele- ments 130 mittels der Platte 142 und des Isolators 114 luftdicht oder vakuumdicht ver- schlossen (z. B. luftdicht oder vakuumdicht versiegelt (vakuumversiegelt)) (siehe z. B. Fig. 2a oder Fig. 2c). Alternativ kann die Platte 142 des Näherungssensorelements 130 Öffnun- gen (z. B. Löcher) aufweisen, wodurch die Ausnehmung 140 belüftet bzw. entlüftet werden kann (siehe Fig. 2b oder Fig. 2d).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist auf der Platte 142 und/oder auf dem Isolator 114 des Berührungssensorelements 120 ein Lastübertragungselement 150 angeordnet. Das Lastübertragungselement 150 ist z. B. auf einer der Ausnehmung 140 abgewandten Seite der Platte 142 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann das Lastübertragungselement 150 z. B. auf einer Fläche des Isolators 114 angeordnet sein, auf der auch die Platte 142 angeordnet ist. Durch das Lastübertragungselement 150 wird eine Sensitivität des Berüh- rungssensorelements 120 erhöht. Das Lastübertragungselement 150 (z. B. ein Höcker- Elastomer) weist z. B. ein Elastomer-Material auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das Lastübertragungselement 150 Merkmale und/oder Funktionalitäten des im Rah- men der Figuren 5a bis 5c beschriebenen Lastübertragungselements 150 auf. In anderen Worten zeigen die Figuren 2a bis 2d Variationen oder Zellkonfigurationen mit einer Darstellung eines Sensormoduls, bei dem jede Zelle, d.h. jedes Sensorelement 120/130, separat als Tast- oder Abstandssensor verwendet werden kann. Die Sensorelemente 120/130 können über ein physikalisches Wirkprinzip, wie z. B. elekt- rostatisch, piezoelektrisch, optisch, magnetisch, etc., gesteuert und ausgelesen werden. Dabei kann die MEMS-Vorrichtung Sensorelemente mit unterschiedlichem physikalischem Wirkprinzip aufweisen. Im Fall eines piezoelektrischen MEMS (z.B. PMUT) stellt die Platte 142, gemäß Fig. 2a oder
Fig. 2b, eine Schichtfolge von mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, einem pie- zoelektrischen Material und einem weiteren elektrisch leitfähigen Material dar, d.h. die Platte 142 wird aus einem Schichtstaple aus mindestens einer Elektrode, einer piezoelektri- schen Schicht und einer Elektrode, in dieser Reihenfolge, gebildet. Zusätzliche Schichten können auch zwischen den eben erwähnten Schichten, wie zum Beispiel einer der Elektro- den und der piezoelektrischen Schicht, angeordnet sein. Unter dem piezoelektrischen MEMS kann z. B. ein piezoelektrischer mikromechanischer Ultraschallwandler (PMUT), z. B. im Falle des Näherungssensorelements 130, und/oder eine piezoelektrische mikro- mechanische Sensorstruktur, z. B. im Falle des Berührungssensorelements 120, verstan- den werden. Bei piezoelektrischen Berührungssensorelementen 120 wird eine Deformation der Platte 142 durch den piezoelektrischen Effekt in dem Schichtstapel ausgewertet. Bei piezoelektrischen Näherungssensorelementen 130 erfolgt ein Senden und Empfangen von Ultraschall durch den piezoelektrischen Effekt in dem Schichtstapel. Die Figuren 2c und 2d zeigen Ausführungsbeispiele eines kapazitiven MEMS. In diesem Fall ist z. B. unter der Ausnehmung 140, in dem Isolator 114 eine Schicht 144 aus elektrisch leitfähigen Material, z. B. eine feste Elektrode, integriert bzw. eingebettet. Der Bereich des Isolators 114 oberhalb der Schicht 144 aus elektrisch leitfähigem Material, z. B. der Bereich, der der Platte 142 zugewandt ist, kann strukturiert ausgeführt sein. So kann die Isolations- Schicht z. B. auch nur stellenweise die Elektrode 144 bedecken. Dadurch, dass die Schicht 144 zumindest teilweise mit einer Isolationsschicht des Isolators 114 bedeckt ist, kann ein Kurzschluss mit der beweglichen Platte 142 vermieden werden.
Die kapazitiven Sensorelemente 120/130 weisen zwei Elektroden, die Schicht 144 und die Platte 142 (z. B. eine Elektrode und gegebenenfalls Isolationsschichten), und dazwischen mindestens ein Dielektrikum auf. Bei kapazitiven Berührungssensorelementen 120 kann eine Deformation der Platte 142 durch die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Elektroden ausgewertet werden. Bei kapazitiven Näherungssensorelementen 130 kann ein Senden und Empfangen von Ultraschall durch die elektrostatische Wechselwirkung erfol- gen.
Unter dem kapazitiven MEMS kann z. B. ein kapazitiver mikromechanischer Ultraschall- wandler (CMUT), z. B. im Falle des Näherungssensorelements 130, und/oder eine kapazi- tive mikromechanische Sensorstruktur, z. B. im Falle des Berührungssensorelements 120, verstanden werden.
CMUTs sind vom Grundaufbau her MEMS-Strukturen, die aus zwei gegenüberliegenden Elektroden bestehen. Eine der Elektroden ist starr, z. B. die Schicht 144, die andere be- weglich, z. B. die Platte 142. Zwischen den beiden Elektroden befinden sich eine Isolier- schicht und ein z. B. bei Vakuum verschlossener Zwischenraum 140. CMUTs können so- wohl senden als auch empfangen, indem sie durch Verschiebung der beweglichen Elekt- rode 142 elektrische in akustische Energie umwandeln oder umgekehrt. Beim CMUT als Schallsender wird zwischen den beiden Elektroden, 142 ein elektrisches Potenzial aufge- baut, sodass eine elektrostatische Kraft die bewegliche Elektrode 142 (z. B. erste Elekt- rode) zur starren Elektrode 144 (z. B. zweite Elektrode) hin ablenkt. Durch diese Bewegung wird eine Schallwelle (z. B. eine Ultraschallwelle) erzeugt. Auf umgekehrte Weise können CMUTs auch als Empfänger fungieren, wenn ein akustisches Eingangssignal (z. B. eine Ultraschallwelle) auf die bewegliche Elektrode 142 einwirkt. Dies löst eine Bewegung der Elektrode 142 aus, wodurch wiederum zwischen den beiden Elektroden ein Strom fließt, z. B. ein Verschiebungsstrom. Dieser elektrische Strom kann gemessen und z. B. digital zu einem Bild für weitere Analysen verarbeitet werden.
Das Näherungssensorelement 130 der MEMS-Vorrichtung 100 weist z. B. mindestens ei- nen mikromechanischen Ultraschallwandler auf. Dabei kann es sich z. B. um einen kapazi- tiven mikromechanischen Ultraschallwandler oder einen piezoelektrischen mikromechani- sehen Ultraschallwandler handeln.
Näherungssensorelemente 130 und/oder Berührungssensorelemente 120, gemäß einer der Figuren 2a bis 2d, können eine Ansteuerschaltung 170, wie in Zusammenhang mit Fig. 6a oder Fig. 6b beschrieben, und eine Ausleseschaltung 180, wie in Zusammenhang mit den Figuren 7a und 7b beschrieben, aufweisen. Es sind aber auch alternative Ansteuerun- gen und Ausleseschaltungen denkbar. Bei einem Näherungssensorelement 130 wird die Platte 142 z. B. mittels der Ansteuer- schaltung in eine Sende-Schwingung versetzt um Ultraschall auszusenden. Ein von einem entfernten Objekt reflektiertes Ultraschall-Echo versetzt die Platte 142 in eine Empfangs- Schwingung und diese Empfangs-Schwingung wird von der Ausleseschaltung detektiert. Somit kann eine Entfernung des Objekts zu dem Näherungssensor z. B. mittels Ultraschall- Laufzeitmessungen ermittelt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Nähe- rungssensorelement 130 ausgebildet, um die Empfangs-Schwingung kapazitiv, piezoe- lektrisch, optisch oder magnetisch zu detektieren. Die Detektion der Empfangs-Schwingung kann z. B. wie im Folgenden beschrieben erfolgen (z. B. gleich oder ähnlich wie eine De- tektion einer Verbiegung der Platte 142, hervorgerufen durch eine Berührung).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Platte 142 des Berührungssensorelements 120 bei einer Berührung verbogen. Das Berührungssensorelement 120 weist z. B. eine Ausle- seschaltung auf, um diese Verbiegung zu detektieren. Anhand einer Stärke der Verbiegung kann z. B. eine Kraft der Berührung ermittelt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Berührungssensorelement 120 ausgebildet, um die Verbiegung kapazitiv, piezoe- lektrisch, optisch oder magnetisch zu detektieren. Eine Verbiegung der Platte 142 kann auf unterschiedlichste Weisen, wie unteranderem im Folgenden erläutert, detektiert werden. Die dargestellten Verfahren sollen allerdings nicht als limitierend angesehen werden, da durchaus auch andere Verfahren denkbar sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, bildet die Platte 142 und eine zusätzliche Elektrode (z. B. Gegenelektrode, z. B. zweite Elektrode) einen Kondensator. In diesem Fall stellt die
Platte 142 z. B. eine erste Elektrode dar oder weist eine erste Elektrode auf. Durch die Verbiegung der Platte 142 ändert sich eine Kapazität des Kondensators, die von der Aus- leseschaltung ausgelesen werden kann. In anderen Worten wird z. B. der Verschiebungs- strom der entsteht, wenn sich die Abstände der Elektroden ändern, ausgelesen bzw. es wird eine elektrostatische Wechselwirkung ausgewertet. Die zusätzliche Elektrode ist z. B. in dem Isolator 114 eingebettet, wie in den Figuren 2c und 2d als Schicht 144 dargestellt. Der Wafer 112 oder der Isolator 114 kann implantiert werden, um eine Elektrode im Wafersubstrat oder in dem Isolator 114 zu erzeugen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die Platte 142 einen Schichtstapel aus zumindest einer ersten Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht und einer zweiten Elektrode auf. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind zum Beispiel an zwei gegenüberliegende Seiten (z. B. auf einer Seite, die der Ausnehmung 140 zugewandt ist, und auf einer Seite, die von der Ausnehmung 140 abgewandt ist) der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Durch die Verbiegung ändert sich eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elekt- roden an der piezoelektrischen Schicht, die von der Ausleseschaltung ausgelesen werden kann. Im Falle eines Näherungssensorelements kann z. B. mittels der Ansteuerschaltung an die beiden Elektroden eine Spannung angelegt werden, um die Platte 142 in eine Sende- Schwingung zu versetzen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, sind in der Ausnehmung 140 oder in dem Isolator 114 (z. B. über eine Öffnung der Ausnehmung zugewandt) ein Laser und ein Detektor angeord- net. Der Laser ist auf die Platte 142 gerichtet und wird von dieser zu dem Detektor reflektiert. Somit wird eine optische Detektion der Verbiegung der Platte 142 ermöglicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Platte 142 und/oder das Substrat einen Dau- ermagneten oder mindestens einen Elektromagneten (z.B. eine flache Spule - s. Quelle [16] auf). Ein dynamisches Magnetfeld des Elektromagneten führt zu einer Kraftwirkung auf die Membran, welche bspw. einen Dauermagnet bzw. zweiter Elektromagneten beinhaltet, und damit zur Schallemission. Umgekehrt führt die Bewegung der Membran zu einem ver- änderten Magnetfeld in der Spule des Elektromagneten, welches eine entsprechende Wechselspannung induziert.
Altemativ kann die Membran aus magnetoresistiven bzw. magnetoelastischen Materialien bestehen. Eine Spulenanordnung unterhalb der Ausnehmung 140 oder an der Membran selbst kann ein variables Magnetfelderzeugen und damit (ähnlich zum piezoelektrischen Effekt) eine Deformation der Membran erzeugen bzw. umgekehrt mittels Induktion delek- tieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, handelt es sich bei der Berührungssensorzelle 122 um eine mikromechanische Sensorstruktur, die eine Ausleseschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um eine geänderte Resonanzfrequenz, einer beweglichen Elektrode der mikromecha- nischen Sensorstruktur oder eines Schichtstapels der mikromechanischen Sensorstruktur auszulesen. Dabei beruht die geänderte Resonanzfrequenz auf einer geänderten Last auf der beweglichen Elektrode der mikromechanischen Sensorstruktur oder auf einer geänder- ten Last auf dem Schichtstapel der mikromechanischen Sensorstruktur durch eine Berüh- rung. Dabei kann die Platte 142 z. B. bei einer kapazitiven mikromechanischen Sen- sorstruktur die bewegliche Elektrode darstellen und bei einer piezoelektrischen mikrome- chanischen Sensorstruktur den Schichtstapel darstellen. Wie oben beschrieben kann die Platte bei anderen mikromechanischen Sensorstrukturen, wie einer Laserbasierten mikro- mechanischen Sensorstruktur oder einer magnetischen mikromechanischen Sensorstruk- tur auch anders ausgeführt sein, aber die jeweilige Ausleseschaltung kann ebenfalls aus- gelegt sein, um eine geänderte Resonanzfrequenz der Platte 142 auszulesen.
In den Figuren 3a bis 5c sind Berührungssensorelemente 120 mit einer Vielzahl von Berüh- rungssensorzellen 122 und Näherungssensorelemente 130 mit einer Vielzahl von Nähe- rungssensorzellen 132 schematisch dargestellt. Jede Berührungssensorzelle 122 kann z. B denselben oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen wie das in einer der Figuren 2a bis 2d beschriebene Berührungssensorelement 120 und jede Näherungssensorzelle 132 kann z. B denselben oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen wie das in einer der Figuren 2a bis 2d beschriebene Näherungssensorelement 130. In anderen Worten kann das in einer der Figuren 2a bis 2d gezeigte Berührungssensorelement 120 auch eine Berührungssensor- zelle 120 (z. B. eine taktile Zelle) im Sinne der in den Figuren 3a bis 5c gezeigten MEMS- Vorrichtung 100 darstellen und das in einer der Figuren 2a bis 2d gezeigte Näherungs- sensorelement 130 kann auch eine Näherungssensorzelle 132 (z. B. eine Abstandszelle) im Sinne der in den Figuren 3a bis 5c gezeigten MEMS-Vorrichtung 100 darstellen. Alter- nativ kann es sich bei den Berührungssensorzellen 122 und/oder bei den Näherungs- sensorzellen 132 auch um andere bekannte Sensoren handeln.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird mittels der MEMS-Vorrichtung 100 ermöglicht, mehrere Tast- und Abstandssensorelemente (z. B. Berührungssensorelemente 120 und Näherungssensorelemente 130), z. B., auf Basis eines kapazitiven Wandlers, in einem ein- zigen Chip zu integrieren (siehe z. B. Fig. 3a bis Fig. 5c). Mittels der Sensorfusion können hochvolumige Informationen über Entfernung und Berührung erfasst und verarbeitet wer- den. Diese Vorteile können mit der hierin beschriebenen Technologie, den Vorrichtungen und Produktionsverfahren für ein auf einem Chip integriertes Abstands- und Tastsensor- system erreicht werden. Die Technologie zur Integration des integrierten Systems (z. B. die MEMS-Vorrichtung) auf Basis eines kapazitiven Wandlers kann variiert werden und man- che Beispiele umfassen einen Opfer-Freigabe-Prozess, Waferbonden („Wafer-Bonding“) oder auch andere Methoden. Es wird impliziert, dass jede andere Technologie, die zur Her- Stellung von derartigen Wandler, Sensoren und integrierten Sensoren verwendet wird, hier- mit ebenfalls impliziert wird. Das gesamte System (z. B. MEMS-Vorrichtung 100), separate Sensorelemente (z. B. Berührungssensorelemente 120 und/oder Näherungssensorele- mente 130), jede Wandlerzelle (z. B. Berührungssensorzellen 122 und/oder Näherungs- sensorzellen 132) usw. kann mit diskreter Elektronik, mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (appllcation specific integrated Circuit, ASIC) und sogar einer Kom- bination aus beidem betrieben werden (siehe z. B. Fig.4a oder Fig. 4b).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird impliziert, dass jede Wandlerzelle (z. B. Berüh- rungssensorzellen 122 und/oder Näherungssensorzellen 132), jedes Wandlerelement (z. B. Berührungssensorelemente 120 und/oder Näherungssensorelemente 130), der ge- samte Wandler (z. B. MEMS-Vorrichtung 100) je nach Anordnungskonfiguration und An- triebsmodalität (z. B. Ansteuerschaltung) sowohl als Tast- als auch als Abstandssensor wir- ken kann. Je nach diesen unterschiedlichen Fähigkeiten können einige wenige Sensormo- dule verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, gilt für die MEMS-Vorrichtung (z. B. ein Integriertes Abstands- und Tastsensormodul) zumindest eines der folgenden Merkmale:
I Jede Zelle (z. B. Berührungssensorzellen 122 und/oder Näherungssensorzellen 132) wird entweder als Tast- oder als Abstandssensor verwendet (z. B. betrieben oder angesteuert).
II. Abwechselnde Zellen werden entweder als Abstands- oder als Tastsensor verwen- det (z. B. betrieben oder angesteuert).
III. Ein Wandlerelement (das mehrere elektrisch gebündelte Zellen aufweist) kann als ein Tast- oder ein Abstandssensor verwendet werden (z. B. betrieben oder ange- steuert).
IV. Separate Tast- und Abstandssensorelemente können gemeinsam mechanisch dazu konfiguriert sein, das gesamte Sensormodul zu bilden.
V. Integrierte Herstellungsverfahren (Opfer-Freigabe-Technologie, Wafer-Bonding usw.) können vera/endet werden, um die Tast(Zelle oder Elemente)- und/oder Ab- stands(Zelle oder Elemente)-Sensormodule zum Bilden der gesamten Sensorbau- gruppe (z. B. MEMS-Vorrichtung 100) herzustellen. VI. Geometrische Strukturen (kubisch, rechteckig, pyramidenförmig usw.), die auf ei- nem oberen Tastsensor (Zellen oder Elemente) aus Materialien hergestellt sind (die alle weichen Materialien wie Polymer, Elastomer usw. und für derartige Strukturen und Anwendungen geeignetes Material beinhalten), die in der Lage sind, die taktile Last mit dem jeweiligen Sensor derselben (Zelle oder Element) zu koppeln, können als Taktile-Last-Höcker (z. B. Lastübertragungselemente) verwendet werden.
VII. Ein Abstandssensor (Zelle oder Elemente) kann entweder eine nackte Oberfläche aufweisen oder Strukturen (z. B. eine Schutzschicht), die geometrisch und material- mäßig den T aktile-Last-Höckem ähnlich sind, können zum Bedecken derselben ver- wendet werden, um sie vor mechanischen Einwirkungen oder Beschädigungen während des Betriebs zu schützen.
VIII. Kapazitive Wandler (die alle Arten wie CMUT, beinhalten) können in unterschiedli- cher Konfiguration als luftdicht versiegelt, entlüftet oder vakuumversiegelt verwen- det werden, je nach Anforderungen im Tast- oder Abstandsmodus. Dies impliziert z. B. die Integration von Immersions- und luftgestützten kapazitiven Wandlern auf einem einzigen Chip. Das hierin beschriebene integrierte Sensormodul, sozusagen die MEMS-Vorrichtung 100, weist zahlreiche Merkmale/Vorteile auf:
Miniaturisierung
Damit verbundene Ressourceneinsparung und Kostensenkung bei großen Stückzahlen
Integration von Elektronik (ADC, Signalverarbeitung usw.) möglich. Gestaltungsfreiheit und Skalierbarkeit der Größe.
Potenzielle Flexibilität ergibt sich sowohl aus der Perspektive der Geometrie als auch des Betriebs als:
• z. B. integrierte oder getrennte Herstellung von Sensoren (Tast- und Ab- standssensoren; Zellen und Elemente) aus flexiblen Substraten.
• z. B. Anordnung von separaten Sensoren (Zellen oder Baugruppe) auf ei- nem flexiblen Träger (z. B. flexibles Substrat).
• z. B. Verwendung eines Tastsensors, Abstandssensors (Elemente oder Zel- len) in einer getrennten oder aggregierten Konfiguration entweder einzeln oder durch Multiplexing. In den Figuren 3a bis 5c sind schematische Darstellungen von Konfigurationen dargestellt, bei denen gruppierte Wandlerzellen (z. B. Berührungssensorzellen 122 und/oder Nähe- rungssensorzellen 132) Sensorelemente (z. B. Berührungssensorelemente 120 und/oder Näherungssensorelemente 130) bilden und abwechselnde Elemente z. B. in einem Karo- muster angeordnet sind, um das vollständige Sensormodul (z. B. die MEMS-Vorrichtung) zu bilden. Die taktilen Elemente (Berührungssensorelemente 120) sind zum Beispiel mit einem Elastomer-Kontakthöcker (z. B. einem Lastübertragungselement) bedeckt (siehe z. B. Fig. 5a bis Fig. 5c). Die Abstandselemente (Näherungssensorelemente 130) können in diesem Zustand z. B. drei Konfigurationen aufweisen:
1. Nackte Oberfläche (siehe z. B. Fig. 5a)
2. Zum Schutz vor mechanischem Kontakt oder Beschädigung bedeckt (z. B. Schutzschicht):
2.1. Teildicke im Vergleich zur Taktile-Last-Höhe. (siehe z. B. Fig. 5b)
2.2. Gleiche Dicke im Vergleich zur Taktile-Last-Höhe. (siehe z. B. Fig. 5c)
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein System zur Test- und Abstandserfassung unter Verwendung eines integrierten Sensormoduls z. B. auf Basis ei- nes MEMS-Akustikwandlers. Insbesondere handelt es sich, z. B., um ein System, bei dem erstmals mehrere Tast- und Abstandssensorelemente integriert wurden, z. B., für eine In- tegration auf einer Roboterhand.
Durch die Sensorfusion der individuellen Systeme kann eine Erfassung und Verarbeitung einer hohen Informationsdichte, die mit einerzunehmenden Komplexität von Anwendungen erforderlich ist, erreicht werden.
Fig. 3a zeigt ein Elementlayout auf einem Chip. Der gesamte Chip (z. B. der Halbleiterchip) besteht, gemäß einem Ausführungsbeispiel, aus 8 taktilen (z. B. Berührungssensorele- mente 120) und 8 Abstandselementen (z. B. Näherungssensorelemente 130), die in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Zur Verdeutlichung wurden das erste Berührungs- sensorelement 120i und das erste Näherungssensorelement 130i gestrichelt umrandet. Jedes Berührungssensorelement 120 weist z. B. eine Vielzahl von in einem zweidimensio- nalen Feld angeordneten Berührungssensorzellen 122 auf und jedes Näherungssensorel- ement 130 weist z. B. eine Vielzahl von in einem zweidimensionalen Feld angeordneten Näherungssensorzellen 132 auf. Die Berührungssensorzellen 122 und/oder die Nähe- rungssensorzellen 132 sind z. B rund ausgebildet. Ferner weist jedes Berührungssensorelement 120 und jedes Näherungssensorelement 130 Kontakte 160 und 162, d.h. Kontaktstellen oder Kontaktpads, auf. Der Kontakt 162 dient z. B. der Übertragung der Sendespannung bzw. der Detektion im Empfangspfad und der Kontakt 160 kann einen Erdanschluss, einen DC-Anschluss oder ähnliches darstellen. Ge- mäß einem Ausführungsbeispiel können die Kontaktstellen 160, die den Berührungssenso- relementen 120 zugeordnet sind und/oder die den Näherungssensorelementen 130 zuge- ordnet sind, auch zusammen ausgeführt werden. Optional kann diese Zusammenführung auch auf die Kontakte 162 angewandt werden. Eine vorteilhafte Verschaltung ist in Fig. 4a und Fig. 4b dargestellt (z. B. eine Parallelschaltung der Berührungssensorzellen 122 eines Berührungssensorelements 120 und eine Parallelschaltung der Näherungssensorzellen 132 eines Näherungssensorelements 130).
Auch wenn in den Figuren 3a bis 5c die Berührungssensorzellen 122 und die Näherungs- sensorzellen 132 als Kreise bzw. als Scheiben dargestellt sind, sind diese nicht darauf limi- tiert. Es ist ebenso möglich Sensorzellen mit anderen Formen in den Chip zu integrieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, handelt es sich bei den Berührungssensorzellen 122 und/oder den Näherungssensorzellen 132 um CMUT-Zellen und/oder PMUT-Zellen.
Durch den modularen Aufbau wird ermöglicht, dass je nach Anwendung eine Anzahl, ein Aufbau und/oder eine Anordnung der Berührungssensorelemente 120 und der Näherungs- sensorelemente 130 variiert werden kann. Gemäß dem in den Figuren 3a bis 5c dargestell- ten Aufbaus, weist das Berührungssensorelement 12039 Berührungssensorzellen 122 auf und jedes Näherungssensorelement 130 weist 14 Näherungssensorzellen 132 auf. Ferner sind aufeinanderfolgende Zellreihen z. B. zueinander versetzt angeordnet, um die Sensor- zellen möglichst platzsparend innerhalb eines Sensorelements anzuordnen. Benachbarten Reihen überlappen z. B. zumindest teilweise, ohne dass benachbarte Berührungssensor- zellen 122 und/oder benachbarte Näherungssensorzellen 132 überlappen.
In Fig. 3b ist ein Berührungssensorelement 120 und ein Näherungssensorelement 130, ge- mäß einem Ausführungsbeispiel, vergrößert dargestellt. Der in Fig. 3b dargestellte Aus- schnitt kann einen Ausschnitt der MEMS-Vorrichtung 100 aus Fig. 3a darstellen.
Fig. 4a und Fig. 4b zeigen eine mögliche Verschaltung von Sensorzellen (122, 132) inner- halb eines Sensorelements (120, 130). Dabei sind die Sensorzellen eines Sensorelements jeweils mit einem ersten Anschluss 160 und einem zweiten Anschluss 162 verbunden. Der erste Anschluss 160 stellt z. B. einen Bezugsanschluss oder Erdanschluss dar und der zweite Anschluss 162 stellt z. B. einen Signalanschluss (z. B. „bias terminal") oder einen positiven Anschluss dar. Es wird z. B. eine mögliche Zellverbindung für ein taktiles und ein Abstandselement über einen positiven und einen geerdeten Anschluss (z. B. „ground ter- minal") dargestellt. Andere Konfigurationen sind ebenfalls möglich. Diese Konfigurationen sind ein Beispiel, bei denen eine sehr geringe parasitäre Kapazität vorliegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist der erste Anschluss 160 nicht für alle Sensorel- emente die gleiche Funktionsweise auf. Dasselbe gilt für den zweiten Anschluss 162. Die Kontaktpads (der erste Anschluss 160 und der zweite Anschluss 162) können für die ein- zelnen Elemente (z. B. für die einzelnen Sensorzellen 122, 132 und/oder für die einzelnen Berührungs- 120 und Näherungssensorelemente 130) unterschiedlich angesteuert bzw. ausgelesen werden. Praktisch kann jedes individuelle Sensorelement (in Fig. 3a sind bei- spielhaft 4 Berührungs- 1201-1204 und 4 Näherungssensorelemente 1301-1304 dargestellt) individuell angesteuert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind erste Elektroden (z. B. angeordnet an dem Wafer 112) der Sensorzellen mit dem ersten Anschluss 160 verbunden und zweite Elektroden (z. B. die Platte 142) der Sensorzellen mit dem zweiten Anschluss 162 verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zwischen den beiden Anschlüssen 160, 162 eine Wechselspannung ängelegt werden, um eine bewegliche Elektrode (z. B. die erste Elekt- rode oder die zweite Elektrode) der Näherungssensorzellen 132 zum Schwingen anzure- gen und somit eine Ultraschall-Laufzeitmessung zu ermöglichen. Fig. 4a und Fig. 4b stellen z. B. Ausschnitte der MEMS-Vorrichtung 100 aus Fig. 3a dar.
Die Figuren 5a bis 5c zeigen zusätzliche unterschiedliche Ausführungen der MEMS- Vorrichtung 100 aus Fig. 3a mit einem Lastübertragungselement 150 und/oder einer Schutzschicht 152.
Die Lastübertragungselemente 150 und die Schutzschichten 152 sind in den Figuren 5a bis 5c als Quader ausgeformt. Über geeignete Abscheide und strukturierungsverfahren sind diese auch als Pyramiden oder Halbkugeln oder Ähnliches formbar. Optional kann eine „weitere“ Schutzschicht eingeführt werden. Diese kann als eine Art dünne Folie über den gesamten Chip bzw. nur über den Näherungssensor platziert werden. Diese Folie kann eine Strukturierung aufweisen. Der Vorteil ist, dass keine mechanische Wechselwirkung mit dem Näherungssensor entsteht und ein Schutz vor mechanischen Ein- wirkungen, Staub, Feuchtigkeit etc. bereitgestellt werden kann. In anderen Worten zeigt Fig. 5a Berührungssensorelemente 120, die z. B. mit Polymer (z. B. Lastübertragungselementen 150 oder Kontakthöcker) bedeckt sind und Näherungs- sensorelemente 130, die offen sind (nicht bedeckt). Optional kann die „weitere“ Schutz- schicht als eine Art dünne Folie über den gesamten Chip platziert werden. Dabei liegt die „weitere“ Schutzschicht z. B. auf den Lastübertragungselementen 150 auf und istfreischwe- bend über den Näherungssensorelementen 130 angeordnet. Dadurch entsteht keine me- chanische Wechselwirkung der „weiteren“ Schutzschicht mit dem Näherungssensorele- ment.
In anderen Worten zeigt Fig. 5b Berührungssensorelemente 120, die z. B. mit Polymer (z. B. Lastübertragungselementen oder Kontakthöcker) bedeckt sind und Näherungssenso- relemente 130, die teilweise zum Schutz bedeckt sind. Die jeweils über zwei benachbarten Näherungssensorelementen 130 angeordneten Schutzschichten 152 weisen eine gerin- gere Dicke auf als die über jeweils zwei benachbarten Berührungssensorelementen 120 angeordneten Lastübertragungselemente.
In anderen Worten zeigt Fig. 5c Berührungssensorelemente 120 und Näherungssensorel- emente 130, die z. B. vollständig mit Polymer bedeckt sind.
In Fig. 6a und Fig. 6b ist jeweils eine Ansteuerschaltung 170, d.h. eine Steuerkonfiguration zum Senden, exemplarisch für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler (CMUT) als Näherungssensorzelle 132 für eine MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel, dargestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die Ansteuerschaltung 170 in Fig. 6a eine Sig- nalsteuerung 172, eine Signalquelle 174, eine DC-Quelle 176 und einen Bias-Tee 178 auf. Die Signalsteuerung 172, in Fig. 6a, kann ausgebildet sein, um die Signalquelle 174 und die DC-Quelle 176 zu regeln. Die beiden erzeugten Spannungen werden über das Bias- Tee 178 superpositioniert und an den Näherungssensor 132 übertragen. Dieser wandelt das elektrische Signal in Ultraschallwellen um. In Fig. 6b wird eine alternative Ansteuerschaltung 170 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 170, in Fig. 6b, weist zum Beispiel eine Signalsteuerung 172, eine Signalquelle 174 und eine DC-Quelle 176 auf. Die Signalsteuerung 172 kann ausgebildet sein, um die Signal- quelle 174 und die DC-Quelle 176 zu regeln. Die beiden Spannungen werden über ver- schiedene elektrische Kontakte direkt am Näherungssensor 132 superpositioniert. Dieser wandelt das elektrische Signal in Ultraschallwellen um.
Für den Fall eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) als Näherungssensorzelle 132, entfällt die DC-Quelle 176 und das Bias-Tee 178 im Falle der in Fig. 6a gezeigten Konfiguration und entfällt die DC-Quelle 176 im Falle der in Fig. 6b gezeigten Konfiguration. In anderen Worten weist die Ansteuerschaltung 170 im Falle eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) als Näherungssensor- zelle 132 die Signalsteuerung 172 und die Signalquelle 174 auf. Das elektrische Signal der Signalquelle 174 wird direkt an den Näherungssensor 132 geleitet.
In Fig. 7a und Fig. 7b ist jeweils eine Ausleseschaltung 180, d.h. eine Steuerkonfiguration zum Empfangen, exemplarisch für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwand- ler (CMUT) als Näherungssensorzelle 132 für eine MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Aus- führungsbeispiel, dargestellt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die Ausleseschaltung 180 in Fig. 7a eine Signal- verarbeitung 182, einen Verstärker 184, eine DC-Quelle 186 und einen Bias-Tee 188 auf. Ein von einer Ultraschallwelle verursachtes hochfrequentes elektrisches Signal des Nähe- rungssensors 132 wird über den Verstärker 184 verstärkt und an die Signalverarbeitung 182 überführt. Die Empfangssensitivität wird über den Verstärker 184 und die DC-Quelle
186 geregelt.
In Fig. 7b wird eine alternative Ausleseschaltung 180 dargestellt. Die Ausleseschaltung 180, in Fig. 7b, weist zum Beispiel eine Signalverarbeitung 182, einen Verstärker 184 und eine DC-Quelle 186 auf. Ein von einer Ultraschallwelle verursachtes hochfrequentes elektri- sches Signal des Näherungssensors 132 wird über einen Verstärker 184 verstärkt und an die Signalverarbeitung 182 überführt. Die Empfangssensitivität wird über den Verstärker 184 und die DC-Quelle 186 geregelt. Für den Fall eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) als Näherungssensorzelle 132, entfällt die DC-Quelle 186 und das Bias-Tee 188 im Falle der in Fig. 7a gezeigten Konfiguration und entfällt die DC-Quelle 186 im Falle der in Fig. 7b gezeigten Konfiguration. In anderen Worten weist die Ausleseschaltung 180 im Falle eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) als Näherungssensor- zelle 132 die Signalverarbeitung 182 und den Verstärker 184 auf. Das elektrische Signal des Näherungssensors 132 wird direkt an den Verstärker 184 geleitet.
Fig. 8 zeigt ein Blockdiagram eines Systemaufbaus einer MEMS-Vorrichtung 100 mit zu- mindest einem Berührungssensorelement 120 und zumindest einem Näherungssensorele- ment 130. Auf der linken Seite sind die Hauptmodule des Systems dargestellt und auf der rechten Seite ein Flussdiagramm des Systems.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel, kann zumindest eins oder auch jedes der Berührungs- sensorelemente 1201-120n mehrere Berührungssensorzellen aufweisen und zumindest eins oder auch jedes der Näherungssensorelement 1301-130m kann mehrere Näherungs- sensorzellen aufweisen. Der Index n ist eine natürliche Zahl und gibt die Anzahl unabhän- giger Näherungssensorelemente 130 an. Der Index m ist eine natürliche Zahl und gibt die Anzahl unabhängiger Berührungssensorelemente 130 an. Die Sensorelemente 130/120 und/oder Sensorzellen können Merkmale und/oder Funktionalitäten, wie sie in Zusammen- hang mit zumindest einer der Figuren 1 bis 7b beschrieben sind, aufweisen.
Über eine Ansteuerschaltung 1701, d.h. eine Steuerelektronik, der Näherungssensorele- mente 130, d.h. der Näherungs-Sensorik, werden elektrische Pulse 175Ni „Tx Ni" (i=1... n) an die Näherungssensorelemente 130i „Ni“ gesendet. Diese wandeln die elektrischen Sig- nale 175 in Ultraschallwellen 190Ni „pTx Ni“ um, welche anschließend mit der Umgebung wechselwirken. Die Antwort 192 auf die Gesamtheit der Signale 190 „pTx Ni“ wird durch das Sensorsystem erfasst. Hierbei erreichen Ultraschallsignale 192Nj „pRx Nj“ (j=1...n) das Sensorelement 130 „Nj“, welches die Ultraschallsignale 192 wiederum in elektrische Sig- nale 183Nj „RX Nj" wandelt und an eine Ausleseschaltung 1801, d.h. an die Steuerelektronik, überführt. Das j-te Empfangselement kann dabei ebenfalls Antwortsignale 192i induziert vom i-ten Sendeelemente 130i (für i≠j) empfangen. Mittels einer geeigneten Signalverarbei- tung werden die Signale aufbereitet und einer Visualisierung überführt.
Die Steuerung der Berührungssensorik 120 erfolgt analog. Im Fall eines passiven Berüh- rungselements 120i werden durch elektrische Pulse 175Bi „Tx Bi“ (i=1...n) Messzustände des Berührungssensorelements 120i „Bi" eingestellt und ein physikalischer Sendepuls 190Bi „pTx Bi" entfällt. Ein physikalischer Empfangspuls 192Bj „pRx Bj“ (j=1...n) beschreibt me- chanische Kräfte, die auf den Sensor 120j „Bj" wirken.
Im Fall eines aktiven Berührungssensors 120 kann dieser ebenfalls Ultraschallwellen 190Bi „pTx Bi“ senden (analog zu dem Näherungssensor 130). Als aktiver Berührungssensor 120 kann der Berührungssensor 120 in einem Näherungssensormodus betrieben werden.
Somit können die Näherungssensorelemente 130 und optional die Berührungssensorele- mente 120 mit einem elektrischen Sendepuls 175 angesteuert werden, worauf die Senso- relemente 130/120 einen physikalischen Sendepuls 190 (z.B. Ultraschall, Elektrostatik, Magnetismus, Optik) an die Umgebung aussenden. Sowohl die Näherungssensorelemente 130 als auch die Berührungssensorelemente 120 können einen physikalischen Empfangs- puls 192 (z.B. Ultraschall, Elektrostatik, Magnetismus, Optik) empfangen und in einen elektrischen Empfangspuls 183 umwandeln.
Die einzelnen Sensorelemente 130 „Ni“ bzw. 120 „Bi“ können elektrisch gruppiert werden, um bspw. das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Die Berührungssensorelemente 120 sind zum Beispiel ausgebildet, um in einem Näherungssensormodus als Näherungssenso- relement betrieben zu werden und/oder die Näherungssensorelemente 130 sind ausgebil- det, um in einem Berührungssensormodus als Berührungssensorelement betrieben zu wer- den. Dadurch können sowohl Näherungssensorelemente 130 als auch Berührungssenso- relemente 120 zu einem großen Näherungssensor gruppiert werden, wobei dabei sowohl die Näherungssensorelemente 130 als auch die Berührungssensorelemente 120 in dem Näherungssensormodus betrieben werden. Umgekehrt können auch Näherungssensorel- emente 130 und Berührungssensorelemente 120 zu einem großen Berührungssensor gruppiert werden, wobei dabei sowohl die Näherungssensorelemente 130 als auch die Be- rührungssensorelemente 120 in dem Berührungssensormodus betrieben werden.
Die Module „Signalverarbeitung", d.h. Datenverarbeitung, und „Visualisierung" können die Informationen beider Sensordomänen „Näherungssensorik“ und „Berührungssensorik“ kombinieren.
Das System 100 kann Informationen an einen externen Regelkreis übergeben, um aktiv in die Wechselwirkung Sensorsystem und Umgebung einzugreifen (bspw. in einem Roboter- greifer den Greifabstand ändern). Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfah- rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein ent- sprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrens- schritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfah- rensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hard- ware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Compu- ter oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispie- len können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Er- findung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte odereines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart Zusammenwir- ken können oder Zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Des- halb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmier- baren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerpro- grammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode da- hingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm- produkt auf einem Computer abläuft.
Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger ge- speichert sein. Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen- lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin be- schriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ab- läuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträ- ger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren auf-ge- zeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Me- dium sind typischerweise gegenständlich und/oder nichtvergänglich bzw. nicht-vorüberge- hend.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Daten- strom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durch- führen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, trans- feriert zu werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfigu- riert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerpro- gramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumin- dest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vor- richtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (bei- spielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzu- führen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell ersetzbare Hard- ware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung ei- ner Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschrie- benen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Com- puterprogramm) implementiert sein.
Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hard- ware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Vari- ationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten ein- leuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz- umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsen- tiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
1. MEMS-Vorrichtung (100), mit folgenden Merkmalen: zumindest einem Berührungssensorelement (120, 1201-1204), das ausgebildet ist, um piezoelektrisch, kapazitiv, optisch oder magnetisch eine Berührung (124) zu de- tektieren; und zumindest einem Näherungssensorelement (130, 1301-1304), das ausgebildet ist, um ein Objekt (200), das zu dem Näherungssensorelement (130, 1301-1304) beab- standet ist, mit Schall (190, 191, 192) zu detektieren; wobei das zumindest eine Berührungssensorelement (120, 1201-1204) und das zu- mindest eine Näherungssensorelement (130, 1301-1304) auf einem Halbleiterchip (110) integriert sind.
2, MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, bei der das zumindest eine Berührungs- sensorelement (120, 1201-1204) eine Vielzahl von in einem eindimensionalen Feld oder zweidimensionalen Feld angeordnete Berührungssensorzellen (122) aufweist und bei der das zumindest eine Näherungssensorelement (130, 1301-1304) eine Vielzahl von in einem eindimensionalen Feld oder zweidimensionalen Feld ange- ordnete Näherungssensorzellen (132) aufweist.
3. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 2, bei der die Berührungssensorzellen (122) des zumindest einen Berührungssensorelements (120, 1201-1204) elektrisch parallel geschaltet sind, um parallel angesteuert und ausgelesen zu werden und/o- der die Näherungssensorzellen (132) des zumindest einen Näherungssensorele- ments (130, 1301-1304) elektrisch parallel geschaltet sind, um parallel angesteuert und ausgelesen zu werden.
4. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Berührungs- sensorzellen (122) des zumindest einen Berührungssensorelements (120, 1201- 1204) und/oder die Näherungssensorzellen (132) des zumindest einen Näherungs- sensorelements (130, 1301-1304) rund ausgebildet sind.
5. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 4, bei der die Berührungssensorzellen (122) des zumindest einen Berührungssensorelements (120, 1201-1204) und/oder die Näherungssensorzellen (132) des zumindest einen Näherungssensorelements (130, 1301-1304) in Reihen angeordnet sind und wobei benachbarte Reihen so zu- einander versetzt angeordnet sind, so dass die benachbarten Reihen zumindest teil- weise überlappen, ohne dass benachbarte Berührungssensorzellen (122) und/oder benachbarte Näherungssensorzellen (132) überlappen.
6. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Mehrzahl von Berührungssensorelementen (120, 1201-1204) und Näherungssensorelementen (130, 1301-1304) aufweist, die in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind.
7. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das zumindest eine Näherungssensorelement (130, 1301-1304) mindestens einen mikromechani- schen Ultraschallwandler aufweist.
8. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, bei der der mikromechanische Ultra- schallwandler als kapazitiver mikromechanischer Ultraschallwandler oder als piezo- elektrischer mikromechanischer Ultraschallwandler ausgebildet ist.
9. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 8, wobei der kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler eine Ansteuerungs- schaltung (170) aufweist, die ausgelegt ist, um eine bewegliche Elektrode (142) des kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers mittels einer elektrostatischen Kraft, zwischen der beweglichen Elektrode (142) und einer festen Elektrode (112) des kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers anzuregen, um Ultraschall (190) auszusenden; und wobei der kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler eine Ausleseschaltung (180) aufweist, die ausgelegt ist, um eine Abstandsänderung zwischen der beweg- lichen Elektrode (142), die mittels eines Ultraschallechos (192), reflektiert von dem beabstandeten Objekt (200), ausgelenkt wird, und der festen Elektrode (112) aus- zulesen; wobei der piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler eine Ansteue- rungsschaltung (170) aufweist, die ausgelegt ist, um eine Deformation eines Schichtstapels (142), der eine piezoelektrische Schicht aufweist, des piezoelektri- schen mikromechanischen Ultraschallwandlers zu kontrollieren, um somit Ultra- schall (190) auszusenden; und wobei der piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler eine Auslese- schaltung (180) aufweist, die ausgelegt ist, um eine Deformation des Schichtstapels (142), basierend auf einem Ultraschallecho (192), reflektiert von dem beabstande- ten Objekt (200), auszulesen.
10. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der das zumindest eine Berührungssensorelement (120, 1201-1204) mindestens eine mikromechani- sche Sensorstruktur aufweist.
11. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei die mikromechanische Sen- sorstruktur eine Ausleseschaltung (180) aufweist, die ausgelegt ist, um eine geän- derte Resonanzfrequenz, einer beweglichen Elektrode (142) der mikromechani- schen Sensorstruktur oder eines Schichtstapels (142) der mikromechanischen Sen- sorstruktur auszulesen, wobei die geänderte Resonanzfrequenz auf einer geänderten Last auf der bewegli- chen Elektrode (142) der mikromechanischen Sensorstruktur oder auf einer geän- derten Last auf dem Schichtstapel (142) der mikromechanischen Sensorstruktur durch eine Berührung (124) beruht.
12. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 10 oder nach Anspruch 11, bei der die mikromechanische Sensorstruktur eine kapazitive mikromechanische Sensorstruk- tur oder eine piezoelektrische mikromechanische Sensorstruktur aufweist.
13. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die kapazitive mikromechanische Sensorstruktur eine Ausleseschaltung (180) aufweist, die ausgelegt ist, um eine Abstandsänderung zwischen einer beweg- lichen Elektrode (142) der kapazitiven mikromechanischen Sensorstruktur, und ei- ner festen Elektrode (112) der kapazitiven mikromechanischen Sensorstruktur aus- zulesen, wobei die bewegliche Elektrode (142) mittels einer Berührung (124) aus- gelenkt wird, um die Abstandsänderung hervorzurufen. wobei die piezoelektrische mikromechanische Sensorstruktur eine Ausleseschal- tung (180) aufweist, die ausgelegt ist, um eine Deformation eines Schichtstapels (142), der eine piezoelektrische Schicht aufweist, der piezoelektrischen mikrome- chanischen Sensorstruktur, basierend auf einer Berührung (124) des Schichtsta- pels, auszulesen.
14. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der über dem zumindest einen Berührungssensorelement (120, 1201-1204) ein Lastübertragungs- element (150) angeordnet ist.
15. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der über dem zumindest einen Näherungssensorelement (130, 1301-1304) eine Schutzschicht (152) angeordnet ist.
16. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 14 oder 15, bei der über dem zumindest einen Näherungssensorelement (130, 1301-1304) eine oder die Schutzschicht (152) und/oder über dem zumindest einen Berührungssensorelement (120, 1201-1204) ein oder das Lastübertragungselement (150) angeordnet sind, wobei das Lastübertra- gungselement (150) und/oder die Schutzschicht (152) kubisch, quaderförmig, pyra- midenförmig oder halbkugelförmig ausgebildet sind.
17. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der über dem zumindest einen Näherungssensorelement (130, 1301-1304) eine oder die Schutz- schicht (152) und/oder über dem zumindest einen Berührungssensorelement (120, 1201-1204) ein oder das Lastübertragungselement (150) angeordnet sind, wobei das Lastübertragungselement (150) und/oder die Schutzschicht (152) Polymermaterial, Elastomermaterial oder vergleichbares Material aufweist.
18. MEMS-Vorrichtung (100) nach Anspruch 14 bis 17, bei der über dem zumindest einen Näherungssensorelement (130, 1301-1304) eine oder die Schutzschicht (152) und über dem zumindest einen Berührungssensorelement (120, 1201-1204) ein oder das Lastübertragungselement (150) angeordnet sind, wobei die Schutzschicht (152) eine geringere Dicke als das Lastübertragungselement (150) aufweist.
19. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei der über dem zumindest einen Berührungssensorelement (120, 1201-1204) eine Schutzschicht (152) angeordnet ist; und wobei das Berührungssensorelement (120, 1201-1204) zumindest einen MEMS- Ultraschallwandler aufweist, um Schallwellen zu senden und/oder zu empfangen.
20. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei der der Halbleiter- chip (110) ein flexibles Substrat aufweist.
21. MEMS-Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei der das zumindest eine Berührungssensorelement (120, 1201-1204) ausgebildet ist, um in einem Nä- herungssensormodus als Näherungssensorelement (130, 1301-1304) betrieben zu werden; und/oder bei der das zumindest eine Näherungssensorelement (130, 1301-1304) ausgebildet ist, um in einem Berührungssensormodus als Berührungssensorelement (120, 1201- 1204) betrieben zu werden.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130294202A1 (en) * 2012-05-01 2013-11-07 Arman HAJATI Multi-frequency ultra wide bandwidth transducer
US20170255338A1 (en) * 2016-03-03 2017-09-07 Invensense, Inc. Determining force applied to an ultrasonic sensor
WO2017196683A1 (en) * 2016-05-10 2017-11-16 Invensense, Inc. An ultrasonic transducer operable in a surface acoustic wave (saw) mode

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130294202A1 (en) * 2012-05-01 2013-11-07 Arman HAJATI Multi-frequency ultra wide bandwidth transducer
US20170255338A1 (en) * 2016-03-03 2017-09-07 Invensense, Inc. Determining force applied to an ultrasonic sensor
WO2017196683A1 (en) * 2016-05-10 2017-11-16 Invensense, Inc. An ultrasonic transducer operable in a surface acoustic wave (saw) mode

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