DE102013211943B4

DE102013211943B4 - MEMS-Struktur mit einstellbaren Ventilationsöffnungen

Info

Publication number: DE102013211943B4
Application number: DE102013211943.7A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Matthias Friedrich Herrmann; Ulrich Krumbein; Stefan Barzen; Wolfgang Klein; Wolfgang Friza; Martin Wurzer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2021-03-11
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: KR101607806B1; KR20150035916A; KR101548481B1; KR20140000173A; KR20150030691A; KR101566076B1; DE102013211943A1; CN103517169B; CN103517169A

Abstract

MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201), welche Folgendes aufweist:
eine Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221),
eine Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211), die um einen Spaltabstand (904) von der Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221) beabstandet ist, und
eine einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238), welche sich auf der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) befindet und die dafür ausgelegt ist, eine Druckdifferenz zwischen einem ersten Raum (905), der in Kontakt mit einer ersten Seite der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) steht, und einem zweiten Raum (906), der in Kontakt mit einer entgegengesetzten zweiten Seite der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) steht, zu verringern, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) als Funktion der Druckdifferenz zwischen dem ersten Raum (905) und dem zweiten Raum (906) passiv betätigt wird und dünner als ein anderer Abschnitt der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) ist.

Description

Dies ist eine Teilfortsetzungsanmeldung der am 29. Februar 2012 eingereichten Anmeldung US 2013 / 0 223 654 A1 , die die durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine einstellbare Ventilationsöffnung in einer MEMS-Struktur und ein Verfahren zum Betreiben einer MEMS-Struktur.
HINTERGRUND
Im Allgemeinen werden Mikrofone in großen Anzahlen bei niedrigen Kosten hergestellt. Infolge dieser Anforderungen werden Mikrofone häufig in Siliciumtechnologie hergestellt. Mikrofone werden mit unterschiedlichen Konfigurationen für ihre verschiedenen Anwendungsgebiete hergestellt. In einem Beispiel messen Mikrofone die Kapazitätsänderung durch Messen der Verformung oder Auslenkung der Membran in Bezug auf eine Gegenelektrode. Das Mikrofon wird typischerweise durch Legen einer Vorspannung auf einen geeigneten Wert betrieben.
Ein Mikrofon kann Betriebs- und andere Parameter, wie das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), die Steifigkeit der Membran oder der Gegenelektrode oder der Durchmesser der Membran, aufweisen, die häufig durch den Herstellungsprozess festgelegt werden. Zusätzlich kann ein Mikrofon auf der Grundlage verschiedener beim Herstellungsprozess verwendeter Materialien unterschiedliche Eigenschaften aufweisen.
US 2008/ 0 175 418 A1 beschreibt ein Mikrofon mit einem beweglichen Diaphragma. JP 2010 - 161 738 A beschreibt ein nicht-gerichtetes Kondensator-Mikrofon. JP H08 - 240 502 A beschreibt einen kapazitiven Drucksensor. DE 10 2013 203 180 A1 offenbart eine MEMS-Struktur mit einer Rückplatte, einer Membran und einer einstellbaren Ventilationsöffnung zur Verringerung einer Druckdifferenz zwischen einem ersten und einem zweiten Raum, welche jeweils in Kontakt mit einer Membran steht. US 9 876 446 B2 offenbart eine Platte, einen Transducer und ein Verfahren zum Herstellen und Betreiben des Transducers.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine MEMS-Struktur eine Rückplatte, eine Membran und eine einstellbare Ventilationsöffnung, die dafür ausgelegt ist, eine Druckdifferenz zwischen einem in Kontakt mit der Membran stehenden ersten Raum und einem in Kontakt mit einer entgegengesetzten Seite der Membran stehenden zweiten Raum zu verringern. Die einstellbare Ventilationsöffnung wird als Funktion der Druckdifferenz zwischen dem ersten Raum und dem zweiten Raum passiv betätigt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung eine MEMS-Struktur mit einer Rückplatte und einer Membran auf. Ein Gehäuse schließt die MEMS-Struktur ein. Eine Schallöffnung ist akustisch mit der Membran gekoppelt. Eine einstellbare Ventilationsöffnung im Gehäuse ist dafür ausgelegt, eine Druckdifferenz zwischen einem in Kontakt mit der Membran stehenden ersten Raum und einem zweiten Raum zu verringern.
Figurenliste
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden in Zusammenhang mit der anliegenden Zeichnung gegebenen Beschreibungen Bezug genommen. Es zeigen:

1a eine Draufsicht einer MEMS-Struktur,
1b eine detaillierte perspektivische Ansicht eines Verbindungsgebiets einer MEMS-Struktur,
1c eine Schnittansicht eines Verbindungsgebiets einer MEMS-Struktur,
die 2a - 2c Schnittansichten einer Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung,
2d eine Draufsicht einer Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung,
2e ein Diagramm für eine Eck- oder Schwellenfrequenz,
die 3a - 3d Ausführungsformen und eine Konfiguration einer einstellbaren Ventil ationsöffnung,
4a eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur, wobei die Membran zur Rückplatte hin gezogen ist,
4b eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur, wobei die Membran zum Substrat hin gezogen ist,
5a eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur,
5b eine Draufsicht einer Ausführungsform der MEMS-Struktur aus 5a,
6a eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer nicht betätigten MEMS-Struktur,
6b eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer betätigten MEMS-Struktur,
7a eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer nicht betätigten MEMS-Struktur,
7b eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer betätigten MEMS-Struktur,
7c eine Draufsicht der Ausführungsform der MEMS-Struktur aus 7a,
8a ein Flussdiagramm eines Betriebs einer MEMS-Struktur, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung ursprünglich geschlossen ist,
8b ein Flussdiagramm eines Betriebs einer MEMS-Struktur, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung ursprünglich offen ist,
8c ein Flussdiagramm eines Betriebs einer MEMS-Struktur, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung geöffnet wird, um von einer ersten Anwendungseinstellung zu einer zweiten Anwendungseinstellung zu schalten,
8d ein Flussdiagramm eines Betriebs einer MEMS-Struktur, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung geschlossen wird, um von einer ersten Anwendungseinstellung zu einer zweiten Anwendungseinstellung zu schalten,
9a eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur mit einer passiven einstellbaren Ventilationsöffnung,
9b eine Draufsicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur mit einer passiven einstellbaren Ventilationsöffnung,
10a eine Graphik der Verschiebung einer Eckfrequenz bei einer Spitzenauslenkung einer passiven einstellbaren Ventilationsöffnung,
10b eine Schnittansicht einer Ausfuhrungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung mit einem sich auf einer Membran befindenden Ausleger,
die 11a - 11f jeweils eine Draufsicht einer Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung,
12 eine Vorderansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Vorrichtungsgehäuse, wobei sich eine einstellbare Ventilationsöffnung auf einer Membran befindet,
13a eine Vorderansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Vorrichtungsgehäuse, wobei sich eine einstellbare Ventilationsöffnung auf einer Tragstruktur befindet,
13b eine Vorderansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit einem Vorrichtungsgehäuse, wobei sich eine einstellbare Ventilationsöffnung auf einem Deckel befindet,
13c eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur, wobei sich eine einstellbare Ventilationsöffnung auf einer Rückplatte befindet,
13d eine Ausfuhrungsform der Erfindung mit einem Gehäuse, wobei sich eine einstellbare Ventilationsöffnung im Gehäuse befindet, und die 14a und 14b eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERLÄUTERUNG DIENENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachstehend werden die Herstellung und Verwendung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen detailliert erörtert. Es ist allerdings zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfindungsgemäße Konzepte bereitstellt, die in einer großen Vielzahl spezifischer Zusammenhänge verwirklicht werden können. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen sollen lediglich spezifische Arten der Herstellung und Verwendung der Erfindung erläutern, und sie schränken den Schutzumfang der Erfindung nicht ein.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf Ausführungsformen in einem spezifischen Zusammenhang, nämlich Sensoren oder Mikrofone, beschrieben. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere MEMS-Strukturen, wie Drucksensoren, HF-MEMS, Beschleunigungsmesser und Betätigungselemente, angewendet werden. Zusätzlich wird in den spezifischen Ausrührungsformen in erster Linie Luft als das Medium angenommen, in dem sich Druckwellen ausbreiten. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf Luft beschränkt und hat Anwendungen in vielen Medien.
Mikrofone werden als parallele Plattenkondensatoren auf einem Chip verwirklicht. Der Chip wird in einem Gehäuse untergebracht, welches ein gegebenes rückseitiges Volumen einschließt. Eine bewegliche Membran schwingt infolge von Druckdifferenzen in der Art durch akustische Signale hervorgerufener Differenzen. Die Membranauslenkung wird unter Verwendung einer kapazitiven Erfassung in ein elektrisches Signal umgesetzt.
1a zeigt eine Draufsicht einer MEMS-Vorrichtung 100. Eine Rückplatte oder Gegenelektrode 120 und eine bewegliche Elektrode oder Membran 130 sind durch Verbindungsgebiete 115 mit dem Substrat 110 verbunden. Die 1b und 1c zeigen detaillierte perspektivische Ansichten eines Verbindungsgebiets 115 der MEMS-Vorrichtung 100. 1b zeigt eine Draufsicht des Ausschnitts 155 aus 1a, und 1c zeigt eine Schnittansicht desselben Gebiets. Eine Rückplatte oder Gegenelektrode 120 ist über einer Membran oder einer beweglichen Elektrode 130 angeordnet. Die Rückplatte 120 ist perforiert, um eine Dämpfung zu vermeiden oder zu mildern. Die Membran 130 weist ein Ventilationsloch 140 für einen Niederfrequenzdruckausgleich auf. Angesichts der hier erörterten einstellbaren Ventilationslöcher ist das Ventilationsloch 140 optional und kann wahlweise in die verschiedenen hier erörterten Ausführungsformen aufgenommen werden.
Gemäß der Ausführungsform aus den 1a - 1c ist die Membran 130 in den Verbindungsgebieten 115 mechanisch mit dem Substrat 110 verbunden. In diesen Gebieten 115 kann sich die Membran 130 nicht bewegen. Die Rückplatte 120 ist im Verbindungsgebiet 115 auch mechanisch mit dem Substrat 110 verbunden. Das Substrat 110 bildet einen Rand 122, um Platz für das rückseitige Volumen bereitzustellen. Die Membran 130 und die Rückplatte 120 sind an oder in der Nähe des Rands 122 mit dem Substrat verbunden. Gemäß dieser Ausführungsform bilden der Rand 122 und die Membran 130 einen Kreis. Alternativ können der Rand 122 und die Membran 130 ein Quadrat bilden oder eine andere geeignete geometrische Form aufweisen.
Im Allgemeinen erfordern der Entwurf und die Herstellung eines Sensors ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR). Unter anderem kann dies erreicht werden, wenn die zu messende Kapazitätsänderung möglichst groß ist und wenn die Parasitärkapazität möglichst klein ist. Je größer der parasitäre Anteil der Kapazität in Bezug auf die Gesamtkapazität ist, desto kleiner ist das SNR.
Die Nachgiebigkeit des rückseitigen Volumens und der Widerstand des Ventilationswegs durch das Ventilationsloch definieren die mechanische RC-Konstante des Sensors. Falls das Ventilationsloch groß ist oder falls mehrere Löcher verwendet werden, ist die Eckfrequenz verhältnismäßig hoch, und falls das Ventilationsloch klein ist, ist die Eckfrequenz verhältnismäßig niedrig. Sowohl das rückseitige Volumen als auch der Durchmesser der Ventilationslöcher und ihre Anzahl sind durch die Konstruktion vorgegeben, so dass die Eckfrequenz durch die Konstruktion vorgegeben ist. Demgemäß kann die Eckfrequenz während des Betriebs nicht geändert werden, falls nur ein festes Ventilationsloch bereitgestellt ist.
Ein Problem mit einem Ventilationsloch fester Größe besteht darin, dass hochenergetische Signale, die eine Frequenz oberhalb der Eckfrequenz des Ventilationslochs haben, den Sensor selbst bei Anwendung elektrischer Filter verzerren oder übersteuern. Falls ein Sensor für mehr als eine Anwendung verwendet wird, müssen überdies zwei Sensoren in ein Sensorsystem integriert werden, wodurch die Systemkosten verdoppelt werden.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht abstimmbare Ventilationsöffnungen in einer MEMS-Struktur vor. Die abstimmbaren Ventilationsöffnungen können zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position geschaltet werden. Die abstimmbaren Ventilationslöcher können auch in eine Zwischenposition versetzt werden. Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht einen veränderlichen Ventilationsöffnungsquerschnitt vor. Eine Ausführungsform der Erfindung sieht eine abstimmbare Ventilationsöffnung in einem Messgebiet in der Nähe eines Rands des Substrats vor. Eine weitere Ausführungsform sieht eine abstimmbare Ventilationsöffnung in einem Abstimmungsgebiet außerhalb des Messgebiets der Membran vor. Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht eine passiv betätigte einstellbare Ventilationsöffnung vor, die sich in der Membran, der Rückplatte, einem Substrat, einer Tragstruktur, einem Vorrichtungsgehäuse oder einem Deckel befindet. Diese verschiedenen Ausführungsformen können einzeln oder in einer beliebigen Kombination implementiert werden.
Die 2a - 2c zeigen eine Schnittansicht einer Rückplatte oder Gegenelektrode 250 und einer Membran oder beweglichen Elektrode 230 mit einem dazwischen liegenden Luftspalt 240. Die Rückplatte 250 ist bei 252 perforiert, und die Membran 230 weist eine einstellbare Ventilationsöffnung 238 auf. 2d zeigt eine Draufsicht dieser Anordnung, wobei die Kreise die perforierte Rückplatte 250, 252 angeben und die dunkle Ebene die darunter liegende Membran 230 ist. Gemäß dieser Ausführungsform ist der bewegliche Abschnitt 237 des einstellbaren Ventilationslochs 238 als ein U-förmiger Schlitz 239 ausgebildet. Die einstellbare Ventilationsöffnung 238 kann rechteckig, quadratisch oder halbkreisförmig sein. Alternativ kann die einstellbare Ventilationsöffnung 238 eine beliebige geometrische Form aufweisen, solange die Form einen Ventilationsweg bereitstellen kann. Der bewegliche Abschnitt 237 der einstellbaren Ventilationsöffnung 238 kann ein Ausleger, eine Brücke oder eine federgestützte Struktur sein.
2a zeigt eine Konfiguration, bei der die Betätigungsspannung (Vorspannung) V_bias = 0 ist.
Die einstellbare Ventilationsöffnung 238 ist unter Bildung eines kleinen Schlitzes 239 in der Membran 230 geschlossen. Wenn keine Betätigungsspannung anliegt, wird ein minimaler Ventilationsweg und damit eine niedrige Schwellenfrequenz bereitgestellt. Die einstellbare Ventilationsöffnung 238 befindet sich in einer geschlossenen oder ausgeschalteten (nicht aktivierten) Position. Ein Beispiel einer solchen niedrigen Schwellenfrequenz ist in 2e als Frequenz „A“ dargestellt.
2b zeigt eine Konfiguration, bei der die Betätigungsspannung V_bias erhöht ist, d.h. von 0 V verschieden ist, jedoch niedriger als die Einziehspannung V_pull-in ist. Die einstellbare Ventilationsöffnung 238 öffnet sich und stellt einen größeren Ventilationsweg bereit als in der Konfiguration aus 2a. De Schwellenfrequenz ist in 2e als Frequenz „B“ dargestellt.
Es sei bemerkt, dass die einstellbare Ventilationsöffnung 238 einen erheblichen Ventilationsweg bereitstellen kann, wenn die Auslenkung des beweglichen Abschnitts 237 größer als die Dicke der Membran 230 ist.
2c zeigt eine Konfiguration, bei der die Betätigungsspannung V_bias größer als die Einziehspannung V_pull-in ist. Die einstellbare Ventilationsöffnung 238 öffnet sich vollständig, und es wird ein großer Ventilationsweg erzeugt. Die Schwellenfrequenz ist in 2e als Frequenz „C“ dargestellt. Durch Einstellen der Betätigungsspannung kann die RC-Konstante verkleinert oder vergrößert werden, und die Schwellenfrequenz kann entsprechend einem gewünschten Wert eingestellt werden. Es sei bemerkt, dass die einstellbare Ventilationsöffnung bereits bei Betätigungsspannungen, die unterhalb der Einziehspannung liegen, vollständig geöffnet sein kann.
Mit Bezug auf 2e sei bemerkt, dass gemäß einer Ausführungsform die Schwellenfrequenz „A“ etwa 10 - 50 Hz betragen kann und als Schwellenfrequenz „C“ bis zu etwa 200 - 500 Hz verschoben werden kann. Alternativ beträgt die Schwellenfrequenz in „A“ etwa 10 - 20 Hz und wird in „C“ bis etwa 200 - 300 Hz verschoben. Gemäß einer Ausführungsform würde die Schwellenfrequenz „A“ 10 - 100 Hz betragen und wird in „C“ zu 500 - 2000 Hz geändert.
Die Schwellenfrequenz an der Position „A“ kann auch von der Anzahl der einstellbaren Ventilationsöffnungen und vom Spaltabstand, den ein Schlitz in der Membran bildet, abhängen. Die Schwellenfrequenz an der Position „A“ ist für eine MEMS-Struktur mit einer größeren Anzahl einstellbarer Ventilationsöffnungen (beispielsweise mit 32 einstellbaren Ventilationsöffnungen) höher als für eine MEMS-Struktur mit einer kleineren Anzahl einstellbarer Ventilationsöffnungen (beispielsweise mit 2, 4 oder 8 einstellbaren Ventilationsöffnungen). Die Schwellenfrequenz ist auch für MEMS-Strukturen mit einem größeren die einstellbare Ventilationsöffnung definierenden Schlitzspalt (einer größeren Schlitzbreite und/oder einer größeren Schlitzlänge) höher als für jene mit einem kleineren Schlitzspalt.
Die Ausführungsform aus 3a zeigt eine Konfiguration einer Betätigungsspannung (Abstimmungs- oder Schaltspannung), wobei die Betätigungsspannung mit der Messvorspannung identisch ist. Die MEMS-Struktur weist eine einzige Elektrode auf der Rückplatte 350, einen Luftspalt 340 und eine Membran 330 auf. Die Elektrode der Rückplatte 350 ist auf ein Betätigungspotential gelegt, und die Membran 330 ist auf Masse gelegt. Die einstellbare Ventilationsöffnung 338 ist bei einer niedrigen Betätigungsspannung (AUS-Position) geschlossen und bei einer hohen Betätigungsspannung (EIN-Position) offen. Eine niedrige Betätigungsspannung führt zu einer niedrigen Eck- oder Schwellenfrequenz und einer niedrigen Empfindlichkeit der MEMS-Struktur, und eine hohe Betätigungsspannung führt zu einer hohen Eck- oder Schwellenfrequenz und einer hohen Empfindlichkeit.
Die Ausführungsform aus 3b zeigt eine Konfiguration, bei der die Betätigungsspannung (Abstimmungs- oder Schaltspannung) von der Messvorspannung unabhängig ist. Die MEMS-Struktur umfasst eine strukturierte Rückplatte 350, beispielsweise eine Rückplatte, die mindestens zwei Elektroden, einen Luftspalt 340 und eine Membran 330 aufweist. Die zweite Elektrode 352 der Rückplatte 350 ist auf ein Betätigungspotential gelegt, und die erste Elektrode 351 ist auf ein Messpotential gelegt. Die Membran 330 ist auf Masse gelegt. Die beiden Elektroden sind voneinander isoliert. Beispielsweise kann die Rückplatte 350 die strukturierte Elektrode und einen Isolationsträger 355 aufweisen. Der Isolationsträger 355 kann der Membran 330 zugewandt sein oder von der Membran 330 abgewendet sein. Die Abstimmungs- oder Schaltspannung beeinflusst die Empfindlichkeit der MEMS-Struktur nicht.
Die einstellbare Ventilationsöffnung 338 ist bei einer niedrigen Betätigungsspannung (AUS-Position) geschlossen und bei einer hohen Betätigungsspannung (EIN-Position) offen. Eine niedrige Betätigungsspannung führt zu einer niedrigen Eck- oder Schwellenfrequenz, und eine hohe Betätigungsspannung führt zu einer hohen Eck- oder Schwellenfrequenz. Die Messvorspannung ist von der Betätigungsspannung unabhängig und kann konstant gehalten oder unabhängig verringert oder erhöht werden.
Die Ausführungsform aus 3c zeigt eine Konfiguration einer Betätigungsspannung (Abstimmungs- oder Schaltspannung), wobei die Betätigungsspannung mit der Messvorspannung identisch ist. Die MEMS-Struktur weist eine einzige Elektrode in der Rückplatte 350, einen Luftspalt 340 und eine Membran 330 auf. Die einstellbare Ventilationsöffnung 338 ist bei einer hohen Betätigungsspannung (EIN-Position) geschlossen und bei einer niedrigen Betätigungsspannung (AUS-Position) offen. Der bewegliche Abschnitt 337 der einstellbaren Ventilationsöffnung 338 berührt die Rückplatte 350, wenn er aktiviert ist, und er ist in einer Ebene mit dem Rest der Membran, wenn er nicht aktiviert ist. Eine niedrige Betätigungsspannung führt zu einer hohen Eck- oder Schwellenfrequenz und einer niedrigen Empfindlichkeit der MEMS-Struktur, und eine hohe Betätigungsspannung führt zu einer niedrigen Eck- oder Schwellenfrequenz und einer hohen Empfindlichkeit der MEMS-Struktur. Die Rückplatte 350 weist Ventilationsöffnungen 357 auf, und der bewegliche Abschnitt 337 der einstellbaren Ventilationsöffnung 338 weist Ventilationsöffnungen 336 auf. Die Ventilationsöffnungen 336 im beweglichen Abschnitt 337 der einstellbaren Ventilationsöffnung 338 sind in einer EIN-Position (oder aktivierten Position) geschlossen. Es gibt einen kleineren Ventilationsweg durch die einstellbare Ventilationsöffnung 338, wenn sich die einstellbare Ventilationsöffnung in der EIN-Position (oder aktivierten Position) befindet.
Die Ausführungsform aus 3d zeigt die Betätigungsspannung (Abstimmungs- oder Schaltspannung), wobei die Betätigungsspannung von der Messvorspannung unabhängig ist. Die MEMS-Struktur weist eine strukturierte Rückplatte 350 auf, wobei die Rückplatte beispielsweise eine erste Elektrode 351 und eine zweite Elektrode 352, einen Luftspalt 340 und eine Membran 330 aufweisen kann. Alternativ kann die strukturierte Rückplatte 350 mehr als zwei Elektroden aufweisen. Die zweite Elektrode 352 der Rückplatte 350 ist auf ein Betätigungspotential gelegt, und die erste Elektrode 351 ist auf ein Messpotential gelegt. Die Membran 330 ist auf Masse gelegt. Die erste Elektrode 351 und die zweite Elektrode 352 sind voneinander isoliert. Beispielsweise kann die Rückplatte 350 die strukturierte Elektrode und einen Isolationsträger 355 aufweisen. Der Isolationsträger 355 kann der Membran 330 zugewandt sein oder von der Membran 330 abgewendet sein. Die Abstimmungs- oder Schaltspannung beeinflusst die Empfindlichkeit der MEMS-Struktur nicht.
Die einstellbare Ventilationsöffnung ist bei einer hohen Betätigungsspannung (EIN-Position) geschlossen und bei einer niedrigen Betätigungsspannung (AUS-Position) offen. Eine niedrige Betätigungsspannung (AUS-Position) führt zu einer hohen Eck- oder Schwellenfrequenz, und eine hohe Betätigungsspannung (EIN-Position) führt zu einer niedrigen Eck- oder Schwellenfrequenz. Die Messvorspannung ist von der Betätigungsspannung unabhängig und kann konstant gehalten oder unabhängig verringert oder erhöht werden.
Die Rückplatte 350 weist Ventilationsöffnungen 357 auf, und der bewegliche Abschnitt 337 der einstellbaren Ventilationsöffnung 338 weist auch Ventilationsöffnungen 336 auf. Die Ventilationsöffnungen 336 in der einstellbaren Ventilationsöffnung 338 sind in der EIN-Position geschlossen. Es gibt einen kleineren Ventilationsweg durch die Ventilationsöffnungen 357 der Rückplatte 338 und die Ventilationsöffnungen 336 der einstellbaren Ventilationsöffnung 338, wenn die einstellbare Ventilationsöffnung 338 offen ist. Es gibt einen Ventilationsweg durch die Ventilationsöffnungen 357 der Rückplatte 350 und die Ventilationsöffnungen 336 der einstellbaren Ventilationsöffnung 338, wenn die einstellbare Ventilationsöffnung 338 geschlossen oder in einer AUS-Position ist.
Die Ausführungsform aus 4a zeigt eine Schnittansicht einer MEMS-Struktur 400. Die MEMS-Struktur weist ein Substrat 410 auf. Das Substrat 410 weist Silicium oder andere Halbleitermaterialien auf. Alternativ weist das Substrat 410 Verbindungshalbleiter, wie beispielsweise GaAs, InP, Si/Ge oder SiC, auf. Das Substrat 410 kann einkristallines Silicium, amorphes Silicium oder polykristallines Silicium (Polysilicium) aufweisen. Das Substrat 410 kann aktive Komponenten, wie Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Verstärker, Filter oder andere elektrische Vorrichtungen, oder eine integrierte Schaltung aufweisen. Die MEMS-Struktur 400 kann eine alleinstehende Vorrichtung sein, oder sie kann mit einem IC in einen einzelnen Chip integriert sein.
Die MEMS-Struktur 400 weist ferner eine erste Isolierschicht oder ein erstes Abstandselement 420 über dem Substrat 410 auf. Die Isolierschicht 420 kann ein isolierendes Material, wie Siliciumdioxid, Siliciumnitrid oder Kombinationen davon aufweisen.
Die MEMS-Struktur 400 weist ferner eine Membran 430 auf. Die Membran 430 kann eine kreisförmige Membran oder eine quadratische Membran sein. Alternativ kann die Membran 430 andere geometrische Formen aufweisen. Die Membran 430 kann ein leitendes Material, wie Polysilicium, dotiertes Polysilicium oder ein Metall, aufweisen. Die Membran 430 ist oberhalb der Isolierschicht 420 angeordnet. Die Membran 430 ist in einem Gebiet in der Nähe des Rands des Substrats 410 physikalisch mit dem Substrat 410 verbunden.
Überdies weist die MEMS-Struktur 400 eine zweite Isolierschicht oder ein zweites Abstandselement 440 über einem Abschnitt der Membran 430 auf. Die zweite Isolierschicht 440 kann ein isolierendes Material, wie Siliciumdioxid, Siliciumnitrid oder Kombinationen davon aufweisen.
Eine Rückplatte 450 ist über der zweiten Isolierschicht oder dem Abstandselement 440 angeordnet. Die Rückplatte 450 kann ein leitendes Material, wie Polysilicium, dotiertes Polysilicium oder ein Metall, beispielsweise Aluminium, aufweisen. Überdies kann die Rückplatte 450 einen isolierenden Träger oder Isolierschichtgebiete aufweisen. Der isolierende Träger kann zur Membran 430 hin oder von dieser fort angeordnet sein. Das Isolierschichtmaterial kann Siliciumoxid, Siliciumnitrid oder Kombinationen davon sein. Die Rückplatte 450 kann perforiert sein.
Die Membran 430 kann mindestens eine einstellbare Ventilationsöffnung 460 aufweisen, wie vorstehend beschrieben wurde. Die einstellbaren Ventilationsöffnungen 460 können einen beweglichen Abschnitt 465 aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform befinden sich die einstellbaren Ventilationsöffnungen 460 in einem Gebiet in der Nähe des Rands des Substrats 410. Beispielsweise können sich die einstellbaren Ventilationsöffnungen 460 in den äußeren 20 % des Radius der Membran 430 oder den äußeren 20 % des Abstands von einem Zentrumspunkt zu einer Kante eines Quadrats oder eines Rechtecks der Membran 430 befinden. Insbesondere können sich die einstellbaren Ventilationsöffnungen 460 nicht in einem zentralen Gebiet der Membran 430 befinden. Beispielsweise können sich die einstellbaren Ventilationsöffnungen 460 nicht in den inneren 80 % des Radius oder des Abstands befinden. Die einstellbaren Ventilationsöffnungen 460 können sich in äquidistanten Abständen voneinander entlang einer Peripherie der Membran 430 befinden.
Die Ausführungsform aus 4a ist so ausgelegt, dass sich die einstellbaren Ventilationsöffnungen 460 zur Rückplatte 450 hin öffnen. Die Membran 430 und die Rückplatte 450 können beliebige der in den 2a - 2d und 3a - 3d beschriebenen Konfigurationen aufweisen. Die Rückplatte 450 ist auf eine Messspannung V_sense und eine Betätigungsspannung V_p (die Messspannung und die Betätigungsspannung können gleich oder verschieden sein, wie vorstehend beschrieben) gelegt, und die Membran 430 ist auf Masse gelegt, oder umgekehrt.
Die MEMS-Struktur 400 der Ausführungsform aus 4b zeigt eine ähnliche Struktur wie die Ausführungsform in 4a. Die Konfiguration ist jedoch verschieden, beispielsweise ist der bewegliche Abschnitt 465 der einstellbaren Ventilationsöffnung 460 zum Substrat 410 hin gezogen. Die Rückplatte ist auf eine Messspannung V_sense gelegt, das Substrat ist auf die Betätigungsspannung V_p gelegt, und die Membran ist auf Masse gelegt. Bei dieser Konfiguration der MEMS-Struktur 400 ist die Betätigungsspannung (Abstimmungs- oder Schaltspannung) unabhängig von der Messspannung.
Die Ausführungsform aus 5a zeigt eine Schnittansicht, und 5b zeigt eine Draufsicht einer MEMS-Struktur 500 mit einer Membran 530, die sich über einem Abschnitt eines Substrats 510 und außerhalb eines Messgebiets 533 erstreckt. Die MEMS-Struktur 500 umfasst ein Substrat 510, ein Verbindungsgebiet 520, eine Membran 530 und eine Rückplatte 540, welche ähnliche Materialien aufweisen wie sie mit Bezug auf die Ausführungsform in 4a beschrieben wurden. Die Membran 530 weist ein Messgebiet 533 und ein Abstimmungsgebiet 536 auf. Das Messgebiet 533 befindet sich zwischen den entgegengesetzten Rändern des Substrats 510 oder zwischen den entgegengesetzten Verbindungsgebieten 520. Das Abstimmungsgebiet 536 erstreckt sich über einem Abschnitt des Substrats 510 und befindet sich außerhalb des Messgebiets 533. Das Messgebiet 533 kann sich auf einer ersten Seite des Verbindungsgebiets 520 befinden, und das Abstimmungsgebiet 536 kann sich auf einer zweiten Seite des Verbindungsgebiets 520 befinden. Eine Aussparung 515 (Unterätzung) ist zwischen der Membran 530 und dem Substrat 510 im Abstimmungsgebiet 536 ausgebildet. Die Rückplatte 540 liegt nur über dem Messgebiet 533, jedoch nicht über dem Abstimmungsgebiet 536 der Membran 530. Die Rückplatte 540 kann perforiert sein. Die Rückplatte 540 ist auf eine Vorspannung V_sense gelegt, das Substrat 510 ist auf eine Abstimmungsspannung V_p gelegt, und die Membran ist auf Masse gelegt. Bei dieser Konfiguration der MEMS-Struktur 500 ist die Abstimmungsspannung unabhängig von der Messspannung.
Das Abstimmungsgebiet 536 der Membran 530 weist mindestens eine einstellbare Ventilationsöffnung 538 auf, die in einer nicht betätigten Position (AUS-Position) einen Ventilationsweg bereitstellt und in einer betätigten Position (EIN-Position) keinen Ventilationsweg bereitstellt. Die nicht betätigte oder offene Position (AUS-Position) ist eine Position, bei der die einstellbaren Ventilationsöffnungen 538 in derselben Ebene wie die Membran 530 im Messgebiet 533 in ihrer Ruheposition liegen. Die betätigte oder geschlossene Position (EIN-Position) ist eine Position, bei der die einstellbaren Ventilationsöffnungen 538 gegen das Substrat 510 gedrückt sind und der Ventilationsweg blockiert ist. Zwischenpositionen können durch Ziehen der einstellbaren Ventilationsöffnungen 538 zum Substrat 510 hin eingestellt werden, wobei die einstellbaren Ventilationsöffnungen 538 jedoch nicht gegen das Substrat 510 gedrückt sind. Es sei bemerkt, dass das Messgebiet 533 einstellbare Ventilationsöffnungen 538 aufweisen kann oder dass dies nicht der Fall sein kann.
Die Ausführungsform aus den 6a und 6b zeigt eine Schnittansicht einer MEMS-Struktur 600 mit einer Membran 630, die sich über einen Abschnitt eines Substrats 610 außerhalb eines Messgebiets 633 erstreckt. Die MEMS-Struktur 600 umfasst ein Substrat 610, ein Verbindungsgebiet 620, eine Membran 630 und eine Rückplatte 640, welche ähnliche Materialien aufweisen wie sie mit Bezug auf die Ausführungsform in 4a beschrieben wurden. Die Membran 630 weist ein Messgebiet 633 und ein Abstimmungsgebiet 636 auf. Das Messgebiet 633 befindet sich zwischen den entgegengesetzten Rändern des Substrats 610 oder zwischen den entgegengesetzten Verbindungsgebieten 620. Das Abstimmungsgebiet 636 erstreckt sich über einem Abschnitt des Substrats 610 und befindet sich außerhalb des Messgebiets 633. Das Messgebiet 633 kann sich auf einer ersten Seite des Verbindungsgebiets 620 befinden, und das Abstimmungsgebiet 636 kann sich auf einer zweiten Seite des Verbindungsgebiets 620 befinden. Eine Aussparung 615 ist zwischen der Membran 630 und dem Substrat 610 im Abstimmungsgebiet 636 ausgebildet.
Die Rückplatte 640 liegt über dem Messgebiet 633 und dem Abstimmungsgebiet 636 der Membran 630. Die Rückplatte 640 kann im Messgebiet 633 und im Abstimmungsgebiet perforiert sein. Alternativ kann die Rückplatte 640 im Messgebiet 633, jedoch nicht im Abstimmungsgebiet 636, perforiert sein. Die Rückplatte 640 weist eine erste Elektrode 641 und eine zweite Elektrode 642 auf. Alternativ weist die Rückplatte 640 mehr als zwei Elektroden auf. Die erste Elektrode 641 ist von der zweiten Elektrode 642 isoliert. Die erste Elektrode 641 ist im Messgebiet 633 angeordnet, und die zweite Elektrode 642 ist im Abstimmungsgebiet 636 angeordnet. Die erste Elektrode 641 ist auf eine Vorspannung V_sense gelegt, und die zweite Elektrode 642 ist auf die Abstimmungsspannung V_p gelegt. Die Membran 630 ist auf Masse gelegt. Bei dieser Konfiguration der MEMS-Struktur 600 ist die Abstimmungsspannung unabhängig von der Messspannung.
Das Abstimmungsgebiet 636 der Membran 630 weist eine oder mehrere einstellbare Ventilationsöffnungen 638 auf, welche in einer nicht betätigten Position (AUS-Position) in 6a einen Ventilationsweg bereitstellen und in einer betätigten Position (EIN-Position) in 6b keinen Ventilationsweg bereitstellen. Die offene Position oder nicht betätigte Position (AUS-Position) ist eine Position, bei der sich die einstellbaren Ventilationsöffnungen 638 in derselben Ebene befinden wie die Membran 630 im Messgebiet 633 in ihrer Ruheposition. Die geschlossene Position oder betätigte Position (EIN-Position) ist eine Position, bei der die einstellbaren Ventilationsöffnungen 638 gegen die Rückplatte 640 gedrückt sind und der Ventilationsweg blockiert ist. Die MEMS-Struktur 600 stellt einen Ventilationsweg und eine hohe Eckfrequenz bereit, wenn sie sich nicht in einer betätigten Position (AUS-Position) befindet. Die MEMS-Struktur 600 stellt einen geschlossenen Ventilationsweg und eine niedrige Eckfrequenz bereit, wenn sie sich in einer betätigten Position (EIN-Position) befindet. Zwischenpositionen können durch Ziehen der einstellbaren Ventilationsöffnungen 638 zur Rückplatte 640, wobei die einstellbaren Ventilationsöffnungen 638 jedoch nicht gegen die Rückplatte 640 gedrückt sind, festgelegt werden. Es sei bemerkt, dass das Messgebiet 633 einstellbare Ventilationsöffnungen 638 aufweisen kann oder dass dies nicht der Fall sein kann.
Die Rückplatte 640 weist Ventilationsöffnungen 639 auf, und die Membran 630 weist im Abstimmungsgebiet 636 einstellbare Ventilationsöffnungen 638 auf. Gemäß einer Ausführungsform sind die Ventilationsöffnungen 639 und die einstellbaren Ventilationsöffnungen 638 umgekehrt zueinander ausgerichtet.
Die Ausführungsform aus den 7a und 7b zeigt eine Schnittansicht, und 7c zeigt eine Draufsicht einer MEMS-Struktur 700 mit einer Membran 730, die sich über einem Abschnitt eines Substrats 710 und außerhalb eines Messgebiets 733 erstreckt. Die MEMS-Struktur 700 umfasst ein Substrat 710, ein Verbindungsgebiet 720, eine Membran 730 und eine Rückplatte 740, welche ähnliche Materialien wie die mit Bezug auf die Ausführungsform aus 4a beschriebenen aufweisen. Die Rückplatte 740 kann eine Messrückplatte (beispielsweise kreisförmig oder rechteckig) 741 und eine Rückplattenbrücke 742 aufweisen.
Die Membran 730 weist ein Messgebiet 733 und ein Abstimmungsgebiet 736 auf. Das Messgebiet 733 befindet sich zwischen den entgegengesetzten Rändern des Substrats 710 oder zwischen den entgegengesetzten Verbindungsgebieten 720. Das Abstimmungsgebiet 736 erstreckt sich über einem Abschnitt des Substrats 710 und außerhalb des Messgebiets 733. Das Messgebiet 733 kann sich auf einer ersten Seite des Verbindungsgebiets 720 befinden, und das Abstimmungsgebiet 736 kann sich auf einer zweiten Seite des Verbindungsgebiets 720 befinden. Eine Aussparung 715 (Unterätzung) ist zwischen der Membran 730 und dem Substrat 710 im Abstimmungsgebiet 736 ausgebildet. Die Membran 730 weist eine durch einen Schlitz 735 ausgebildete einstellbare Ventilationsöffnung 738 auf. Der Schlitz 735 bildet einen beweglichen Abschnitt, wie in den 2a - 2c für die einstellbare Ventilationsöffnung 738 beschrieben wurde.
Die Rückplatte 740 liegt über dem Messgebiet 733 und dem Abstimmungsgebiet 736 der Membran 730. Beispielsweise liegt die Messrückplatte 741 (die erste Elektrode) über dem Messgebiet 733 und liegt die Rückplattenbrücke 742 (die zweite Elektrode) über dem Abstimmungsgebiet 736. Alternativ weist die Rückplatte 740 mehr als zwei Elektroden auf. Die erste Elektrode 741 ist von der zweiten Elektrode 742 isoliert. Die erste Elektrode 741 ist auf eine Vorspannung V_sense gelegt, und die zweite Elektrode 742 ist auf eine Abstimmungsspannung V_p gelegt. Die Membran 730 ist auf Masse gelegt. Bei dieser Konfiguration der MEMS-Struktur 700 ist die Abstimmungsspannung unabhängig von der Messspannung. Die Rückplatte 740 kann im Messgebiet 733 und im Abstimmungsgebiet 736 perforiert sein. Alternativ kann die Rückplatte 740 im Messgebiet 733, jedoch nicht im Abstimmungsgebiet 736, perforiert sein. Die Rückplattenbrücke 742 weist Ventilationsöffnungen 749 auf.
Das Abstimmungsgebiet 736 der Membran 730 weist eine oder mehrere einstellbare Ventilationsöffnungen 738 auf, welche in einer betätigten Position (EIN-Position) in 7b einen Ventilationsweg bereitstellen und in einer nicht betätigten Position (AUS-Position) in 7a einen kleineren Ventilationsweg bereitstellen. Die geschlossene oder nicht betätigte Position (AUS-Position) ist eine Position, bei der die einstellbaren Ventilationsöffnungen 738 in derselben Ebene liegen wie die Membran 730 im Messgebiet 733 in ihrer Ruheposition. Die offene oder betätigte Position (EIN-Position) ist eine Position, bei der die einstellbaren Ventilationsöffnungen 738 gegen die Rückplatte 740 gedrückt sind und der Ventilationsweg offen ist. Die MEMS-Struktur 700 stellt einen Ventilationsweg und eine höhere Eckfrequenz bereit, wenn sie sich in einer betätigten Position (EIN-Position) befindet. Die MEMS-Struktur 700 stellt einen geschlossenen Ventilationsweg und eine niedrige Eckfrequenz bereit, wenn sie sich in einer nicht betätigten Position (AUS-Position) befindet. Zwischenpositionen können durch Ziehen der einstellbaren Ventilationsöffnungen 738 zur Rückplatte 740 hin, wobei die einstellbaren Ventilationsöffnungen 738 jedoch nicht gegen die Rückplatte 740 gedrückt werden, festgelegt werden. Es sei bemerkt, dass das Messgebiet 733 einstellbare Ventilationsöffnungen 738 aufweisen kann oder dass dies nicht der Fall sein kann.
8a zeigt eine Ausführungsform zum Betreiben einer MEMS-Struktur. In einem ersten Schritt 810 wird ein akustisches Signal durch Bewegen einer Membran in Bezug auf eine Rückplatte gemessen. Die einstellbare Ventilationsöffnung befindet sich in einer geschlossenen Position. In einem nächsten Schritt 812 wird ein Hochenergiesignal erfasst. Die einstellbare Ventilationsöffnung wird bei 814 aus einer geschlossenen Position in eine offene Position bewegt. Die offene Position kann eine vollständig offene Position oder eine teilweise offene Position sein.
8b zeigt eine Ausführungsform zum Betreiben einer MEMS-Struktur. In einem ersten Schritt 820 wird ein akustisches Signal durch Bewegen einer Membran in Bezug auf eine Rückplatte gemessen. Die einstellbare Ventilationsöffnung befindet sich in einer betätigten (EIN) geschlossenen Position. In einem nächsten Schritt 822 wird ein Hochenergiesignal erfasst.
Die einstellbare Ventilationsöffnung wird aus der betätigten (EIN) geschlossenen Position in eine nicht betätigte (AUS) offene Position 824 bewegt. Die offene Position kann eine vollständig offene Position oder eine teilweise offene Position sein.
8c zeigt eine Ausführungsform zum Betreiben einer MEMS-Struktur. In einem ersten Schritt 830 befindet sich die MEMS-Struktur in einer ersten Anwendungseinstellung, in der akustische Signale durch Bewegen einer Membran in Bezug auf eine Rückplatte gemessen werden. Die einstellbare Ventilationsöffnung befindet sich in einer geschlossenen Position. In einem zweiten Schritt 832 befindet sich die MEMS-Struktur in einer zweiten Anwendungseinstellung, in der akustische Signale durch Bewegen einer Membran in Bezug auf eine Rückplatte gemessen werden. Die einstellbare Ventilationsöffnung wird aus einer geschlossenen Position in eine offene Position bewegt. Die offene Position kann eine vollständig offene Position oder eine teilweise offene Position sein.
8d zeigt eine Ausführungsform zum Betreiben einer MEMS-Struktur. In einem ersten Schritt 840 befindet sich die MEMS-Struktur in einer ersten Anwendungseinstellung, in der akustische Signale durch Bewegen einer Membran in Bezug auf eine Rückplatte gemessen werden. Die einstellbare Ventilationsöffnung befindet sich in einer offenen Position. In einem zweiten Schritt 842 befindet sich die MEMS-Struktur in einer zweiten Anwendungseinstellung, in der akustische Signale durch Bewegen einer Membran in Bezug auf die Rückplatte gemessen werden. Die einstellbare Ventilationsöffnung wird aus einer offenen Position in eine geschlossene Position bewegt. Die geschlossene Position kann eine vollständig geschlossene Position oder eine teilweise geschlossene Position sein.
Eine weitere Ausführungsform betrifft eine passiv betätigte einstellbare Ventilationsöffnung. Die einstellbare Ventilationsöffnung ist passiv, weil sie keine Steuereingabe empfängt. Die einstellbare Ventilationsöffnung kann durch die auf sie wirkende Druckdifferenz mechanisch betätigt werden.
Die 9a und 9b zeigen eine Ausführungsform einer MEMS-Struktur 900 mit einer passiv betätigten einstellbaren Ventilationsöffnung an der Membran. 9a zeigt einen Querschnitt der MEMS-Struktur 900, welche eine Membran 901, eine Rückplatte 902 und eine Ventilationsöffnung 903 aufweist. Die Rückplatte 902 ist mit Rückplattenperforationslöchern 912 perforiert. Die Rückplatte 902 und die Membran 901 sind durch einen Spaltabstand 904 getrennt. Der Spaltabstand kann von 0,5 µm bis 5 µm reichen. Gemäß einer Ausführungsform beträgt der Spaltabstand etwa 2 µm.
Gemäß dieser Ausführungsform befindet sich die Ventilationsöffnung 903 in der Membran 901. Wie nachstehend erörtert wird, sind auch andere Stellen möglich. Die Öffnung 903 ist aus einer flexiblen Struktur 913 gebildet, die dafür ausgelegt ist, auszulenken, wenn eine Kraft oder eine Druckdifferenz auf sie einwirkt. Wie für MEMS-Mikrofone typisch ist, trennt die Membran 901 einen ersten Raum 905, der durch einen Druck A gekennzeichnet ist, von einem zweiten Raum 906, der durch einen Druck B gekennzeichnet ist.
Bei einem typischen Betrieb eines MEMS-Mikrofons bewirkt die Differenz zwischen den Drücken A und B, dass die Membran ausgelenkt wird. Die Auslenkung wird durch eine sich ändernde Spannung über die Membran 901 und die Rückplatte 902, die als Kondensatorplatten wirken, gemessen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bewirkt die Differenz zwischen den Drücken A und B in den Räumen 905 und 906, dass die flexible Struktur 913 mechanisch betätigt wird. Es ist keine Eingabe von einem Steuermechanismus erforderlich. Die flexible Struktur 913 kann durch eine mechanische Steifigkeit gekennzeichnet sein, welche bestimmt, welche Druckdifferenzen veränderliche Betätigungsniveaus hervorrufen.
Ausführungsformen der flexiblen Struktur 913 können unterschiedliche mechanische Geometrien, Längen, Breiten, Dicken oder Materialien aufweisen, die alle dafür ausgelegt sind, Werte der mechanischen Steifigkeit auszuwählen. Zusätzlich beeinflusst die Geometrie der Ventilationsöffnung 903, einschließlich der Länge und der Breite der flexiblen Struktur 913, stark die Menge des durch die Öffnung fließenden Fluids. Die Menge des durch die Öffnung fließenden Fluids beeinflusst, wie schnell die Druckdifferenz zwischen den Räumen 905 und 906 verringert werden kann.
9b zeigt eine Draufsicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur 900, wobei sich die einstellbare Ventilationsöffnung 903 unterhalb (oder oberhalb) eines Rückplattenfensters 922 befindet. Das Rückplattenfenster 922 befindet sich, ähnlich der in den 1a und 1b dargestellten Ausführungsform, in der Nähe einer Außenkante der Rückplatte 902.
Mit Bezug auf Ausführungsformen der MEMS-Struktur mit passiv betätigten einstellbaren Ventilationsöffnungen können mindestens zwei spezielle Problemkategorien gelöst werden. Dabei handelt es sich um Probleme in Bezug auf niederfrequente Geräusche und Probleme in Bezug auf beschädigende Hochdruckereignisse. Feste Ventilationsöffnungen können eine Beschädigung einer Membran verhindern, verringern jedoch die Empfindlichkeit des Mikrofons durch Begrenzen der Bandbreite. Die passive einstellbare Ventilationsöffnung stellt eine höhere Bandbreite und einen besseren Schutz vor beschädigenden Hochdruckereignissen bereit. Das Verhalten der passiven einstellbaren Ventilationsöffnung in Bezug auf diese beiden Problemklassen kann in drei Fällen beschrieben werden.
Fall 1 betrifft ein Niederfrequenzsignal eines moderaten oder niedrigen Drucks (beispielsweise bis zu etwa 120 dB SPL). Wie zuvor beschrieben wurde, wirken Ventilationsschlitze mit einer äquivalenten Zeitkonstante als Hochpassfilter mit einer Eckfrequenz. Für Fall 1 stellen die nicht einstellbaren Ventilationsschlitze eine Eckfrequenz oberhalb der Niederfrequenzsignale bereit. Bei der passiven einstellbaren Ventilationsöffnung bewirkt der verhältnismäßig niedrige Druck der Signale im Fall 1 nicht, dass sich die Ventilationsöffnungen öffnen. Wiederum mit Bezug auf die Ausführungsform in 9a sei bemerkt, dass eine geringe Reduktion des Drucks zwischen Raum 905 und Raum 906 auftritt. Das Niederfrequenzsignal kann mit der vollen Bandbreite gemessen werden.
Fall 2 betrifft niederfrequente Geräusche. Häufig können in typischen Situationen Signale eines verhältnismäßig hohen Drucks bei niedrigen Frequenzen angetroffen werden (beispielsweise Geräusche zwischen etwa 120 und 140 dB SPL mit Frequenzen unterhalb von etwa 100 Hz). Beispiele dieses Geräuschtyps können Windgeräusche bei einer Fahrt in einem Kabrioauto oder niederfrequente Musik beim Vorbeigehen an einer Stereoanlage sein. In diesen Fällen ist allerdings die gleichzeitige Erfassung höherfrequenter Signale (beispielsweise gewöhnlicher Sprache) durch ein MEMS-Mikrofon wünschenswert. In diesem Fall wird eine passive einstellbare Ventilationsöffnung selbständig durch das niederfrequente Hochdruckgeräusch eingestellt. Die hohe Druckdifferenz zwischen den Räumen 905 und 906 bewirkt ein Öffnen einer Ventilationsöffnung und ein Verringern der Druckdifferenz. Die höherfrequenten Niederdrucksignale erregen die Membran jedoch weiterhin und ermöglichen, dass das Signal durch das MEMS-Mikrofon mit einem verringerten Signal-Rausch-Verhältnis gemessen wird.
Fall 3 betrifft beschädigende Signale eines extremen Überdrucks. Dies ist der Fall, wenn das Mikrofon fallen gelassen wird oder ein Weg zu der Membran mechanisch angeschlagen wird, wodurch bewirkt wird, dass sich ein großer Druckfluss der Membran nähert und gegen sie schlägt (beispielsweise wenn eine Person mit einem Finger gegen einen Mikrofoneingang klopft). Diese extremen Signale können bewirken, dass das Mikrofon ausfällt, indem sie das Reißen oder Brechen der Membran bewirken. Feste Ventilationslöcher können verwendet werden, um eine Membran vor einem extremen Überdruck zu schützen. Je größer jedoch die Löcher sind (und damit je besser der Schutz vor größeren Schocks ist), desto höher ist die Eckfrequenz des durch die Ventilationslöcher bewirkten Hochpassfilters. Auf diese Weise kommt ein besserer Schutz auf Kosten einer verringerten Bandbreite.
Für die passive einstellbare Ventilationsöffnung bewirken die extremen Überdruckereignisse von Fall 3, dass sich die Ventilationsöffnungen infolge der Druckdifferenz selbständig öffnen, um den Druck zwischen dem Raum 905 und dem Raum 906 zu verringern. Wie in Fall 1 gesehen, betätigen die Öffnungen nicht bei regulären Drucksignalen. Demgemäß ist das Mikrofon vor einer Beschädigung durch extreme Überdruckereignisse geschützt, behält jedoch die große Bandbreite, die erforderlich ist, um niederfrequente Signale zu erfassen. Es muss hervorgehoben werden, dass die passiven einstellbaren Ventilationsöffnungen die Lösung für die in den Fällen 1 bis 3 gesehenen Probleme ohne einen Steuermechanismus bereitstellen können.
Die passive Ventilationsöffnung (oder die passiven Ventilationsöffnungen) können die einzigen in der Membran bereitgestellten Öffnungen sein. Alternativ könnten auch feste Öffnungen (beispielsweise kleine Löcher) aufgenommen werden. Bei einer anderen Alternative kann eine betätigte Öffnung in Kombination mit der passiven Öffnung aufgenommen werden. Beispielsweise kann die betätigte Öffnung verwendet werden, um die Frequenzecke abzustimmen, während die passive Öffnung dafür ausgelegt ist, eine Beschädigung zu verhindern (beispielsweise Fall 3). Es ist auch zu verstehen, dass alle drei Typen in derselben Vorrichtung verwendet werden können.
Die 10a und 10b zeihen das mechanische Ansprechen einer Ausführungsform der Erfindung. 10a zeigt die Verschiebung einer Eckfrequenz 1001 bei einer Spitzenauslenkung 1002 einer passiven einstellbaren Ventilationsöffnung, wenn die Druckdifferenz über die Ventilationsöffnung zunimmt. Die Eckfrequenzverschiebung wurde bereits zuvor in 2e beschrieben.
10b zeigt eine Ausführungsform einer passiven einstellbaren Ventilationsöffnung 1010, die aus einem Ausleger 1011 besteht. Der Ausleger 1011 ist bei einer durch eine Druckdifferenz zwischen einem Raum 1012 mit einem Druck A und einem Raum 1013 mit einem Druck B hervorgerufenen Auslenkung dargestellt. Gemäß der spezifischen Ausführungsform aus 10b könnte die Länge des Auslegers 1011 70 µm betragen und seine Breite 20 µm betragen. Gemäß anderen Ausführungsformen könnte die Länge des Auslegers 1011 von 10 bis 500 µm reichen und seine Breite von 5 bis 100 µm reichen. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Anzahl der Ausleger pro Ventilationsöffnung auch von 1 bis zu vielen reichen.
Die 11a - 11f zeigen verschiedene Ausführungsformen einer einstellbaren Ventilationsöffnung. 11a zeigt eine Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung 1110 mit einer quadratischen flexiblen Struktur 1101. Die flexible Struktur 1101 weist eine Länge 1102, eine Breite 1103 und einen Öffnungsspalt 1104 auf. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verhältnis zwischen der Länge und der Breite von etwa 1 : 1 bis etwa 10 : 1 reichen. Der Öffnungsspalt 1104 liegt typischerweise zwischen etwa 0,5 und 5 µm. 11b zeigt eine Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung 1120 mit kleinen Öffnungen 1125 an Enden eines Öffnungsspalts 1104. Diese kleinen Öffnungen 1125 an Ecken einer flexiblen Struktur 1101 können als feste Ventilationslöcher dienen, oder sie können dafür ausgelegt sein, die mechanische Steifigkeit der flexiblen Struktur 1101 zu beeinflussen. Gemäß einer Ausführungsform sollen die kleinen Öffnungen 1125 auch die Einkerbungsspannung verringern.
11c zeigt eine Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung 1130 mit einer abgerundeten flexiblen Struktur 1101 und einem Öffnungsspalt 1104, welcher die Klappe 1101 vom Rest der Membran trennt. Die Form der flexiblen Struktur 1101 beeinflusst die Luftströmungsdynamik durch die Öffnung. Die Form ändert die Strömungsrate in der anfänglichen Öffnung der flexiblen Struktur (kleine Auslenkung) 1101 und in einer größeren Öffnung der flexiblen Struktur (große Auslenkung) 1101. Demgemäß beeinflusst die Form direkt, wie schnell eine Druckdifferenzverringerung erzeugt werden kann. Zusätzlich zu runden oder quadratischen Formen kann eine beliebige andere vernünftige Struktur verwendet werden (beispielsweise dreieckig, sägezahnförmig oder mit anderen Polygonen).
11d zeigt eine Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung mit gekrümmten Öffnungen 1145 an einem Ende eines Öffnungsspalts 1104. Die gekrümmten Öffnungen können dazu dienen, die Einkerbungsspannung von der Auslegerbasis fortzunehmen.
11e zeigt eine Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung 1150 mit ineinander eingreifenden flexiblen Strukturen 1101, welche einen serpentinenförmigen Öffnungsspalt 1104 aufweisen. Diese Struktur könnte eine erhöhte Luftströmung bereitstellen, während die höhere mechanische Steifigkeit der flexiblen Strukturen 1101 beibehalten wird.
1 1 f zeigt eine Ausführungsform einer einstellbaren Ventilationsöffnung, wobei zwei flexible Strukturen 1101 mit getrennten Öffnungsspalten 1104 angrenzend zueinander angeordnet sind. Es sind zusätzliche Schlitze 1105 aufgenommen, um die Ventilation zu erhöhen und die Flexibilität der Struktur zu vergrößern. Die Schlitze 1105 verringern die Steifigkeit einer einstellbaren Ventilationsöffnung 1160 und ermöglichen, dass die gesamte Struktur weiter ausgelenkt wird. Die Strukturen 1101 könnten unterschiedliche Größen des Öffnungsspalts 1104 oder die gleiche Größe des Öffnungsspalts aufweisen. Die Strukturen 1101 könnten gleiche oder unterschiedliche Breiten 1103 oder Längen 1102 aufweisen. Die einstellbare Ventilationsöffnung 1160 könnte eine gesamte Membran aufweisen, oder die Öffnung könnte einen kleineren Teil einer größeren Membran aufweisen. Die Parameter könnten gewählt werden, um die Funktion der einstellbaren Ventilationsöffnungen und des Mikrofons zu verbessern.
Die Ausführungsformen in den 11 a - 1 1 f sollen zeigen, dass eine einstellbare Ventilationsöffnung in vielen Ausführungsformen mit verschiedenen Geometrien und Abmessungen gebildet werden kann. Eine oder mehrere dieser verschiedenen Ausführungsformen könnten zusammen verwendet werden. Ferner sei bemerkt, dass beliebige Materialien in diesen Strukturen verwendet werden können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen weist eine einstellbare Ventilationsöffnung eine gewellte Oberfläche und/oder einen Haftverhinderungsmechanismus in der Art von Höckern und/oder Beschichtungen auf.
Gemäß anderen Ausführungsformen weist eine einstellbare Ventilationsöffnung dünnere oder dickere Materialien als eine Struktur auf, von der die einstellbare Ventilationsöffnung ein Teil ist. Um die mechanische Steifigkeit einer einstellbaren Ventilationsöffnung zu erhöhen (durch eine dickere mechanische Struktur) oder zu verringern (durch eine dünnere mechanische Struktur), könnte die strukturelle Dicke einer flexiblen Struktur geändert werden. Gemäß einer Ausführungsform, welche eine einstellbare Ventilationsöffnung auf einer Membran aufweist, kann die Struktur unter Verwendung von Techniken, die üblicherweise bei der Herstellung von MEMS oder Mikroelektronik verwendet werden, mikrofabriziert werden. Während des Herstellungsprozesses kann die flexible Struktur selektiv geätzt werden (beispielsweise durch die Verwendung von Photoresist, um andere Gebiete zu schützen), um eine dünnere mechanische Struktur zu erzeugen. Alternativ können zusätzliche Materialien auf die flexible Struktur aufgebracht werden, oder die umgebenden Strukturmaterialien der Membran können stärker geätzt werden als die flexible Struktur selbst. Bei all diesen Ausführungsformen wird die Strukturschichtdicke der flexiblen Struktur effektiv geändert, um unterschiedliche mechanische Steifigkeitswerte und ein verbessertes Verhalten der einstellbaren Ventilationsöffnung zu erzeugen.
Eine Ausführungsform kann mehrere einstellbare Ventilationsöffnungen aufweisen. Die Aufnahme von mehr als einer einstellbaren Ventilationsöffnung ist bedeutsam, wenn die Eckfrequenz des Hochpassfilters linear mit der Anzahl der einstellbaren Ventilationsöffnungen skaliert. Zusätzlich verringert die Aufnahme mehrerer Ventilationsöffnungen das Risiko einer Fehlfunktion (die beispielsweise durch eine einzige Ventilationsöffnung behindernden Schmutz hervorgerufen wird).
Die 12 und 13a - 13d zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit unterschiedlichen Konfigurationen einer passiven einstellbaren Ventilationsöffnung. Wiederum können die Merkmale dieser verschiedenen Ausführungsformen kombiniert werden.
12 zeigt eine Ausführungsform mit einem in einem Vorrichtungsgehäuse verkapselten MEMS-Mikrofon 1200. Das Vorrichtungsgehäuse weist eine Tragstruktur 1202 und eine Deckelstruktur 1203 auf. Die Tragstruktur 1202 kann beispielsweise aus einem Laminat in der Art einer gedruckten Leiterplatte gebildet sein. Die Tragstruktur 1202 kann elektrische Kontakte auf einer Innenfläche aufweisen, um mit den Komponenten innerhalb des Gehäuses, beispielsweise einem MEMS 1201 und einer ASIC (anwendungsspezifischen integrierten Schaltung) 1204 zu verbinden. Diese Kontakte können durch die Tragstruktur 1202 geleitet sein, um von außen zugänglich zu sein.
Der Deckel 1203 kann verwendet werden, um die Komponenten der Vorrichtung 1200 einzuschließen. Gemäß der dargestellten Ausführungsform belässt der Deckel 1203 einen Luftraum über einer Rückplatte 1221. Dieser Luftspalt, der infolge der Löcher in der Rückplatte 1221 auf dem gleichen Druck liegt wie der Raum direkt oberhalb der Membran 1211, stellt einen der Drücke bereit, anhand derer die Druckdifferenz bestimmt wird. Der Deckel 1203 kann aus Metall, Kunststoff oder Laminatmaterialien sowie einem anderen für eine Deckelstruktur geeigneten Material bestehen.
Eine MEMS-Struktur 1201 ist an der Tragstruktur 1202 angebracht. Wie vorstehend beschrieben, weist die MEMS-Struktur eine Membran 1211 und eine Rückplatte 1221 auf. Eine Schallöffnung 1207 stellt einen Weg für eine Druckwelle (beispielsweise ein Schallsignal) durch die Tragstruktur 1202 zur Membran 1211 bereit.
Ein Messelektronikblock 1204 ist auch an der Tragstruktur 1202 angebracht. Der Messelektronikblock 1204 ist mit der MEMS-Struktur 1201 verbunden. Der Messelektronikblock 1204 ist dafür ausgelegt, eine sich ändernde Spannung über die Membran 1211 und die Rückplatte 1221 zu messen. Schallsignale, welche auf die Membran fallen, bewirken, dass die Membran ausgelenkt wird. Die sich ergebenden Änderungen in einem Spaltabstand, der die Membran 1211 und die Rückplatte 1221 trennt, spiegeln sich in der sich über die beiden Elemente ändernden Spannung wider. Der Messelektronikblock 1204 verarbeitet dieses sich ändernde Spannungssignal, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, welches die Audioinformationen der einfallenden Schallwelle enthält.
Gemäß der spezifischen Ausführungsform aus 12 weist die Membran 1211 eine einstellbare Ventilationsöffnung 1208 auf. Die Membran 1211 trennt einen Raum 1205 mit einem Druck A von einem Raum 1206 mit einem Druck B. Die einstellbare Ventilationsöffnung 1208 gemäß einer Ausführungsform besteht aus einem Ausleger. Die einstellbare Ventilationsöffnung 1208 wird mechanisch betätigt, um infolge einer großen Druckdifferenz von A nach B oder umgekehrt zwischen den Räumen 1205 und 1206 auszulenken. Für Drucksignale in einem Messbereich der MEMS-Struktur 1201 wird die einstellbare Ventilationsöffnung 1208 nur sehr wenig oder gar nicht ausgelenkt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die MEMS-Struktur 1201 ein Substrat aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Substrat die Tragstruktur 1202 oder ein getrenntes Substrat sein. Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Tragstruktur eine gedruckte Leiterplatte (PCB) oder eine Kunststoff- oder Laminatstruktur als Teil des Vorrichtungsgehäuses sein.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann die Schallöffnung 1207 Zugang zur Membran 1211 im Raum 1205 entgegengesetzt zur Seite mit der Rückplatte 1221 bereitstellen oder kann die Schallöffnung 1207 Zugang zur Membran 1211 im Raum 1206 auf derselben Seite wie die Rückplatte 1221 (beispielsweise durch die Deckelstruktur 1203) bereitstellen. Gemäß dieser spezifischen Ausführungsform wäre der Raum 1205 versiegelt und wäre die Schallöffnung 1207 in der Tragstruktur 1202 nicht vorhanden.
Die bisher erörterten Ausführungsformen umfassen die einstellbare Ventilationsöffnung in der Membran. Dies ist lediglich ein möglicher Ort. Wie mit Bezug auf die 13a - 13d beschrieben wird, kann sich die Ventilationsöffnung auch in anderen Teilen der Vorrichtung befinden.
13a zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine einstellbare Ventilationsöffnung 1208 in eine Tragstruktur 1202 aufgenommen ist. In diesem Fall wird die einstellbare Ventilationsöffnung 1208 durch eine Druckdifferenz zwischen einem Raum 1205 und einem Raum 1206 betätigt. Wenngleich eine Membran 1211 in einer MEMS-Struktur 1201 überhaupt keine Ventilationsöffnungen bereitstellen kann, stellt die einstellbare Ventilationsöffnung 1208 in der Tragstruktur 1202 eine Verringerung des Drucks bereit, die erforderlich ist, um die Probleme der drei zuvor beschriebenen Fälle zu lösen. Als Teil der Tragstruktur 1202 ist es, falls erforderlich, möglich, die einstellbare Ventilationsöffnung 1208 größer zu machen als wenn sie ein Teil der Membran 1211 wäre. Die Größe des Lochs kann von 0,1 bis 1 mm reichen und in der Querschnittsform (beispielsweise kreisförmig, rechteckig, quadratisch) variieren.
13b zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Vorrichtungsgehäuse 1200, wobei eine einstellbare Ventilationsöffnung 1208 in eine Deckelstruktur 1203 aufgenommen ist. Ähnlich 13a stellt die einstellbare Ventilationsöffnung 1208 eine Verringerung des Drucks zwischen einem Raum 1205 und einem Raum 1206 bereit. Die sich in der Deckelstruktur 1203 befindende einstellbare Ventilationsöffnung 1208 könnte viele Abmessungen und Konfigurationen annehmen. Das Anordnen der Öffnung 1208 in der Deckelstruktur 1203 stellt den Vorteil eines einfachen Zugangs am Oberteil des Vorrichtungsgehäuses 1200 bereit.
13c zeigt eine Ausführungsform der Erfindung durch einen Querschnitt einer MEMS-Struktur 1201. Die MEMS-Struktur 1201 weist eine Rückplatte 1221, eine Membran 1211, eine Abstandsschicht 1209 und eine Tragstruktur 1202 auf. Gemäß einer Ausführungsform ist eine einstellbare Ventilationsöffnung 1208 an der Rückplatte 1221 aufgenommen. Die Rückplatte 1221 weist auch Rückplattenperforationslöcher 1210 auf. Die Membran 1211 trennt einen Raum 1205 mit einem Druck A von einem Raum 1206 mit einem Druck B. Die einstellbare Ventilationsöffnung 1208 kann einen Weg bereitstellen, um eine Druckdifferenz von A im Raum 1205 zu B im Raum 1206 zu verringern, falls diese Druckdifferenz groß ist. Das Verhalten der passiven einstellbaren Ventilationsöffnung 1208 wird durch die drei vorstehend erklärten Fälle beschrieben. Beim typischen Messen bleibt die passive einstellbare Ventilationsöffnung 1208 geschlossen. Die Abstandsschicht 1209 kann beliebige Materialien aufweisen. Gemäß einigen Ausführungsformen könnte die Abstandsschicht 1209 aus Silicium, Oxid, Polymer oder einem Verbundmaterial bestehen. Gemäß einer Ausführungsform weist die Tragstruktur 1202 ein Substrat auf. Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die Tragstruktur 1202 eine gedruckte Leiterplatte (PCB) auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Tragstruktur 1202 einen Kunststoff oder ein Laminatmaterial auf.
13d zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, welche ein Gehäuse 1230 aufweist. Das Gehäuse 1230 umfasst ein Vorrichtungsgehäuse 1200, eine Schallöffnung 1207, eine Druckumgehungsöffnung 1237 sowie eine einstellbare Ventilationsöffnung 1238. Das Vorrichtungsgehäuse weist eine MEMS-Struktur 1201, eine Tragstruktur 1202, eine Deckelstruktur 1203 sowie einen Messelektronikblock 1204 auf. Die MEMS-Struktur 1201 weist eine Rückplatte 1221 und eine Membran 1211 auf. Die Membran trennt einen Raum 1205 mit einem Druck A von einem Raum 1206 mit einem Druck B. Die einstellbare Ventilationsöffnung 1238 trennt den Raum 1205 von einem Raum 1236 mit einem Druck C. Eine Kombination der Druckumgehungsöffnung 1237 und der einstellbaren Ventilationsöffnung 1238 stellt einen Weg für in die Schallöffnung 1207 im Raum 1205 eintretende Signale mit einer großen Druckdifferenz zwischen A im Raum 1205 und B im Raum 1206 oder C im Raum 1236 bereit, die in den Raum 1236 hinein zu verringern ist. Diese Ausführungsform zeigt, dass es nicht erforderlich ist, dass die einstellbare Ventilationsöffnung in die Vorrichtung oder die MEMS-Struktur aufgenommen wird, sondern dass sie in verschiedenen Anwendungen als Teil des Gehäuses wirksam funktionieren kann.
Die 14a und 14b zeigen eine alternative Ausführungsform, welche eine MEMS-Struktur 1400 aufweist. 14a zeigt eine Draufsicht der Struktur 1400, welche eine Membran 1401 aufweist, die um den Umfang herum durch eine Feder getragen wird. Die Feder besteht aus der Membran 1401, wobei Schlitze 1402 aus ausgewählten Abschnitten entfernt sind. Wie dargestellt, ist der Ausleger von einem federförmigen Spalt umgeben, so dass zumindest zwei Abschnitte des Spalts an ein Gebiet (in diesem Fall jede Seite) des Auslegers angrenzen. Wenngleich die Schlitze als durch quadratische Ecken verbunden dargestellt sind, könnten diese Ecken alternativ auch abgerundet sein.
14b zeigt eine Schnittansicht eines Querschnitts 14b in 14a, wenn sich die Lüftungsöffnung in einer geöffneten Position befindet. Die Membran 1401 trennt den Raum 1406 mit einem Druck A von einem Raum 1407 mit einem Druck B. Die Breite der Schlitze 1402 ist durch einen Öffnungsspalt 1404 gegeben. Die Membran 1401 ist an einem Substrat 1405 angebracht. In 14b ist die Membran in einer großen Auslenkung dargestellt, wobei der Druck A im Raum 1406 viel größer ist als der Druck B im Raum 1407. In diesem Fall einer hohen Druckdifferenz ist die Membran 1401 weiter als ihre Dicke ausgelenkt, wodurch eine stark erhöhte Ventilation bereitgestellt ist.
Die 12, 13a - 13d und 14a - 14b zeigen die Erfindung in einer Anzahl von Ausführungsformen mit der ausdrücklichen Absicht hervorzuheben, dass eine einstellbare Ventilationsöffnung in einen beliebigen Teil einer MEMS-Struktur, eines Vorrichtungsgehäuses, einer Verkapselung, eines Substrats oder in einen beliebigen Teil des Gesamtsystems aufgenommen werden kann. In diesen Beispielen trennt die einstellbare Ventilationsöffnung einen ersten Raum, der in Kontakt mit einer Membran steht, von einem zweiten Raum, der gewöhnlich in Kontakt mit einer entgegengesetzten Seite der Membran steht. Der zweite Raum braucht jedoch nicht in Kontakt mit der entgegengesetzten Seite der Membran zu stehen.
Wie Fachleute verstehen werden, wird eine einstellbare Ventilationsöffnung häufig für eine bessere Funktionsweise in den drei vorstehend beschriebenen Fällen mehrere einstellbare Ventilationsöffnungen umfassen. Demgemäß umfassen spezifische Ausführungsformen der Erfindung mehrere einstellbare Ventilationsöffnungen, die in beliebigen der vorstehend beschriebenen Strukturen oder in beliebigen Kombinationen der vorstehend beschriebenen Strukturen enthalten sind (beispielsweise Membranen, Rückplatten, Substrate, Tragstrukturen, Deckelstrukturen, Gehäuse, Kapselungen usw.).
Wenngleich die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile detailliert beschrieben wurden, ist zu verstehen, dass verschiedene Änderungen, Substitutionen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und vom Schutzumfang der durch die anliegenden Ansprüche definierten Erfindung abzuweichen.

Claims

MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201), welche Folgendes aufweist: eine Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221), eine Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211), die um einen Spaltabstand (904) von der Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221) beabstandet ist, und eine einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238), welche sich auf der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) befindet und die dafür ausgelegt ist, eine Druckdifferenz zwischen einem ersten Raum (905), der in Kontakt mit einer ersten Seite der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) steht, und einem zweiten Raum (906), der in Kontakt mit einer entgegengesetzten zweiten Seite der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) steht, zu verringern, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) als Funktion der Druckdifferenz zwischen dem ersten Raum (905) und dem zweiten Raum (906) passiv betätigt wird und dünner als ein anderer Abschnitt der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) ist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 1, wobei sich die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) in einem Gebiet in der Nähe einer Kante und angrenzend an ein Rückplattenfenster (922) auf der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) befindet.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 1, wobei sich eine weitere einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) auf der Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221) befindet.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 1, wobei die Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221) mechanisch mit einem Substrat (410, 510, 610, 710, 1405) verbunden ist und sich eine weitere einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) auf dem Substrat (410, 510, 610, 710, 1405) befindet.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 1, wobei die Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221) mechanisch mit einem Substrat (410, 510, 610, 710, 1405) verbunden ist und das Substrat (410, 510, 610, 710, 1405) mechanisch mit einer Tragstruktur (1202) verbunden ist, wobei sich eine weitere einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) auf der Tragstruktur (1202) befindet.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 1, wobei der erste Raum (905) in ein Vorrichtungsgehäuse (1200) eingeschlossen ist und sich eine weitere einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) am Vorrichtungsgehäuse (1200) befindet.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 1, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) einen Ausleger (1011) aufweist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 1, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) eine von mehreren einstellbaren Ventilationsöffnungen (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) ist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201), welche Folgendes aufweist: eine Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221), eine Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211), die um einen Spaltabstand (904) von der Rückplatte (120, 250, 252, 350, 338, 450, 540, 640, 740, 902, 1221) beabstandet ist, und eine einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) mit einem Ausleger (1011) auf der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211), wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) dafür ausgelegt ist, eine Druckdifferenz zwischen einem ersten Raum (905), der in Kontakt mit der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) steht, und einem zweiten Raum (906), der in Kontakt mit einer entgegengesetzten Seite der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) steht, zu verringern, wobei der Ausleger (1011) dünner als ein anderer Abschnitt der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) ist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) als Funktion der Druckdifferenz zwischen dem ersten Raum (905) und dem zweiten Raum (906) passiv betätigt wird.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei der Ausleger (1011) eine Spitze aufweist, welche um einen Abstand, der größer als das Vierfache des Spaltabstands (904) ist, aus der Ebene der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) ausgelenkt wird.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei der Spaltabstand (904) kleiner als 3 µm ist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 12, wobei der Ausleger (1011) eine Länge zwischen 10 µm und 150 µm aufweist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei das Verhältnis zwischen der Länge des Auslegers (1011) und dem Spaltabstand (904) größer als 3 ist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei sich der Ausleger (1011) in einem Gebiet in der Nähe einer Kante und angrenzend an ein Rückplattenfenster (922) auf der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) befindet.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei der Ausleger (1011) von restlichen Abschnitten der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) durch einen U-förmigen Spalt (239, 1104, 1404) getrennt ist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 16, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) eine quadratische flexible Struktur (913) aufweist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 16, wobei der U-förmige Spalt (239, 1104, 1404) Öffnungsabschnitte aufweist, die sich von oberen Abschnitten (237, 332, 465) des Spalts (239, 1104, 1404) fort erstrecken.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 18, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) an den oberen Abschnitten (237, 332, 465) des Spalts (239, 1104, 1404) gekrümmte Öffnungen (903, 1125, 1208) aufweist.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) ineinandergreifende flexible Strukturen (913) aufweist, die durch einen serpentinenförmigen Öffnungsspalt (1104, 1404) getrennt sind.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) zwei flexible Strukturen (913) aufweist, die jeweils durch einen U-förmigen Spalt (239, 1104, 1404) von restlichen Abschnitten der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) getrennt sind, wobei sich die beiden flexiblen Strukturen (913) in entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach Anspruch 9, wobei der Ausleger (1011) von einem federförmigen Spalt umgeben ist, so dass mindestens zwei Abschnitte des Spalts an ein Gebiet des Auslegers (1011) angrenzen.
MEMS-Vorrichtung (100), welche Folgendes aufweist: eine MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder 9 bis 22, ein Gehäuse (1230), welches die MEMS-Struktur (400, 500, 600, 700, 900, 1201) einschließt, eine Schallöffnung (1207), welche akustisch mit der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) gekoppelt ist, und eine einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) im Gehäuse (1230), die dafür ausgelegt ist, eine Druckdifferenz zwischen einem in Kontakt mit der Membran (130, 230, 330, 430, 530, 630, 730, 901, 1211) stehenden ersten Raum (905) und einem zweiten Raum (906) zu verringern.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 23, wobei das Gehäuse (1230) einen Deckel (1203) aufweist und sich die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) im Deckel (1203) befindet.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 23, wobei das Gehäuse (1230) ein Substrat (410, 510, 610, 710, 1405) aufweist und sich die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) im Substrat (410, 510, 610, 710, 1405) befindet.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 23, wobei das Gehäuse (1230) eine gedruckte Leiterplatte aufweist und sich die einstellbare Ventilationsöffnung (238, 338, 46, 538, 638, 738, 903, 111, 1120, 1130, 1150, 1160, 1208, 1238) in der gedruckten Leiterplatte befindet.