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Die Erfindung betrifft kompakt bauende, aber leistungsfähige MEMS-Module.
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MEMS(MEMS = Micro-Electro-Mechanical System)-Module eignen sich überall dort zur Verwendung, wo relativ komplexe technische Aufgabenstellungen gelöst werden sollen, aber nur wenig Platz zur Verfügung steht. In mobilen Kommunikationsgeräten z. B. können MEMS-Module als Umgebungsdruck-Sensoren, als Beschleunigungssensoren oder als akustische Sensoren wie Mikrofone Verwendung finden.
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Aus der Patentschrift
US 8,169,041 sind z. B. gehäuste MEMS-Mikrofone bekannt, das Gehäuse unter Zuhilfenahme laminierter Folien gebildet wird.
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Es gibt moderne Kommunikationsgeräte und tragbare Computer, die mehrere Mikrofone umfassen, um mittels Signalverarbeitung eine Reduktion von Störsignalen zu erreichen. Dabei werden einzelne Mikrofon-Bauelemente im entsprechenden Gerät verbaut und über Signalleitungen in die Mikrofon-Bauelemente beherbergenden Geräte verschaltet.
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Die Verwendung einer Vielzahl einzelner Bauelemente in einem Gerät verursacht erhöhte Kosten, einen relativ hohen Platzverbrauch und hat eine aufwändigere und platzintensivere sowie fehleranfälligere Verschaltung zur Folge.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Modul als Bauelement anzugeben, das geringere Kosten in Herstellung, Montage und Verschalten verursacht, das eine Verkleinerung von Geräten erleichtert und dabei zusätzliche Funktionen bietet.
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Diese Aufgabe wird durch ein Multi-MEMS-Modul nach Anspruch 1 gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen an.
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Das Multi-MEMS-Modul umfasst ein Gehäuse mit einem Innenraum und einer ersten und einer zweiten Öffnung. Das Modul umfasst ferner einen ersten MEMS-Chip, der akustisch an die erste Öffnung gekoppelt ist, und einen zweiten MEMS-Chip, der akustisch an die zweite Öffnung gekoppelt ist. Ferner ist im Multi-MEMS-Modul ein ASIC-Chip (ASIC = Application Specific Integrated Circuit) enthalten. Teil des Moduls ist ebenfalls eine Schaltung mit Signalleitungen, die die beiden MEMS-Chips mit dem ASIC-Chip verschalten.
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Als Modul wird dabei ein Bauelement bezeichnet, das mehrere Komponenten – hier nämlich zumindest ein Gehäuse und drei Chips – umfasst und durch elektrische bzw. elektromechanische Bauelementstrukturen bestimmte Aufgaben erfüllt und mit einer externen Schaltungsumgebung verschaltet werden kann.
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Als Öffnung wird eine Verbindung des Inneren des Bauelements mit der Umgebung des Bauelements verstanden, über die z. B. ein Teilchenaustausch des Moduls mit seiner Umgebung möglich ist. Es ist aber auch möglich, dass die Öffnung hermetisch dicht ist, solange Informationen z. B. über Luftdruckänderungen bzw. Schall durch die Öffnung in das Innere des Gehäuses weitergeleitet werden können. Die Öffnung kann dabei eine Gitterstruktur umfassen, die das Innere des Moduls vor Gegenständen oder Partikeln in der Umgebung des Moduls schützt. Die Öffnung kann aber auch eine Abdeckung wie beispielsweise eine Membran umfassen, sodass Schallinformationen in das Innere des Moduls eindringen können, während schädliche Einflüsse wie Feuchtigkeit oder Staub am Eintritt gehindert werden. Im einfachsten Fall ist die Öffnung allerdings einfach nur als Loch oder Kanal im Gehäuse des Moduls ausgeführt.
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Da der erste MEMS-Chip akustisch an die erste Öffnung gekoppelt ist, können Luftdruckschwankungen oder Schallwellen direkt auf den ersten MEMS-Chip im Modul wirken. Der erste MEMS-Chip kann dabei direkt und in unmittelbarer Nähe zur ersten Öffnung im Innenraum des Gehäuses, in der ersten Öffnung selbst oder an der Außenseite des Gehäuses angeordnet sein. Das Gleiche gilt für den zweiten MEMS-Chip und die zweite Öffnung. In jedem Fall können die beiden MEMS-Chips via die zwei Öffnungen Druckunterschiede im Umgebungsdruck des Moduls feststellen. Dadurch, dass die einzelnen Chips unterschiedlichen Öffnungen zugeordnet sind, und dadurch, dass Schallwellen bzw. Druckunterschiede in einem Gasgemisch endliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten haben, können die beiden Chips aufgrund des entsprechenden Laufzeitunterschieds unterschiedliche elektrische Antwortsignale erzeugen. Durch die Auswertung dieser Antwortsignale in dem ASIC-Chip kann dann ein resultierendes Signal verbesserter Qualität ermittelt oder Hinweise auf die Ursprungsrichtung des Schallsignals errechnet werden.
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Die Schaltung mit den Signalleitungen kann eine Verschaltung der MEMS-Chips untereinander sowie eine Verschaltung jedes einzelnen MEMS-Chips mit dem ASIC-Chip umfassen, ohne, dass die MEMS-Chips direkt miteinander verschaltet sein müssen.
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Die Signalleitungen können dabei Informationsleitungen und/oder Versorgungsleitungen sein, über die Bauelementstrukturen der MEMS-Chips mit einer Versorgungsspannung oder einem Strom bedient werden.
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Im Gegensatz zu bisherigen Lösungen mit einzelnen Mikrofonen, von denen jedes einen eigenen ASIC-Chip aufweist, in einem Gerät wird nun ein Multi-MEMS-Modul angegeben, in dem zumindest zwei MEMS-Chips und ein ASIC-Chip mit einer Auswertschaltung für die Signale der MEMS-Chips angegeben sind. Das vorliegende Modul weist dabei im Allgemeinen kompaktere Ausmaße als zwei einzelne MEMS-Bauelemente und eine vereinfachte elektrische Verschaltung derselben auf. Ebenfalls ist lediglich ein einziger ASIC-Chip zur Verarbeitung der elektrischen Signale der MEMS-Chips notwendig. Ferner ist das Ermitteln von Ursprungsrichtungen von Schall oder Luftdrucksänderungen trotz der durch die kleine Baugröße geringen Laufzeitunterschiede möglich. Die Eigenschaften sind verbessert, da der Mikrofonhersteller die MEMS-Chips besser auf den paarweisen Parameter-Gleichlauf, z.B. für die stereophone oder richtungsabhängige Schallauswertung, selektieren kann als dies der Gerätehersteller bei den einzelnen Mikrofonen vermag.
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In einer Ausführungsform ist das Multi-MEMS-Modul als MEMS-Mikrofon zur stereofonen Schallauswertung ausgebildet. Dann umfassen die beiden MEMS-Chips elektroakustische Wandler. Ein solcher Wandler kann eine flexible Membran sowie eine relativ starre Rückplatte (englisch: backplate) umfassen. Die Membran und die Rückplatte können über den ASIC-Chip mit einer elektrischen Ladung beaufschlagt werden und elektrisch gegeneinander isoliert sein. Dadurch stellen sie einen elektrischen Kondensator dar. Reagiert die Membran auf eine Änderung des Luftdrucks, indem sie z. B. durch empfangene Schallwellen zum Schwingen angeregt wird, so ändert sich in zeitlicher Abfolge der Abstand zur Rückplatte, was eine gleichphasige Änderung der Kapazität des Kondensators bewirkt. Über eine Auswertschaltung im ASIC-Chip kann ein empfangenes akustisches Signal somit in ein elektrisches Signal umgewandelt werden.
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In einer Ausführungsform umfasst das Modul ein erstes Rückvolumen, das akustisch an den ersten MEMS-Chip gekoppelt ist. Es ist möglich, dass das erste Rückvolumen ausschließlich an den ersten MEMS-Chip gekoppelt ist oder dass es auch an den zweiten MEMS-Chip gekoppelt ist.
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Ein Rückvolumen, das im Allgemeinen so groß wie möglich ausgestaltet werden sollte, ist vorteilhaft, damit die flexible Membran in ihrer Bewegungsfreiheit möglichst wenig durch einen Gegendruck, der vom Innenraum des Moduls auf die Membran wirkt, eingeschränkt ist. Der Gegendruck wird dabei durch die Kompression des im Innenraum des Moduls vorhandenen Mediums bewirkt und ist umso stärker, je größer der Membranhub im Vergleich zum Rückvolumen ist.
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In einer Ausführungsform umfasst das Multi-MEMS-Modul ein zweites Rückvolumen, das akustisch an den zweiten Chip gekoppelt und vom ersten Chip isoliert ist. In dem Fall reagiert der erste Chip auf akustische Signale, die ihn durch die erste Öffnung erreichen. Akustische Signale, die an der zweiten Öffnung empfangen werden, wirken auf den zweiten MEMS-Chip. Das erste Rückvolumen und das zweite Rückvolumen sind akustisch entkoppelt, d. h. Druckunterschiede im ersten Rückvolumen wirken sich nicht nachteilhaft auf den zweiten MEMS-Chip aus, während Druckunterschiede im zweiten Rückvolumen sich nicht negativ auf den ersten MEMS-Chip auswirken. Die Chips reagieren also ausschließlich auf die über die entsprechenden Öffnungen eintretenden akustischen Signale und stören sich nicht gegenseitig. Zur Entkopplung der Rückvolumina sind im Innenraum des Modulgehäuses entsprechende Vorkehrungen, z. B. Trennwände, vorgesehen.
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In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse ein einlagiges Trägersubstrat mit einer Signalleitung an seiner Oberseite und/oder seiner Unterseite. Es ist allerdings auch möglich, dass das Gehäuse ein mehrlagiges Trägersubstrat mit Signalleitungen an seiner Unterseite, an seiner Oberseite und/oder in internen Metallisierungslagen in Zwischenschichten des Trägersubstrats umfasst.
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Es ist bekannt, dass die durch einen Gegendruck im Rückvolumen verursachten Signalstörungen umso größer sind, je kleiner das Rückvolumen ist. Integriert man allerdings mehr als einen MEMS-Chip in einem Modul, so ergibt sich nicht nur das Problem, ein möglichst großes Rückvolumen im Gehäuse anzuordnen. Vielmehr müssen zwei Rückvolumina vorgesehen werden, die sich vorzugsweise nicht gegenseitig beeinflussen, die also akustisch entkoppelt sind. Die entsprechend für die Entkopplung vorgesehenen Trennwände verursachen dabei weitere Schwierigkeiten beim Entwickeln eines akustisch aktiven MEMS-Moduls:
Die MEMS-Chips sind einerseits akustisch voneinander zu entkoppelt, während sie andererseits elektrisch zumindest über einen gemeinsamen ASIC-Chip miteinander verschaltet werden müssen. Signalleitungen, die die akustische Barriere überwinden, sind also notwendig. Es wurde herausgefunden, dass solche Signalleitungen an einer Oberseite oder in Zwischenlagen eines Trägersubstrats angeordnet werden können und damit einerseits eine gute elektrische Verschaltung erreicht und andererseits eine gute akustische Entkopplung der akustisch aktiven Bauelemente aufrecht erhalten werden kann. Die Signalleitungen können dabei zumindest abschnittsweise als Bonddrähte oder als strukturierte Metallisierungen und – wenn verschiedene Strukturen in unterschiedlicher vertikaler Höhe verbunden werden müssen – als Durchkontaktierung oder Via ausgeführt sein.
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In einer Ausführungsform umfasst das Multi-MEMS-Modul eine Kappe. Die Kappe ist Teil des Gehäuses und kann auf einem Trägersubstrat aufliegen. Die Kappe und das Trägersubstrat umschließen dabei im Wesentlichen ein Rückvolumen, z. B. das erste Rückvolumen für den ersten MEMS-Chip.
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Ferner ist es möglich, dass in einem Trägersubstrat, welches einen Teil des Gehäuses darstellt, eine Vertiefung vorgesehen ist, in der ein MEMS-Chip angeordnet ist. Dann kann entweder eine Kappe auf dem Trägersubstrat angeordnet sein und zusammen mit der Vertiefung ein Rückvolumen umschließen. Es ist aber andererseits auch möglich, dass lediglich ein flacher Deckel die Vertiefung mit darin angeordnetem MEMS-Chip abdeckt und trotzdem ein ausreichend großes Rückvolumen gebildet ist.
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Ferner ist es möglich, dass zumindest einer der MEMS-Chips durch eine Folienverkapselung so eingehüllt wird, dass der Chip in seinem eigenen Inneren oder in einem Hohlraum unter der Folienverkapselung ein Rückvolumen aufweist.
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Diese genannten Häusungs-Möglichkeiten zum Bilden eines Rückvolumens können lediglich für einen der beiden MEMS-Chips oder auch für beide MEMS-Chips vorgesehen sein. Es ist also möglich, dass ein entsprechendes Rückvolumen für jeden einzelnen Chip durch eine Kappe, eine Vertiefung oder eine Folienverkapselung gebildet wird, während ein Rückvolumen für den jeweils anderen Chip ebenfalls durch eine Kappe, eine Vertiefung oder eine Folienverkapselung gebildet wird.
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In einer Ausführungsform umfasst das Modul ein erstes Rückvolumen und ein davon akustisch entkoppeltes zweites Rückvolumen. Eine Trennwand zwischen den beiden Rückvolumina ist dabei in einer Kappe als Teil des Gehäuses oder in einer Vertiefung in einem Trägersubstrat als Teil des Gehäuses vorgesehen. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass der ASIC-Chip so zwischen beiden Rückvolumina angeordnet ist, dass er als Entkopplungselement Teil der entsprechenden akustischen Barriere zwischen den Rückvolumina dient.
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Dabei ist es möglich, dass Grenzflächen zwischen Substrat und Trennwand als Teil der Kappe oder zwischen Kappe und Trennwand als Teil des Substrats durch einen Kleber oder eine Lotschicht abgedichtet sind. Ist der ASIC-Chip Teil des entkoppelnden Elements, so kann auch der ASIC-Chip über eine Klebverbindung oder eine Lötverbindung mit Teilen der Trennwand, des Substrats oder der Kappe verbunden sein.
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In einer Ausführungsform ist zumindest eine der beiden Öffnungen an der Unterseite des Moduls in einem Trägersubstrat, an der Oberseite des Moduls in einer Kappe oder in einer Folienverkapselung oder an einer Seitenwand des Moduls in einer Kappe oder einer Folienverkapselung gebildet.
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Hat das Modul seine Öffnungen an der Oberseite, so spricht man von einem Top Port-Modul. Befinden sich seine Öffnungen an der Unterseite, so spricht man von einem Bottom Port-Modul. Je nachdem, in welcher Orientierung das Modul in einer externen Schaltungsumgebung verschaltet und angeordnet ist, kann eine Ausgestaltung als Top Port-Modul oder als Bottom Port-Modul vorteilhaft sein. Die Tatsache, dass das Modul zwei Öffnungen und entsprechend zwei damit assoziierte MEMS-Chips umfasst, wird dadurch nicht beeinflusst. Die Orientierung der MEMS-Chips innerhalb des Moduls wird vorteilhafterweise so gewählt, dass eine gute Signalqualität bei minimierter gegenseitiger Beeinflussung und maximalem Rückvolumen erhalten wird.
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In einer Ausführungsform dichtet der erste MEMS-Chip die erste Öffnung von innen ab. Der zweite MEMS-Chip dichtet die zweite Öffnung von innen ab. Das Gehäuse umfasst ein Trägersubstrat und eine Kappe mit einem Quersteg zur akustischen Entkopplung der beiden MEMS-Chips. Signalleitungen zwischen den MEMS-Chips und dem ASIC-Chip sind zumindest abschnittsweise auf der Oberfläche des Trägersubstrats und unter dem Quersteg oder durch eine Zwischenlage im Trägersubstrat geführt.
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Da der erste MEMS-Chip die erste Öffnung von innen abdichtet, kann quasi auf einen akustischen Kanal, der ansonsten die akustischen Signale von der ersten Öffnung zum ersten MEMS-Chip führen müsste, verzichtet werden. Es ist also möglich, dass das Modul ein mehr oder weniger dickes Trägersubstrat mit der ersten Öffnung darin umfasst und der erste MEMS-Chip im Innenraum des Moduls direkt auf dem Trägersubstrat oberhalb der Öffnung aufsitzt. Das Gleiche gilt entsprechend für den zweiten MEMS-Chip und die zweite Öffnung. Die Kappe ist auf dem Trägersubstrat angeordnet und dichtet mit dem Trägersubstrat ringsum so ab, dass im Inneren gebildete Rückvolumina außer über die entsprechenden beiden Öffnungen keinen Kontakt zur Umgebung des Moduls haben. In der Kappe ist ein Quersteg angeordnet und damit Teil der Kappe, wobei der Quersteg im Wesentlichen das Innere des Moduls in das erste Rückvolumen und das zweite Rückvolumen unterteilt. Der Quersteg ist dabei so massiv ausgeführt, dass Schallwellen des zweiten Rückvolumens den ersten MEMS-Chip nicht erreichen und umgekehrt. Dazu schließt der Quersteg auch zumindest teilweise mit der Oberfläche des Trägersubstrats oder gegebenenfalls mit der Oberseite des ASIC-Chips, sollte dieser im Bereich des Querstegs liegen, dicht ab. Dann ist auch die Unterseite des ASIC-Chips akustisch abgedichtet mit der Oberseite des Trägersubstrats verbunden.
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Die problematische Verschaltung der MEMS-Chips miteinander oder mit dem ASIC-Chip kann dann als Metallisierung an einer Außenseite des Trägersubstrats oder in einer in Mittel- bzw. Innenlage des Trägersubstrats realisiert sein. Eine solche als strukturierte Metallisierung ausgeführte Signalleitung hat eine extrem geringe Bauhöhe, sodass sie leicht unter dem Quersteg hindurchgeführt werden kann, ohne die akustische Entkopplung zu gefährden.
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In einer Ausführungsform umfasst das Gehäuse des Moduls ein Trägersubstrat, auf dessen Oberseite die MEMS-Chips angeordnet sind. Der ASIC-Chip ist entweder auf der Oberseite des Trägersubstrats angeordnet oder im Trägersubstrat eingebettet. Ist der ASIC-Chip auf der Oberseite des Trägersubstrats angeordnet, ist es vorteilhaft, ihn so zwischen den MEMS-Chips anzuordnen, dass er als Teil der akustischen Barriere fungiert. Ein entsprechender Quersteg in der Kappe oder eine anderweitig realisierte akustische Barriere kann entsprechend vereinfacht und mit weniger Material ausgeführt realisiert sein.
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In einer Ausführungsform umfasst das Multi-MEMS-Modul vier MEMS-Chips. So sind zusätzlich zu dem ersten und dem zweiten MEMS-Chip zwei weitere MEMS-Chips vorgesehen. Der erste, der zweite und die zwei weiteren MEMS-Chips sind, z. B. in einer Ebene liegende, um den ASIC-Chip angeordnet. Zumindest zwei der MEMS-Chips verschließen eine Öffnung des Moduls von innen, z. B. indem sie auf einem Trägersubstrat mit Loch darin als Öffnung angeordnet sind.
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Es ist ferner möglich, dass das Modul zwei weitere Öffnungen umfasst, die den entsprechenden anderen MEMS-Chips zugeordnet sind und die an der Oberseite des Moduls, z. B. in einer Kappe oder in einer Folienverkapselung, angeordnet sind. Dann können die oberen beiden Öffnungen Schall besonders gut empfangen, der von einer Quelle oberhalb des Moduls stammt, während die anderen beiden Öffnungen Schall empfangen, der von einer Quelle unterhalb des Moduls stammt.
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Seitliche Öffnungen sind ebenfalls möglich, sodass Module erhalten werden können, die unabhängig von ihrer Orientierung zu verschiedenen Schallwellen Schall immer einerseits gut empfangen und andererseits Rückschlüsse auf den Ort des Ursprungs des Schalls zulassen können.
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Die vier Chips können an den vier Eckpunkten eines gedachten Quadrats, oder allgemeiner: an den vier Eckpunkten eines Rechtecks, um den ASIC-Chip angeordnet sein.
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In einer Ausführungsform umfasst der ASIC-Chip des Moduls Schaltkreise zur Spannungsversorgung und Signalverstärkung für alle MEMS-Chips des Moduls.
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Im Gegensatz zu konventionellen Lösungen mit einer Vielzahl einzelner Bauelemente und gegebenenfalls zusätzlichen ASIC-Chips genügt nun ein einziger ASIC-Chip zur Spannungsversorgung und Signalauswertung aller MEMS-Chips, sodass Platz und Kosten eingespart werden und die Signalverarbeitung zentral geschieht. Die Konstellation der MEMS-Chips relativ zueinander ist dabei schon beim Entwickeln des Multi-MEMS-Moduls bekannt, sodass schon seitens der Entwickler des Moduls optimal arbeitende Signal verarbeitende Algorithmen entwickelt werden können, die die spezifische geometrische Anordnung der Chips zueinander berücksichtigen.
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In einer Ausführungsform umfasst das Modul zumindest eine äußere Hülle, die mechanisch so stabil ist, dass das Modul gut gegen äußere Einflüsse geschützt ist. Das Modul kann ferner eine Metallisierungslage auf seiner Oberfläche umfassen, die höchstens durch Metallisierungs-Pads zur Kontaktierung mit einer externen Schaltungsumgebung unterbrochen ist, sodass eine gute Schutzwirkung vor elektromagnetischen Störungen erhalten wird. Die Kontaktflächen zur Verschaltung mit einer externen Schaltungsumgebung können dabei durch SMT-Lötpads (SMT = Surface Mounted Technology) oder durch Bondpads realisiert sein. Ferner kann das Modul eine Umverdrahtungslage aufweisen, um an eine Vielzahl unterschiedlicher Schaltungstopologien einer externen Schaltungsumgebung angepasst werden zu können.
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Verlaufen Signalleitungen von oder zu extrem hochohmig ausgeführten MEMS-Chips direkt an einer Oberseite oder in Metallisierungslagen innerhalb eines Trägersubstrats, so weist das Trägersubstrat vorzugsweise eine besonders geringe elektrische Leitfähigkeit auf. Ebenfalls weisen alle Materialien, die nicht zur Leitung elektrischer Signale vorgesehen sind und in direktem Kontakt mit den Signalleitungen stehen, eine geringe Leitfähigkeit, also einen hohen spezifischen Widerstand, auf. Allerdings ist es auch möglich, relativ günstige Substratmaterialien zu verwenden. Dann können zusätzliche Leiterstrukturen, die die Signalleitungen in zwei oder drei Dimensionen räumlich umgeben, vorgesehen sein und auf einem Massepotenzial für eine verbesserte elektrische Abschirmung liegen.
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Noch vorteilhafter ist es, diese umgebenden Leiterstrukturen mit dem gleichen Potenzial wie dasjenige der Signalleitungen, jedoch aus einer Quelle niedrigerer Impedanz, zu beaufschlagen. Somit wird eine elektrische Schutzstruktur („Guarding“) erhalten.
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Ein Substrat mit besonders hohem Isolationsgrad ist beispielsweise ein Substrat, welches eine Keramik umfasst.
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Die Chips können auf einem Trägersubstrat aufgeklebt oder mittels einer Lotverbindung mit dem Substrat verbunden sein. Es ist auch möglich, dass die Chips in Flip-Chip-Technik mit Anschlusspads an der Oberfläche des Substrats verlötet sind. Der ASIC-Chip kann so beispielsweise über eine Bump-Verbindung mit Anschlussflächen an der Oberseite des Substrats verbunden sein. Auch die Kappe kann mit Klebstoff oder einem Lotmaterial mit der Oberseite des Substrats verbunden sein.
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Sind die Chips in Flip-Chip-Technologie auf einem Trägersubstrat angeordnet, so eignen sich Folienlaminatverkapselungen gut, die über die Rückseiten der entsprechenden Chips aufgebracht sind und dicht mit der Oberseite des Substrats abschließen. Eine Folienlaminatverkapselung kann dabei mehrere Teilschichten, z. B. eine Polymerfolie, eine aufgesputterte metallische Haft- und/oder Galvanik-Startschicht und elektrochemisch abgeschiedene Verstärkungsschichten aus Metall aufweisen. Letztere dienen auch der elektromagnetischen Schirmung. Ferner ist es möglich, eine Polymerfolie vor dem Aufbringen weiterer Teilschichten im Randbereich des Moduls, nämlich dort, wo ein dichter Abschluss zwischen Folie oder einer anderen Form von Verkapselung und Trägersubstrat wünschenswert ist, so abzutragen, dass weitere metallische Teilschichten direkt mit dem Substrat in Verbindung stehen. Dann ist es auch leicht möglich, eine metallische Teilschicht mit Masseanschlusspads auf der Oberseite des Trägersubstrats zu verschalten.
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Der ASIC-Chip kann im Falle einer Flipchip-Montage durch das Aufbringen eines Underfillers zwischen Substrat und Chips akustisch dicht mit dem Substrat verbunden sein.
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Das gesamte Modul kann ferner auch einen Globtop-Verguss aufweisen.
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Zusätzlich zu den bisher genannten MEMS-Chips oder ASIC-Chips kann das Modul weitere Chips, weitere Signalleitungen und weitere Öffnungen und Rückvolumina umfassen, um spezifischere Anforderungen bezüglich einer Schallauswertung zu erfüllen. Besonders bei räumlich komplexen akustischen Störsignalen kann somit ein Multi-MEMS-Modul erhalten werden, das eine bessere Signalqualität als bisherige MEMS-Module liefert.
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Die Anordnung der Chips relativ zueinander bzw. der Öffnungen relativ zueinander und relativ zu den Chips ist vorzugsweise symmetrisch zu Spiegelebenen; Rückvolumina sind vorzugsweise gleich groß und die MEMS-Chips sind vorzugsweise vom gleichen Typ, damit die elektronische Signalaufbereitung erleichtert wird.
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Im Folgenden werden die Grundprinzipien der Erfindung sowie einige mögliche Ausgestaltungsformen, die andere Ausgestaltungsformen nicht ausschließen, schematisch dargestellt. Deshalb wird der Übersichtlichkeit halber teilweise darauf verzichtet, interne Schaltungen, externe Anschlüsse usw. explizit darzustellen.
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Es zeigen:
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1 ein Multi-MEMS-Modul mit zwei MEMS-Chips über jeweils einer Öffnung im Modulgehäuse,
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2 ein Modul mit zwei akustisch entkoppelten Rückvolumina,
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3 ein Modul mit zwei Rückvolumina, wobei jeder Chip nur mit einem einzigen Rückvolumen verbunden ist,
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4 ein Modul, bei dem das Gehäuse durch ein Trägersubstrat und eine Kappe gebildet ist,
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5 ein Modul, bei dem der ASIC-Chip über Bump-Verbindungen mit Anschlusspads auf dem Trägersubstrat verschaltet und verbunden ist,
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6 ein Modul, bei dem entkoppelte Rückvolumina durch wannenförmige Vertiefungen in einem Trägersubstrat gebildet sind,
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7 ein Modul, bei dem der ASIC-Chip in einem Trägersubstrat eingebettet ist,
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8 ein Modul, bei dem das Gehäuse durch ein Trägersubstrat und eine Folienverkapselung gebildet ist,
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9 ein Modul, bei dem die Häusung unter Zuhilfenahme einer Folienverkapselung durchgeführt ist und Teile der Folienverkapselung auch die akustische Entkopplung der Rückvolumina bewirken,
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10 ein Modul mit einer alternativen Ausführungsform einer Folienverkapselung,
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11 ein Modul mit Öffnungen an der Moduloberseite,
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12 ein Modul mit seitlich angebrachten Öffnungen,
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13 ein Modul, bei dem eine Folienverkapselung zwischen MEMS-Chips und dem ASIC-Chip bis auf die Oberseite des Trägersubstrats herabgezogen ist,
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14 zwei verschiedene mögliche Anordnungen der Öffnungen.
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1 zeigt ein Multi-MEMS-Modul MMM mit einem ersten MEMS-Chip MC1 und einem zweiten MEMS-Chip MC2. Der erste MEMS-Chip MC1 ist dadurch an eine erste Öffnung O1 gekoppelt, dass die erste Öffnung O1 ein Loch im Gehäuse G darstellt und der erste MEMS-Chip MC1 direkt auf der Innenseite des Gehäuses über der Öffnung O1 angeordnet ist. Das Gleiche gilt für die akustische Kopplung des zweiten MEMS-Chips MC2 an die zweite Öffnung O2. Sind die zwei MEMS-Chips MEMS-Wandler eines Mikrofons, so umfassen die Chips eine im Allgemeinen perforierte relativ steife Rückplatte und eine flexible und schwingungsfähige Membran, die durch die Einwirkung äußerer Schallwellen in Schwingung versetzt wird. Dadurch, dass die MEMS-Chips akustisch an die entsprechenden Öffnungen gekoppelt sind, können die MEMS-Chips elektrische Signale an die ASIC-Schaltung im ASIC-Chip senden, die spezifisch für die entsprechenden Öffnungen O1, O2 sind.
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Im Innenraum I des Gehäuses G ist ein einziges, nämlich ein erstes, Rückvolumen RV1 gebildet, das ausreichend groß ist, um den Membranen der MEMS-Chips die Möglichkeit zum Schwingen zu geben. Über Signalleitungen SL, die beispielsweise durch Bondverbindungen gebildet sein können, ist eine Schaltung zwischen den MEMS-Chips und dem ASIC-Chip gegeben.
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2 veranschaulicht die Trennung eines ersten Rückvolumens RV1 von einem zweiten Rückvolumen RV2 innerhalb des Gehäuses G. Das erste Rückvolumen RV1 ist an den ersten MEMS-Chip MC1 und zumindest teilweise an den zweiten MEMS-Chip MC2 gekoppelt. Der Grad der Kopplung des ersten Rückvolumens RV1 an den zweiten Chip kann nach Bedarf eingestellt werden, z. b. indem die Lage der akustischen Barriere entsprechend gewählt wird. So ist es möglich, nur das Chipgehäuse oder auch eine im Chip vorhandene Membran ganz, teilweise oder gar nicht anzukoppeln. Das zweite Rückvolumen RV2 ist dabei ausschließlich an den zweiten MEMS-Chip MC2 gekoppelt. Durch die Entkopplung mittels der akustischen Barriere AB wird eine gegenseitige und im Allgemeinen nachteilhafte Beeinflussung der akustisch aktiven Bauelementstrukturen der beiden MEMS-Chips wirkungsvoll vermieden.
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3 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Rückvolumina RV1, RV2 so durch eine akustische Barriere AB voneinander getrennt sind, dass das erste Rückvolumen RV1 ausschließlich mit Bauelementstrukturen des ersten MEMS-Chips MC1, aber nicht mit Bauelementstrukturen des zweiten MEMS-Chips MC2 wechselwirkt. Analog gibt es keine Wechselwirkung zwischen Bauelementstrukturen des ersten MEMS-Chips MC1 und dem zweiten Rückvolumen RV2. Außerdem können sich durch einen möglichen symmetrischen Aufbau gleiche Rückvolumina RV1, RV2 ergeben. Ein symmetrischer Aufbau kann deshalb bevorzugt sein.
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4 zeigt eine Ausführungsform eines Moduls MMM, bei dem das Gehäuse zum Teil durch ein Trägersubstrat TS gebildet ist. Zum anderen Teil ist das Gehäuse durch eine Kappe K gebildet, die auf dem Trägersubstrat TS aufsitzt. Die erste Öffnung O1 und die zweite Öffnung O2 sind durch Schalleintrittsöffnungen, z. B. Löcher, an den entsprechenden Positionen im Trägersubstrat gebildet. Die entsprechenden MEMS-Chips sitzen direkt oberhalb der Öffnung, sodass ein entsprechendes Schallsignal, das der entsprechenden Öffnung zugeordnet werden kann, unmittelbar verarbeitet werden kann. Die Kappe umfasst dabei Querstege QS, die die Rückvolumina, die den MEMS-Chips zugeordnet sind, voneinander trennen. Es wird ferner ein weiteres Volumen gebildet, in dem der ASIC-Chip ASIC angeordnet ist. Die Problematik, dass die den MEMS-Chips zugeordneten Rückvolumina RV1, RV2 voneinander isoliert sein müssen, dass aber andererseits eine elektrische Verschaltung der darin enthaltenen MEMS-Chips notwendig ist, wird durch Signalleitungen SL gelöst, die zumindest teilweise als Metallisierungen ML ausgeführt sind. Die Metallisierungen können an der Oberseite des Trägersubstrats unterhalb der Querstreben durch die akustische Barriere geführt werden. Im vorliegenden Beispiel sind die abschnittsweisen Signalleitungen aber als strukturierte Metallisierungen in Metallisierungslagen ML im Inneren des mehrlagigen Trägersubstrats TS ausgeführt. Dabei sollte das Trägersubstrat einen ausreichend hohen elektrischen spezifischen Widerstand haben, damit eine elektrische Beeinflussung der Signalleitungen möglichst gering gehalten wird. Dies gilt ebenso für Metallisierungen an einer Oberfläche des Moduls. Es wurde herausgefunden, dass ein Trägersubstrat TS, welches keramisches Material umfasst, ausreichend hohe spezifische Widerstände haben kann.
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5 zeigt eine Ausführungsform eines Moduls MMM, bei dem der ASIC-Chip ASIC in Flip-Chip-Anordnung über Bump-Verbindungen BU und über Vias V im Trägersubstrat TS mit den MEMS-Chips verschaltet ist. Die Kappe K ist durch einen Kleber KL oder ein Lotmaterial so dicht mit dem Trägersubstrat TS verbunden, dass die entsprechenden Rückvolumina ausreichend voneinander isoliert sind.
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Für die Verbindung der MEMS-Chips mit dem Substrat und des ASIC-Chips ASIC mit dem Substrat können verschiedene Verbindungsmöglichkeiten oder die gleichen Verbindungsmöglichkeiten in Frage kommen.
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6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Rückvolumina RV1, RV2 der beiden MEMS-Chips MC1, MC2 durch Vertiefungen V1, V2 im Trägersubstrat VS gebildet sind. In diesem Fall genügt ein einfacher Deckel D, der die Vertiefungen V1, V2 so abdeckt, dass die Rückvolumina RV1, RV2 akustisch entkoppelt sind. Signalleitungen zwischen den Chips können durch strukturierte Metallisierungen auf der Oberfläche des Trägersubstrats oder durch Zwischenlagen des Trägersubstrats geführt sein. Der ASIC-Chip ist vorhanden aber in der Figur nicht gezeigt. Er kann in einer Vertiefung Platz finden oder ins Substrat eingebettet sein.
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Es ist ferner möglich, dass die Rückvolumina sowohl durch Vertiefungen im Trägersubstrat als auch durch kappenförmige Abdeckungen mit Querstegen ausgeführt sind. Dann brauchen das Substrat bzw. die Kappe selbst nur Tiefen aufzuweisen, die geringer als die entsprechenden Bauhöhen der Chips sind. So können Trägersubstrat TS und Kappe einfacher hergestellt werden.
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7 zeigt ein Modul MMM, bei dem der ASIC-Chip ASIC im Inneren des Trägersubstrats TS eingebettet ist. Ein einziger Quersteg QS genügt dann als akustische Barriere AB zwischen den beiden Rückvolumina RV1, RV2. Alternativ können auch zwei separate Kappen aufgesetzt sein. Ist das Trägersubstrat als mehrlagiges Trägersubstrat, z. B. auf organischer Basis, ausgeführt, so lässt sich der entsprechende ASIC-Chip ASIC leicht im Trägersubstrat TS integrieren.
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8 zeigt eine Ausführungsform eines Moduls MMM, bei der die Einhäusung des Moduls unter Zuhilfenahme einer Folie F und eines Trägersubstrats TS erreicht wird. Die MEMS-Chips und der ASIC-Chip ASIC sind auf der Oberseite des Trägersubstrats TS angeordnet. Aufgrund der verwendeten Flipchip-Montage auf Lotkugeln ist das Vorvolumen in der Verbindungsebene seitlich nicht begrenzt. Die Folie F wird so über Oberseiten des Trägersubstrats TS, der beiden MEMS-Chips und des ASIC-Chips ASIC angeordnet, dass ein ringsum dichter Abschluss der Folie F mit dem Trägersubstrat TS erhalten wird. Auf seiner Oberseite schließt der ASIC-Chip dicht mit der Folie F ab. Unter dem ASIC-Chip und zwischen Chip und Trägersubstrat TS ist ein Füllmaterial, z. B. ein Underfiller, als akustische Barriere AB zwischen den Chips angeordnet.
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Die MEMS-Chips umfassen dabei Rückvolumina, die wohl definiert und getrennt in chipinternen Tiefätzungen angeordnet sind. 8 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauelement; nach vorn und hinten relativ zur Zeichnungsebene dichtet das Laminat von den Flanken des ASIC-Chips ASIC über den Underfiller AB zum Substrat TS hin ab.
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9 zeigt ein Modul MMM, bei dem die Einhäusung ebenfalls unter Verwendung einer Folie erfolgt. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 8 wird die akustische Barriere AB zwischen den Rückvolumina bzw. zwischen den Vorvolumina, d. h. den Volumina vor den elektroakustisch aktiven Strukturen der Chips durch eine weitere Folie F, die über den ASIC-Chip gezogen ist, realisiert. Die weitere Folie F ist dabei an den Flanken des ASIC-Chips ASIC so weit heruntergezogen, dass sie dicht mit der Oberseite des Trägersubstrats TS abschließt. Der Underfiller, der in 8 gezeigt ist, ist hier deshalb nicht notwendig.
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Die Laminatschicht des in 9 gezeigten Moduls MMM kann leicht dadurch erhalten werden, dass zuerst der ASIC-Chip ASIC einlaminiert und danach das Laminat außerhalb dieses Bereichs wieder entfernt wird, bevor die MEMS-Chips bestückt und die komplette Anordnung der Chips ein weiteres Mal einlaminiert wird.
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10 zeigt eine Ausführungsform des Moduls MMM, wobei eine erste Folie in verschiedenen Abschnitten über die MEMS-Chips geführt und so weit heruntergezogen ist, dass die Abschnitte mit der Oberseite des Trägersubstrats TS dicht abschließen. Dadurch sind die MEMS-Chips und die in ihnen enthaltenen Vorder- und Rückvolumina voneinander getrennt. Eine weitere Folie F2 bedeckt die gesamte oder nahezu die gesamte Oberseite des Moduls MMM und schützt den ASIC-Chip ASIC. Die beiden MEMS-Chips haben somit einen Schutz durch eine doppelte Folienlage mit den Folien F1 und F2.
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Die Reihenfolge der Bestückung von ASIC-Chip und MEMS-Chips kann im Vergleich zur Ausführungsform der 9 auch so erfolgen, dass zuerst die MEMS-Chips montiert und einlaminiert werden. Anschließend wird der ASIC-Montagebereich oder auch nur dessen elektrische Kontaktflächen freigelegt und der ASIC-Chip aufgesetzt. Eine anschließende zweite Komplettlaminierung bedeckt dann die Gesamtheit der Chips.
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11 zeigt eine Ausführungsform des Multi-MEMS-Moduls MMM, bei der die Öffnungen O1, O2 durch Löcher in einer Folienabdeckung an der Oberseite des Moduls MMM ausgeführt sind. Ein solches Modul stellt ein so genanntes Top Port-Modul dar.
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12 zeigt eine Ausführungsform, bei der die beiden Öffnungen O1, O2 seitlich am Modul MMM angeordnet und in Form von Löchern in einer Laminatfolie F realisiert sind.
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13 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Einhäusung mittels einer einzigen Folienlage F realisierbar ist, die in den Bereichen zwischen den MEMS-Chips und insbesondere zwischen den MEMS-Chips und dem ASIC-Chip bis zur Oberseite des Trägersubstrats heruntergezogen ist, um die MEMS-Chips und ihre Volumina akustisch zu entkoppeln.
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14 zeigt zwei mögliche Layouts, die sich in der Position der Öffnungen O voneinander unterscheiden. Das linke Layout zeigt einen zentral angeordneten ASIC-Chip ASIC sowie vier MEMS-Chips MC. Im Trägersubstrat TS sind vier Öffnungen O vorhanden und entsprechend den Ecken eines Quadrats relativ zueinander angeordnet. Direkt über den Öffnungen O sind die MEMS-Chips MC so angeordnet, dass sie akustische Signale, die von einer Quelle unterhalb des Moduls stammen, direkt erfassen können.
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Im Gegensatz dazu zeigt das Layout auf der rechten Seite der 14 ein Trägersubstrat mit zwei unteren Öffnungen UO, die als Löcher im Trägersubstrat ausgeführt sind. Oberhalb der unteren Öffnungen UO sind zwei der vier Chips auf dem Trägersubstrat angeordnet und dazu geeignet, akustische Signale von einer Quelle unterhalb des Moduls zu erfassen. An der Oberseite des Moduls MMM sind zwei weitere Öffnungen, nämliche obere Öffnungen OO, vorhanden und oberhalb von Zwischenräumen zwischen MEMS-Chips und einem zentral angeordneten ASIC-Chip ASIC positioniert. Die oberen Öffnungen OO können beispielsweise in Form von Löchern in einem Folienlaminat realisiert sein. Dieses Modul MMM kann damit sowohl akustische Signale einer Quelle unterhalb des Moduls sowie akustische Signale einer Quelle oberhalb des Moduls direkt erfassen.
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Das Multi-MEMS-Modul ist nicht auf eines der gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere die oben genannten Merkmale können individuell miteinander kombiniert werden und schließen sich nicht gegenseitig aus. So kann ein individuell und optimal für eine bestimmte Anforderung optimiertes Modul erhalten werden. Module, welche weitere Chips, Öffnungen, Signalleitungen, Rückvolumina usw. aufweisen, werden ebenfalls von der Erfindung umfasst.
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Bezugszeichenliste:
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- AB: akustische Barriere
- ASIC: ASIC-Chip
- BD: Bonddraht
- BU: Bumpverbindung
- D: Deckel
- F, F1, F2: Folie
- G: Gehäuse
- I: Innenraum
- K: Kappe
- KL: Kleber / Lotverbindung
- MC: MEMS-Chip
- MC1: erster MEMS-Chip
- MC2: zweiter MEMS-Chip
- ML: Metallisierungslage
- MMM: Multi-MEMS-Modul
- O: Öffnung
- O1: erste Öffnung
- O2: zweite Öffnung
- OO: obere Öffnung
- QS: Quersteg
- RV1: erstes Rückvolumen
- SL: Signalleitung
- TS: Trägersubstrat
- UO: untere Öffnung
- V: Via
- V1, V2: Vertiefungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8169041 [0003]
- DE 102010026519 A1 [0004]
