DE102014116129A1 - System und Verfahren für einen MEMS-Wandler - Google Patents

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Abstract

Ein Ausführungsbeispiel, wie es hierin beschrieben ist, umfasst ein mikroelektromechanisches System (MEMS) mit einem ersten MEMS-Wandlerelement, einem zweiten MEMS-Wandlerelement und einem Halbleitersubstrat. Das erste und zweite MEMS-Wandlerelement sind auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet und das Halbleitersubstrat umfasst einen gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum, der mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement akustisch gekoppelt ist.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Sensortechnik und insbesondere beziehen sich Ausführungsbeispiele auf ein System und ein Verfahren für einen MEMS-Wandler.
  • HINTERGRUND
  • Wandler wandeln Signale von einem Bereich einen anderen um und werden häufig in Sensoren verwendet. Ein üblicher Sensor mit einem Wandler, der im täglichen Leben zu sehen ist, ist ein Mikrofon, das Schallwellen in elektrische Signale umwandelt.
  • Sensoren, die auf einem mikroelektromechanischen System (MEMS; microelectromechanical system) basieren, umfassen eine Familie aus Wandlern, die unter Verwendung Mikrobearbeitungstechniken erzeugt werden. MEMS, wie zum Beispiel ein MEMS-Mikrofon, sammeln Informationen aus der Umgebung durch Messen der Änderung des physikalischen Zustands in dem Wandler und Übertragen des zu verarbeitenden Signals durch die Elektronik, die mit dem MEMS-Sensor verbunden ist. MEMS-Bauelemente können unter Verwendung von Mikrobearbeitungsherstellungstechniken ähnlich zu jenen hergestellt werden, die für integrierte Schaltungen verwendet werden.
  • MEMS-Bauelemente können entworfen sein, um als Oszillatoren, Resonatoren, Beschleunigungsmesser, Gyroskope, Drucksensoren, Mikrofone, Mikrospiegel zu funktionieren. Viele MEMS-Bauelemente verwenden kapazitive Erfassungstechniken zum Wandeln des physikalischen Phänomens in elektrische Signale. Bei solchen Anwendungen wird die Kapazitätsänderung in dem Sensor in ein Spannungssignal umgewandelt, unter Verwendung von Schnittstellenschaltungen. Der Entwurf dieser Schnittstellenschaltungen kann jedoch eine Herausforderung werden, wenn Sensoren in Anwesenheit von parasitären Effekten miniaturisiert werden. Zum Beispiel kann das Vorhandensein einer gekoppelten, parasitären Kapazität, die effektive Verstärkung des Sensors reduzieren, was kombiniert mit der geringen Größe eines MEMS-Sensors verursachen kann, dass das Bauelement einfach durch mechanisches oder elektrisches Rauschen beeinträchtigt wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts eines mikroelektromechanischen Systems, eines Verfahrens zum Betreiben eines akustischen Wandlersystems, eines Verfahrens zum Herstellen eines Wandlersystems und eines Wandlersystems.
  • Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand von einem der Ansprüche erfüllt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel, wie es hierin beschrieben ist, umfasst ein mikroelektromechanisches System (MEMS) mit einem ersten MEMS-Wandlerelement, einem zweiten MEMS-Wandlerelement und einem Halbleitersubstrat. Das erste und zweite MEMS-Wandlerelement sind auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet und das Halbleitersubstrat umfasst einen gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum, der akustisch mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist. Optional weist das MEMS ferner einen Verstärker mit Eingangsanschlüssen, die mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt sind, und mit Ausgangsanschlüssen, die ausgebildet sind, um ein differentielles Ausgangssignal bereitzustellen; und einen Vorspannungserzeuger, der mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist, auf.
  • Optional weist der Vorspannungserzeuger einen ersten Vorspannungserzeuger, der mit dem ersten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um eine erste Vorspannungsspannung bereitzustellen; und einen zweiten Vorspannungserzeuger, der mit dem zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannungsspannung bereitzustellen, auf.
  • Wiederum optional sind der Verstärker und der Vorspannungserzeuger auf einer integrierten Schaltung (IC) angeordnet sind und elektrisch mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt.
  • Wiederum optional sind der Verstärker und der Vorspannungserzeuger auf dem Substrat integriert.
  • Optional weist das erste MEMS-Wandlerelement eine Mehrzahl von ersten MEMS-Wandlerelementen auf und das zweite MEMS-Wandlerelement eine Mehrzahl von zweiten MEMS-Wandlerelementen auf.
  • Wiederum optional weist das MEMS ferner einen einzelnen Schallort auf, der mit dem gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum gekoppelt ist.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein mikroelektromechanisches System (MEMS), das ein erstes MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche eines ersten Halbleitersubstrats angeordnet ist, die einen ersten Hohlraum innerhalb des ersten Halbleitersubstrats überlagert; ein zweites MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche eines zweiten Halbleitersubstrats angeordnet ist, die einen zweiten Hohlraum innerhalb des zweiten Halbleitersubstrats überlagert; ein drittes Substrat, das einen gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum aufweist, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat auf dem dritten Substrat angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil des ersten Hohlraums und ein Teil des zweiten Hohlraums den gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum überlagern und wobei das dritte Substrat sich von dem ersten Halbleitersubstrat und dem zweiten Halbleitersubstrat unterscheidet; und ein viertes Substrat, das einen Schallport aufweist, wobei das dritte Substrat auf dem vierten Substrat angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil des gemeinschaftlich verwendeten Hohlraums den Schallport überlagert, und wobei sich das vierte Substrat von dem ersten Halbleitersubstrat, dem zweiten Halbleitersubstrat und dem dritten Substrat unterscheidet, aufweist.
  • Optional weist das dritte Substrat einen Trägerchip auf.
  • Wiederum optional weist das vierte Substrat eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB) auf.
  • Optional ist der gemeinschaftlich verwendete Hohlraum weiter als der Schallport.
  • Wiederum optional sind das erste Substrat und das zweite Substrat ein gleiches Substrat.
  • Optional weist das MEMS ferner einen Verstärker mit Eingangsanschlüssen auf, die mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt sind, und mit Ausgangsanschlüssen, die ausgebildet sind, um ein differentielles Ausgangssignal bereitzustellen; und einen Vorspannungserzeuger, der mit dem ersten und zweiten Wandlerelement gekoppelt ist.
  • Wiederum optional weist das erste MEMS-Wandlerelement eine Mehrzahl von MEMS-Wandlerelementen auf und das zweite MEMS-Wandlerelement weist eine Mehrzahl von zweiten MEMS-Wandlerelementen auf.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines akustischen Wandlersystems, das das Empfangen eines akustischen Signals über einen gemeinschaftlich verwendeten Schallport unter Verwendung eines ersten Wandlerelements und eines zweiten Wandlerelements; das Erzeugen eines ersten differenziellen Signals an Ausgängen des ersten und zweiten Wandlerelements; und das Verstärken des ersten differenziellen Signals mit einem Verstärker aufweist.
  • Optional weist das Verfahren ferner das Erzeugen eines zweiten differenziellen Signals an einem Ausgang des Verstärkers auf.
  • Wiederum optional weist das Empfangen des akustischen Signals ferner das Empfangen des akustischen Signals durch einen einzelnen Hohlraum auf, der in einem Substrat gebildet ist und akustisch mit dem gemeinschaftlich verwendeten Schallport gekoppelt ist, wobei das erste und zweite Wandlerelement auf dem Substrat über dem Hohlraum gebildet sind.
  • Wiederum optional weist das Erzeugen des ersten differenziellen Signals an dem ersten und zweiten Wandlerelement das Erzeugen eines ersten Signals auf dem ersten Wandlerelement und das Erzeugen eines zweiten Signals aus dem zweiten Wandlerelement auf, wobei das zweite Signal antiphasig zu dem ersten Signal ist.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Wandlersystems, das das Bilden eines ersten MEMS-Mikrofons (MEMS = microelectromechanical system) und eines zweiten MEMS-Mikrofons auf einer oberen Oberfläche eines Halbleitersubstrats; das Aufbringen einer ersten Ätzmaske auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die erste Ätzmaske eine erste Öffnung aufweist, die mit den MEMS-Mikrofonen ausgerichtet ist; das Anlegen einer zweiten Ätzmaske auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die zweite Ätzmaske eine zweite und dritte Öffnung aufweist, die mit dem ersten MEMS-Mikrofon und dem zweiten MEMS-Mikrofon ausgerichtet sind und diesem entsprechen; das Ätzen eines Teils des Halbleitersubstrats gemäß der zweiten Maske von der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats und Stoppen des Ätzens bevor die Unterseiten des ersten und zweiten MEMS-Mikrofons freiliegend sind; und das Entfernen der zweiten Maske und Ätzen eines Teils des Halbleitersubstrats gemäß der ersten Ätzmaske bis die Unterseiten des ersten und zweiten MEMS-Mikrofons freiliegend sind, aufweist.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Wandlersystem, das eine erste mechanisch starre Rückwandplatte; eine erste ablenkbare Zwischenwand benachbart zu der ersten Rückwandplatte und ausgebildet, um elektrisch mit einer ersten Vorspannungsspannung gekoppelt zu sein; eine zweite mechanisch starre Rückwandplatte; eine zweite ablenkbare Zwischenwand benachbart zu der zweiten Rückwandplatte und ausgebildet, um elektrisch mit einer zweiten Vorspannungsspannung gekoppelt zu sein; und einen Verstärker, der Eingangsanschlüsse aufweist, die elektrisch mit der ersten und zweiten mechanisch starren Rückwandplatte gekoppelt sind, aufweist.
  • Optional weist der Verstärker Ausgangsanschlüsse auf, die ausgebildet sind, um ein differenzielles Ausgangssignal bereitzustellen.
  • Wiederum optional weist der Verstärker einen differentiellen Verstärker auf.
  • Optional weist das Wandlersystem ferner einen Vorspannungsspannungserzeuger auf, der ausgebildet ist, um die erste Vorspannungsspannung und die zweite Vorspannungsspannung zu erzeugen.
  • Wiederum optional unterscheidet sich die erste Vorspannungsspannung von der zweiten Vorspannungsspannung.
  • Optional sind der Verstärker und der Vorspannungsspannungserzeuger auf einer integrierten Schaltung (IC = integrated circuit) angeordnet.
  • Wiederum optional weisen die erste mechanisch starre Rückwandplatte und die erste ablenkbare Zwischenwand eine Mehrzahl von ersten mechanisch starren Rückwandplatten und eine Mehrzahl von ersten ablenkbaren Diaphragmen auf, und wobei die zweite mechanisch starre Rückwandplatte und die zweite ablenkbare Zwischenwand eine Mehrzahl von zweiten mechanisch starren Rückwandplatten und eine Mehrzahl von zweiten ablenkbaren Zwischenwänden aufweisen.
  • Optional weisen die erste und die zweite mechanisch starre Rückwandplatte ein Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon (MEMS = microelectromechanical system) auf, und wobei die erste und zweite ablenkbare Zwischenwand eine einzelne Zwischenwand des Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofons aufweisen.
  • Wiederum optional weist der Verstärker einen ersten unsymmetrischen Verstärker (single-ended amplifier) und einen zweiten unsymmetrischen Verstärker aufweist, wobei der erste unsymmetrische Verstärker eine erste Verstärkung von im Wesentlichen gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen aufweist wie eine zweite Verstärkung des zweiten unsymmetrischen Verstärkers.
  • Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein mikroelektromechanisches System (MEMS), das eine Platine, die einen ersten Hohlraum aufweist, der über einem zweiten Hohlraum angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum größer ist als der zweite Hohlraum; und einen MEMS-Wandler, der auf einer oberen Oberfläche der Platine benachbart zu dem ersten Hohlraum angeordnet ist, aufweist, wobei der MEMS-Wandler ein Halbleitersubstrat, ein erstes MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, die einen dritten Hohlraum überlagert, der in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, und ein zweites MEMS-Wandlerelement, das auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, die einen vierten Hohlraum überlagert, der in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, wobei der erste, zweite, dritte und vierte Hohlraum alle akustisch gekoppelt sind, aufweist.
  • Optional weist die Platine eine erste Schicht auf, die den ersten Hohlraum aufweist, und eine zweite Schicht, die den zweiten Hohlraum aufweist.
  • Wiederum optional weisen das erste und das zweite MEMS-Wandlerelement ein Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon auf.
  • Optional ist der erste Hohlraum weiter als der zweite Hohlraum.
  • Wiederum optional weist die Platine eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB; printed circuit board) auf.
  • Optional weist die Platine ein Keramiksubstrat auf.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Für ein umfassenderes Verständnis der vorliegenden Erfindung und der Vorteile derselben, wird nun Bezug auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen genommen, in denen:
  • 1 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems darstellt;
  • 2 ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems darstellt, das zwei Vorspannungsspannungen verwendet;
  • 3 ein Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems darstellt, das zwei Verstärker verwendet;
  • 4 ein Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems darstellt, das mehrere MEMS-Bauelemente verwendet;
  • 5 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Wandlerschnittstellenschaltung darstellt;
  • 6 ein detaillierteres Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Wandlerschnittstellenschaltung darstellt;
  • 7 ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines MEMS-Wandlers darstellt;
  • 8a–8d Schemata von Ausführungsbeispielen von Klangportkonfigurationen darstellen;
  • 9 ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Herstellungssequenz darstellt;
  • 10 ein Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Herstellungssequenz darstellt;
  • 11a–11b schematische Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems darstellen;
  • 12a–12c Schemata von Ausführungsbeispielen von Wandlerkonfigurationen darstellen;
  • 13 ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Wandlers darstellt;
  • 14 ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Wandlersystems darstellt;
  • 15 ein Schema eines anderen Ausführungsbeispiels eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Wandlersystems darstellt;
  • 16 ein Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Wandlersystems darstellt;
  • 17 ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Wandlersystems darstellt; und
  • 18a und 18b Querschnitte eines Ausführungsbeispiels von Top-Port-Mikrofongehäusen darstellt.
  • Entsprechende Bezugszeichen und Symbole in den unterschiedlichen Figuren beziehen sich allgemein auf entsprechende Teile, außer dies ist anderweitig angegeben. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der Ausführungsbeispiele klar darzustellen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON DARSTELLENDEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Die Herstellung und Verwendung von verschiedenen Ausführungsbeispielen wird nachfolgend detailliert erörtert. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass die verschiedenen Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, in einer großen Vielzahl von spezifischen Kontexten anwendbar sind. Die erörterten, spezifischen Ausführungsbeispiele sind nur darstellend für spezifische Möglichkeiten, verschiedene Ausführungsbeispiele herzustellen und zu verwenden und sollten nicht auf einschränkende Weise interpretiert werden.
  • Die Beschreibung wird im Hinblick auf verschiedene Ausführungsbeispiele in einem spezifischen Kontext gegeben, nämlich Mikrofonwandler und insbesondere MEMS-Mikrofone. Einige der verschiedenen, hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen MEMS-Wandlersysteme, MEMS-Mikrofonsysteme, Schnittstellenschaltungen für Wandler und MEMS-Wandlersysteme, MEMS-Mikrofone, die differentielle Signale erzeugen, und Mehrfach-Wandler-Mikrofonsysteme mit differentiellen Signalen. Bei anderen Ausführungsbeispielen können Aspekte auch an andere Anwendungen angewendet werden, die jegliche Art eines Sensors oder Wandlers umfassen, der ein physisches Signal in einen anderen Bereich umwandelt und eine Schnittstelle mit einer Elektronik gemäß einer Art und Weise herstellt, die in der Technik bekannt ist.
  • 1 stellt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems 100 dar, das einen MEMS-Wandler 101, einen MEMS-Wandler 102, einen Verstärker 110 und einen Vorspannungserzeuger 120 umfasst. Wie gezeigt ist, wird ein erstes, differentielles Signal von den MEMS-Wandlern 101 und 102 an den Verstärker 110 über eine Verbindung 112 und eine Verbindung 114 bereitgestellt. Der Verstärker 110 verstärkt das erste, differentielle Signal und stellt ein zweites, differentielles Signal an einem Ausgangsanschluss 116 und einem Ausgangsanschluss 118 bereit.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind MEMS-Wandler 101 und 102 als Mikrofone ausgebildet und wandeln akustische Signale in elektrische Signale um. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können MEMS-Wandler 101 und 102 ein akustisches Signal 130 durch einen gemeinschaftlich verwendeten Klangport (nicht gezeigt) empfangen, das akustische Signal 130 in den elektrischen Bereich umwandeln und ein differentielles, elektrisches Signal an den Verstärker 110 über die Verbindungen 112 und 114 bereitstellen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel stellt der Vorspannungserzeuger 120 Vorspannungsspannungen an MEMS-Wandler 101 und 102 bereit. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen stellt der Vorspannungserzeuger 120 eine erste Vorspannungsspannung an den MEMS-Wandler 101 und eine zweite Vorspannungsspannung an den MEMS-Wandler 102 bereit. Die erste Vorspannungsspannung kann sich von der zweiten Vorspannungsspannung unterscheiden. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen empfangen MEMS-Wandler 101 und 102 ein akustisches Signal 130 und erzeugen antiphasige elektrische Signale gleicher Größe auf Verbindungen 112 und 114, die ein differentielles Signal bilden. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die erste Vorspannungsspannung in ihrer Polarität entgegengesetzt zu der zweiten Vorspannungsspannung, was verursacht, dass die elektrischen Signale, die durch die MEMS-Wandler 101 und 102 erzeugt werden, antiphasig sind.
  • Bei alternativen Ausführungsbeispielen stellt der Vorspannungserzeuger 120 eine gleiche Vorspannungsspannung an die MEMS-Wandler 101 und 102 bereit. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können die elektrischen Signale, die durch MEMS-Wandler 101 und 102 erzeugt werden, gleichphasig (in Phase) sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die MEMS-Wandler mit einem gemeinschaftlich verwendeten Wandlungselement gekoppelt (zum Beispiel einem Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon). Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann der Vorspannungserzeuger dieselbe Vorspannungsspannung an den MEMS-Wandler 101 und 102 bereitstellen und die erzeugten, elektrischen Signale sind antiphasig. Verschiedene Konfigurationen werden detaillierter bezugnehmend auf die verbleibenden Figuren erörtert.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen umfassen MEMS-Wandler 101 und 102 eine Mehrzahl von Wandlerelementen. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann der MEMS-Wandler 101 zwei Wandlerelemente umfassen und der MEMS-Wandler 102 kann zwei Wandlerelemente umfassen. Der MEMS-Wandler 101 und der MEMS-Wandler 102 können auch mehr als zwei Wandlerelemente umfassen. Jeder MEMS-Wandler oder jedes – Wandlerelement kann unter Verwendung eines kapazitiven Einzel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofons implementiert sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist jeder MEMS-Wandler unter Verwendung eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofons oder vieler Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofone implementiert. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die MEMS-Wandler 101 und 102 die zwei Rückwandplatten von einem Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon.
  • 2 stellt ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems 200 dar, das zwei Vorspannungsspannungsquellen 222 und 224 aufweist, die mit zwei MEMS-Mikrofonen 201 und 202 gekoppelt sind. Die Vorspannungsspannungsquelle 222 beliefert ein Diaphragma eines MEMS-Mikrofons 201 mit einer ersten Vorspannungsspannung Vmic1 und die Vorspannungsspannungsquelle 224 beliefert ein Diaphragma eines MEMS-Mikrofons 202 mit einer zweiten Vorspannungsspannung Vmic2. Wie bezugnehmend auf 1 erörtert wurde, können MEMS-Mikrofone 201 und 202 akustisch mit einem gleichen Eingangsschallport gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Polarität von Vmic1 und Vmic2 entgegengesetzt sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel können die erste und die zweite Vorspannungsspannung durch die Gleichung Vmic1 = –Vmic2 + 2·Voffset in Beziehung stehen, wobei Voffset (nicht gezeigt) eine Vorspannungsspannung innerhalb der Schaltung 205 ist, die helfen kann, den differentiellen Verstärker 210 vorzuspannen. Bei einer spezifischen Implementierung kann Voffset zum Beispiel 0,5 V sein. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Vorspannungsspannungen, die zu den MEMS-Mikrofonen 201 und 202 geliefert werden, verursachen, dass Signale, die durch MEMS-Mikrofone 201 und 202 erzeugt werden, und zu den Leitungen 212 und 214 geliefert werden, antiphasig sind. Antiphasige Signale auf Leitungen 212 und 214 können ein differenzielles Signal bilden.
  • Ein differenzielles Signal wird an einen differenziellen Verstärker 210 geliefert, der eine verstärkte differenzielle Ausgabe auf den Leitungen 216 und 218 liefert. Der differenzielle Verstärker 210 ist in der Schaltung 205 umfasst. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Schaltung 205 auf einer integrierten Schaltung (IC; Integrated Circuit) implementiert sein. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die IC auf einen Chip mit MEMS-Mikrofonen 201 und 202 angebracht sein oder die Schaltung 205 kann auf einem gemeinschaftlich verwendeten Substrat mit den MEMS-Mikrofonen 201 und 202 hergestellt sein. Gemäß den gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Rückwandplatten der MEMS-Mikrofone 201 und 202 jeweils mit den Leitungen 212 und 214 gekoppelt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen sind die Rückwandplatten und Diaphragmen der MEMS-Mikrofone 201 und 202 in verschiedenen anderen Konfigurationen gekoppelt.
  • 3 stellt ein Schema eines anderen Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems 300 mit zwei Verstärkern 310 und 315 im Verstärkerblock 305 dar. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beliefert die Vorspannungsspannungsquelle 320 MEMS-Mikrofone 301 und 302 mit einer Vorspannungsspannung Vmic. Ein Verstärker 310 weist eine Verstärkung von A1 auf und ein Verstärker 315 weist eine Verstärkung von A2 auf. Die Verstärkungen A1 und A2 können von gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen sein. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann der Verstärkerblock 305 Inphasensignale auf Leitungen 312 und 314 von MEMS-Mikrofonen 301 und 302 empfangen und ein verstärktes, differenzielles Ausgangssignal auf den Leitungen 316 und 318 erzeugen.
  • 4 stellt ein Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems 400 dar, das mehrere MEMS-Bauelemente verwendet. MEMS-Wandler 401 und 402 können jeweils eine Mehrzahl von Wandlerelementen umfassen. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel kann der MEMS-Wandler 401 kapazitive MEMS-Mikrofone 401a–401c umfassen und der MEMS-Wandler 402 kann kapazitive MEMS-Mikrofone 402a–402c umfassen. Dieses Beispiel ist rein darstellend, da MEMS-Wandler 401 und 402 andere Typen von Wandlungselementen und jegliche Anzahl von Elementen in jedem MEMS-Wandler umfassen können. MEMS-Wandler 401 und 402 sind durch zwei Vorspannungsspannungsquellen 422 und 424 derart vorgespannt, dass Signale auf Leitungen 412 und 414 antiphasig sein können und ein differenzielles Signal bilden können. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen empfängt der Verstärkerblock 405 das differenzielle Signal auf Leitungen 412 und 414, verstärkt das differenzielle Signal mit dem Verstärker 410 und stellt ein verstärktes, differenzielles Ausgangssignal auf den Leitungen 416 und 418 bereit.
  • Bezugnehmend auf 2–4 sind Wandlersysteme 200, 300 und 400 Ausführungsbeispiele, die verschiedene Konfigurationen von Wandlern und Schnittstellenschaltungen zeigen. Diese Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert oder durcheinander ersetzt werden, gemäß Systemanforderungen, die ein Entwickler oder Fachmann auf dem Gebiet versteht. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können die MEMS-Wandler, die gezeigt sind, akustische Wandler umfassen, die mit einem gemeinschaftlich verwendeten, akustischen Signal gekoppelt sind.
  • 5 stellt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Wandlerschnittstellenschaltung 500 dar, die schnittstellenmäßig mit einem Wandlersystem-MEMS verbunden ist. Die Schnittstellenschaltung 500 kann als eine IC oder als diskrete Komponenten implementiert sein und enthält Vorspannungserzeuger 522 und 524 sowie einen Verstärker 510. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Verstärker 510 ein differenzieller Verstärker. Bei anderen Ausführungsbeispielen können verschiedene Verstärkerkonfigurationen verwendet werden. Die Schnittstellenschaltung 500 empfängt umgewandelte, elektrische Signale aus einem Wandlersystem-MEMS über Leitungen 512 und 514 und stellt Vorspannungsspannungen aus einem positiven Vorspannungserzeuger 522 und einem negativen Vorspannungserzeuger 524 an das Wandlersystem-MEMS über Leitungen 523 und 525 bereit. Bei einigen Ausführungsbeispielen können der positive Vorspannungserzeuger 522 und der negative Vorspannungserzeuger 524 in einem einzelnen Block mit zwei Ausgangsspannungen implementiert sein.
  • Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen verstärkt der Verstärker 510 die umgewandelten, elektrischen Signale, die auf den Leitungen 512 und 514 empfangen werden, und stellt ein differenzielles Ausgangssignal auf den Leitungen 516 und 518 bereit. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Schnittstellenschaltung 500 auf demselben Die hergestellt sein wie das Wandlersystem-MEMS. Bei anderen Ausführungsbeispielen können das Wandlersystem-MEMS und die Schnittstellenschaltung 500 auf separaten Dies hergestellt sein und an denselben Chip angebracht oder in demselben Gehäuse untergebracht sein.
  • 6 stellt ein detaillierteres Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels einer Wandlerschnittstellenschaltung 600 dar, die Verstärker 610 und 615 umfasst, die umgewandelte, elektrische Signale von einem akustischen Wandler 601 empfangen, die elektrischen Signale verstärken und ein differenzielles Ausgangssignal an Anschlüsse 616 und 618 bereitstellen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstellenschaltung 600 als eine IC implementiert und enthält zusätzliche funktionale Blöcke, die eine Zustandsmaschine 630, einen Regler mit niedriger Ausgabe (low-dropout regulator) 632, eine Bandabstands-Spannungsreferenz 634, einen Oszillator 636, einen Steuerungs- und Speicher-Block 640, Ladungspumpen 622 und 624, Schockwiederherstellung (shock recovery) 638 und Vorspannungsspannung 650 umfassen. Eine Schnittstellen-IC kann zusätzliche funktionale Blöcke oder wenige funktionale Blöcke umfassen, je nach Systemanforderungen, und die Schnittstellenschaltung 600 ist als rein darstellendes Ausführungsbeispiel gedacht.
  • Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind Ladungspumpen 622 und 624 spezifische Implementierungen von Vorspannungsspannungserzeugern, wie vorangehend erörtert wurde. Die Ladungspumpe 622 kann eine negative Vorspannungsspannung an den Anschluss 623 bereitstellen und die Ladungspumpe 624 kann eine positive Vorspannungsspannung an den Anschluss 625 bereitstellen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der akustische Wandler 601 schematisch als ein Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon gezeigt. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der akustische Wandler 601 als jegliche der hierin erörterten Konfigurationen oder als Kombinationen derselben implementiert sein. Abhängig davon, wie der akustische Wandler 601 implementiert ist, sind Verstärker 610 und 615 und Ladungspumpen 622 und 624 ausgebildet, um dazuzupassen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Verstärker 610 und 615 unsymmetrische Verstärker (single-ended amplifier) mit derselben Verstärkung AB. Der akustische Wandler 601 ist durch die Ladungspumpe 624 über den Anschluss 625 vorgespannt und kann ein differenzielles Signal an die Eingänge 612 und 614 bereitstellen.
  • Innerhalb der Schnittstellenschaltung 600 kann die Zustandsmaschine 630 Steuerungssignale an Schalter 644 und 646 bereitstellen, um die Eingänge 612 und 614 über die Vorspannungsspannung 650 vorzuspannen, abhängig von verschiedenen Operationsmodi, wie zum Beispiel Starten, Niedrigleistung (LP = low power), Regulär und Schockwiederherstellung. Schockwiederherstellung 638 kann auch Steuerungssignale an die Schalter 646 und 644 bereitstellen. Der Regler mit niedriger Ausgabe 632 kann eine geregelte Spannung durch die Schnittstellenschaltung 600 bereitstellen und die Bandabstandsspannungsreferenz 634 kann eine Referenzspannung bereitstellen. Der Oszillator 636 kann für alle synchronen Blöcke verwendet werden, wie zum Beispiel Zustandsmaschine 630 und Steuerung und Speicher 640. Steuerung und Speicher 640 können Spannungen, Schwellen und Operationsmodi von verschiedenen anderen Blöcken innerhalb der Schnittstellenschaltung 600 einstellen. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen können Steuerung und Speicher 640 auf Einstellungen und Werte in einem programmierbaren Speicher zugreifen und die Schnittstellenschaltung 600 über Steuerungssignale einrichten, die durch die verschiedenen funktionalen Blöcke verteilt werden. Ladungspumpen 622 und 624 können ausgebildet sein, um verschiedenen Vorspannungsspannungen an Anschlüsse 623 und 625 für die Vorspannung des akustischen Wandlers bereitzustellen.
  • 7 stellt ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines MEMS-Wandlers 700 dar, der als ein kapazitives MEMS-Mikrofon mit einzelner Rückwandplatte implementiert ist, das eine perforierte Rückwandplatte 702 und eine ablenkbare Membran oder ein Diaphragma 704 umfasst, die beide auf einem Substrat 710 hergestellt sind. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Rückwandplatte 702 durchgehend Löcher auf, um einen Ausgleich des Luftdrucks zu ermöglichen. Die Rückwandplatte 702 und das Diaphragma 704 sind über einem Hohlraum 714 in dem Substrat 710 hergestellt. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Hohlraum 714 akustisch mit einem Schallport in einem Gehäuse oder Chip (nicht gezeigt) gekoppelt. Eine elektrische Kopplung wird mit dem Diaphragma 704 über die Anschlussfläche 708, mit der Rückwandplatte 702 über Anschlussfläche 706 und mit dem Substrat 710 über Anschlussfläche 712 hergestellt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel tritt eine Schallwelle in ein Wandlersystem durch den Schallport ein und breitet sich in den Hohlraum 714 aus. Die Schallwelle verursacht, dass das Diaphragma 704 abgelenkt wird und schwingt, was den Abstand zwischen dem Diaphragma 704 und der Rückwandplatte 702 verändert. Da sowohl Rückwandplatte 702 als auch Diaphragma 704 aus elektrisch leitfähigen Materialien hergestellt sind, bilden die zwei Strukturen die parallelen Plattenelektroden eines Kondensators. Wenn das Diaphragma 704 durch die Schallwelle verschoben wird, verändert sich die Kapazität zwischen der Rückwandplatte 702 und dem Diaphragma 704, wenn sich die Distanz ändert, und eine Ausgangsspannungsabweichung ist somit auf der Anschlussfläche 706 messbar. Die Ausgangsspannung kann zu einer Schnittstellenschaltung zugeführt werden und der MEMS-Wandler 700 kann mit einer Mehrzahl von anderen MEMS-Wandlern gekoppelt sein, wie hierin beschrieben ist. Die mathematischen Beziehungen zwischen Diaphragma- und Rückwandplatten-Größe, Trennungsdistanz, Verschiebung, Ausgangsspannungen und Schalldruckpegeln ist Fachleuten auf dem Gebiet gut bekannt.
  • 8a–8d stellen Schemata von beispielhaften Schallportkonfigurationen mit Draufsichten 800, 820, 840 und 860 und Querschnitten 801, 821, 841 und 861 dar. 8a stellt ein Ausführungsbeispiel eines Mikrofons mit zwei Wandlerelementen 802 dar, die auf demselben Die hergestellt sind und auf einem Substrat angeordnet sind, wie zum Beispiel einem Trägerchip 810 über einem einzelnen Schallport 804. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Trägerchip 810 andere Substrattypen abgesehen von Trägerchips umfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist der Trägerchip 810 ein Halbleitersubstrat.
  • 8b stellt ein Ausführungsbeispiel eines Mikrofons mit zwei Wandlerelementen 802 dar, die auf separaten Dies hergestellt und auf einem Trägerchip 810 angeordnet sind, der an einen Abstandhalter oder einen zweiten Trägerchip 808 über dem Schallport 804 angebracht ist. Dieselbe Konfiguration ist möglich mit mehreren MEMS, die auf demselben Die über dem Schallport 804 hergestellt sind.
  • 8c stellt ein Ausführungsbeispiel eines Mikrofons mit vier Wandlerelementen 802 dar, die auf demselben Die hergestellt und auf einem Trägerchip 810 über dem Schallport 804 angeordnet sind. Regionen 812 in dem Substrat 810 können für eine bessere Schallausbreitung entfernt (zum Beispiel geätzt) werden.
  • 8d stellt ein Ausführungsbeispiel eines Mikrofons mit zwei Wandlerelementen 802 dar, die auf demselben Die 803 hergestellt und auf einem Substrat 844b über dem Schallport 804 angeordnet sind. Das Substrat 844b ist an ein Substrat 844a angebracht. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel können das Substrat 844b und das Substrat 844a eine erste und zweite Schicht einer PCB, eines Package oder eines Gehäuses sein. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel sind die Substrate 844a und 844b beide PCBs (printed circuit board; gedruckte Schaltungsplatine). Das Substrat 844a und das Substrat 844b können aus PCB-Materialien, Epoxid, Kunststoff, Verbundmaterial, Metall, Glas, Keramik oder einer Kombination derselben hergestellt sein. Wie gezeigt ist, kann das Substrat 844b eine Öffnung 845b aufweisen, die unter beiden Wandlerelementen 802 angeordnet ist und das Substrat 844a kann eine schmalere Öffnung 845a aufweisen, die unter der Öffnung 845b des Substrats 844b angeordnet ist. Der Schallport 804 kann in einem Hohlraum gebildet sein, der Öffnungen 845a und 845b in dem Substrat 844a und dem Substrat 844b umfasst. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können das Substrat 844a und 844b dasselbe Package oder PCB sein. Bei solchen Ausführungsbeispielen können die Öffnungen 845a und 845b geätzt, gebohrt oder mit jeglichem Verfahren gebildet sein, das in der Technik bekannt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die Substrate 844a und 844b zwei separate Strukturen sein, wie zum Beispiel Substrate oder PCBs. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können Öffnungen 845a und 845b gebildet werden, sobald die Substrate 844a und 844b miteinander durch Bohren, Ätzen oder andere Mechanismen gebondet bzw. verbunden sind, oder Öffnungen 845a und 845b können gebildet werden, bevor die Substrate 844a und 844b miteinander mit ähnlichen Mechanismen gebondet werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Substrate 844a und/oder 844b Halbleitersubstrate sein, die aus jeglichem Halbleitermaterial, Metall, Kunststoff, Oxid, jeglichem Verbundmaterial und/oder jeglicher Kombination derselben zusammengesetzt sein können.
  • Die verschiedenen Ausführungsbeispiele der Mikrofone in 8a–8d können an ein Package mit einem Schallport 804 angebracht sein, der mit einem externen Schallport (nicht gezeigt) ausgerichtet ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Trägerchip 810 auf einer PCB über einen Schallport in der PCB angeordnet sein. Der Trägerchip 810 kann auch Teil eines Packages oder einer Schaltungsplatine sein, auf der die Wandlerelemente 802 angebracht sind. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können der Trägerchip 810 und der zweite Trägerchip 808 ein Halbleitermaterial sein, wie zum Beispiel Silizium, eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB), ein Polymer, ein Glas, ein Aluminium oder ein Verbundstoff. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind der Trägerchip 810 und der zweite Trägerchip 808 nicht aus demselben Material hergestellt. Die Schallportkonfigurationen, die in 8a–8d gezeigt sind, sind darstellend und können erweitert werden, und jegliche Anzahl von Wandlerelementen, Abstandhaltern oder Träger-Chips und/oder Packageanbringungen nach Bedarf zu umfassen. Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen können der Trägerchip 810 und der zweite Trägerchip 808 von jeglicher Form sein, wie zum Beispiel ein Ring, sind aber nicht auf die gezeigten, rechteckigen Ausschnitte beschränkt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind der Schallport 804 und/oder der Hohlraum 714 mit einem akustisch leitfähigen Material gefüllt.
  • 9 stellt ein Diagramm eines Ausführungsbeispiels einer Herstellungssequenz 900 dar, die Schritte 910, 920, 930, 940 und 950 umfasst. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen wind MEMS-Wandler 902 auf dem Substrat 904 hergestellt. Das Substrat 904 kann jegliche Materialien umfassen und ist als massives Silizium (bulk silicon) gezeigt. Schritt 910 in Herstellungssequenz 900 umfasst das Platzieren einer Ätzmaske 905 auf dem Substrat 904, gegenüberliegend zu den MEMS-Wandlern 902. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Platzieren einer Ätzmaske 905 auf dem Substrat 904 das Aufbringen einer Photoresistschicht, Freilegen des Photoresists gemäß einem Muster, das durch die Ätzmaske definiert ist, und Entwickeln des Photoresists umfassen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Platzieren einer Ätzmaske 905 auf dem Substrat 904 das Aufbringen einer Schicht eines ersten Maskierungsmaterials umfassen, wie z. B. Siliziumdioxid. Die Schicht des ersten Maskierungsmaterials kann dann gemäß einem photolithographischen Prozess strukturiert und nasschemisch oder Plasma-geätzt werden, um eine Ätzmaske 905 zu bilden.
  • Schritt 920 bei Herstellungssequenz 900 umfasst das Platzieren einer zweiten Ätzmaske 915 über der Ätzmaske 905 auf dem Substrat 904. Das Platzieren der Ätzmaske 915 kann ähnliche Schritte umfassen wie das Platzieren der Ätzmaske 905. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Platzieren der Ätzmaske 915 das Aufbringen einer Schicht eines zweiten Maskierungsmaterials umfassen, wie zum Beispiel Photoresist, Carbon, oder einen Stapel aus Siliziumnitrid und Siliziumdioxid, und das Strukturieren mit einem photolithographischen Prozess und nasschemisches und Plasma-Ätzen, um die Ätzmaske 915 zu bilden.
  • Schritt 930 in Herstellungssequenz 900 umfasst das Ätzen von Hohlräumen 925 in das Substrat 904 gemäß der Ätzmaske 915 mit einem Tief-Reaktiv-Ionen-Ätz-Prozess (DRIE-Prozess; DRIE = deep-reactive-ion-etch). Wie gezeigt ist, werden Hohlräume 925 zu einer Tiefe geätzt, die nicht gleich der Dicke des Substrats 904 ist. Schritt 940 in Herstellungssequenz 900 umfasst das Entfernen der Ätzmaske 915 mit einem plasma- oder nasschemischen Ätzen und Ätzen des Hohlraums 935 mit einem DRIE-Prozess, zum Beispiel gemäß der Ätzmaske 905 in das Substrat 904. Abschließend umfasst Schritt 950 im Herstellungsprozess 900 das Packen des MEMS-Mikrofons 942 durch Anbringen des MEMS-Mikrofons 942 an ein Package 944, Abdichten mit einem Deckel 948 und Koppeln mit der Erfassungselektronik in der IC 946. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können das MEMS-Mikrofon 942 und die IC 946 auf einem selben Die kombiniert sein. Das Package 944 kann als gedruckte Schaltungsplatine (PCB), ein strukturelles Polymermaterial oder jegliches andere strukturelle Material implementiert sein.
  • 10 stellt ein Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Herstellungssequenz 1000 dar, die Schritte 1010, 1020 und 1030 umfasst. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die MEMS-Wandler 1002 auf einem Substrat 1004 hergestellt. Schritt 1010 der Herstellungssequenz 1000 umfasst das Platzieren einer Ätzmaske 1015 auf dem Substrat 1004. Schritt 1020 in Herstellungssequenz 1000 umfasst das Ätzen von Hohlräumen 1025 in das Substrat 1004 gemäß einer Struktur, die durch die Ätzmaske 1015 definiert ist.
  • Schritt 1030 bei Herstellungssequenz 1000 umfasst das Anbringen des MEMS-Mikrofons 1042 an einem Trägerchip 1035. Der Trägerchip 1035 kann z. B. mit einem Polymer, Aluminium, Glas oder Stahl gebildet sein. Schritt 1040 der Herstellungssequenz umfasst das Packen des MEMS-Mikrofons 1042 durch Anbringen des MEMS-Mikrofons 1042 an ein Package 1044, Koppeln mit einer IC 1046 und Einschließen mit einem Deckel 1048. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können Schritte und Materialien ähnlich zu jenen sein, die bezugnehmend auf 9 und Herstellungssequenz 900 beschrieben sind.
  • Bei einigen Ausführungsbeispielen kann der Trägerchip 1035 an ein Package oder eine PCB angebracht werden, bevor das MEMS-Mikrofon 1042 an dem Trägerchip 1035 angebracht wird. Bei einem alternativen Prozess wird der Trägerchip 1035 mit einem Wafer aus Glas oder Silizium derselben Größe und mit derselben Beabstandung (das heißt Teilung) verarbeitet wie der Wafer, der das MEMS-Mikrofon 1042 und das Substrat 1004 aufweist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel kann der MEMS-Mikrofon-Wafer an einen Trägerchip 1035 mit einem anodischen, eutektischen oder Polymer-Bond-Prozess gebondet werden. Das MEMS-Mikrofon 1042 mit dem gebondeten Trägerchip 1035 kann dann vereinzelt und gepackt werden.
  • 11a–11b stellen schematische Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems 1100 dar. 11a stellt eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems 1100 mit zwei MEMS-Wandlern 1102 dar, die mit einer IC 1110 über elektrische Verbindungen 1112 gekoppelt. MEMS-Wandler 1102 und IC 1110 sind an eine Platine 1106 angebracht. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Platine 1106 eine PCB, ein Polymer, ein Polymerverbundmaterial oder andere strukturelle Materialien umfassen. Die IC 1110 kann auch mit Bondanschlussflächen 1108 über elektrische Verbindungen 1114 gekoppelt sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen sind elektrische Verbindungen 1112 und 1114 Drahtbondverbindungen. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind die elektrischen Verbindungen 1112 und 1114 vorgeroutete Verbindungen auf einer PCB 1106.
  • 11b stellt eine Unteransicht eines Ausführungsbeispiels eines Wandlersystems 1100 dar, das einen Schallport 1104 zeigt, der Erfassungselemente der MEMS-Wandler 1102 überlappt. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist der Schallport 1104 offen hin zu einer externen Umgebung, und Schallwellen breiten sich durch den Schallport 1104 aus, um MEMS-Wandler 1102 zu erreichen. MEMS-Wandler 1102 wandeln Schallsignale in elektrische Signale um und führen die elektrischen Signale zu der IC 1110 zu. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen stellt die IC 1110 ein verstärktes, differenzielles Signal an die Bond-Anschlussflächen 1108 bereit, die in der Unteransicht derart gezeigt sind, dass sie einen größeren, physischen Bereich für externe Verbindungen aufweisen. Bei einigen Ausführungsbeispielen können Bondanschlussflächen 1108 mit externen Drähten gekoppelt sein, in einem eingebetteten Systempackage platziert sein oder mit einem System-auf-Chip (SoC; system on chip) gekoppelt sein.
  • Die 12a–12c stellen Schemata von Ausführungsbeispielen von Wandlerkonfigurationen mit Wandlersystemen 1200, 1210 und 1220 dar. 12a stellt ein schematisches Ausführungsbeispiel eines Wandlersystems 1200 mit zwei Wandlern 1202 und 1204 dar, jeweils mit einem einzelnen Wandlerelement. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können Wandler 1202 und 1204 kapazitive MEMS-Mikrofone umfassen, wie zum Beispiel Einzel- oder Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofone. Wie bezugnehmend auf andere Figuren beschrieben wurde, die hierin umfasst sind, können die Wandler 1202 und 1204 mit derselben oder einer unterschiedlichen Vorspannungsspannung durch einen Vorspannungsspannungserzeuger (nicht gezeigt) vorgespannt werden, der mit Diaphragma- oder Membran-Anschlussflächen 1 bzw. 2 gekoppelt ist. Die Wandler 1202 und 1204 können auch ein differenzielles Signal über die Rückwandplattenanschlussflächen 1 und 2 bereitstellen.
  • 12b stellt ein Ausführungsbeispiel eines Wandlersystems 1210 mit zwei Wandlern 1202 und 1204 dar, jeweils mit zwei Wandlerelementen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind beide Wandlerelemente mit der Rückwandplattenanschlussfläche 1 und Membrananschlussfläche 1 für Wandler 1202 und beide Wandlerelemente sind mit Rückwandplattenanschlussfläche 2 und Membrananschlussfläche 2 für Wandler 1204 gekoppelt. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Wandler 1202 und 1204 dieselbe Vorspannungsspannung oder eine unterschiedliche Vorspannungsspannung aufweisen und können ein differenzielles Ausgangssignal bereitstellen.
  • 12c stellt ein Ausführungsbeispiel eines Wandlersystems 1220 mit zwei Wandlern 1202 und 1204 mit einer ungleichen Anzahl von Wandlerelementen dar. Der Wandler 1202 umfasst drei Wandlerelemente und der Wandler 1204 umfasst ein Wandlerelement. Wiederum weisen die Wandlerelemente des Wandlers 1202 gemeinsame Rückwandplatten- und Diaphragma-Kopplungen zur Rückwandplattenanschlussfläche 1 bzw. Membrananschlussfläche 1 auf. Die in 12a–12c gezeigten Konfigurationen sind rein darstellend und sollten nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden. Mehr als vier Wandlerelemente sind hierin ohne Weiteres in Betrachtung gezogen und jegliche Konfiguration derselben kann verwendet werden.
  • Wie in 12a–c gezeigt ist, können einige Ausführungsbeispiele von MEMS auch Schutzanschlussflächen (guard pads) umfassen, die verwendet werden können, um die Wirkung parasitärer Kapazitäten zu reduzieren. In solchen Fällen können Stifte Guard 1 (Schutz 1) und Guard 2 (Schutz 2) mit einer Schnittstellenschaltung verbunden sein, die dasselbe Signal bereitstellt, das an der Rückwandplatte erzeugt wird.
  • 13 stellt ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Wandlers 1300 mit einer ersten Rückwandplatte 1302 und einer zweiten Rückwandplatte 1304 auf gegenüberliegenden Seiten eines Diaphragmas 1306 dar, die alle mit einem ersten Substrat 1310 gekoppelt sind. Ein zweites Substrat 1308 kann von dem ersten Substrat 1310 durch eine Schnittstellenschicht 1318 getrennt sein und das erste Substrat 1310 kann durch eine Passivierungsschicht 1320 abgedeckt sein. Elektrische Kontakte 1312, 1314 und 1316 sind durch die Passivierungsschicht 1320 und das erste Substrat 1310 zu der Rückwandplatte 1302, Rückwandplatte 1304 und bzw. dem Diaphragma 1306 hergestellt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel breitet sich eine Schallwelle, die auf den Schallport 1330 auftrifft, durch die perforierte Rückwandplatte 1302 aus und verursacht, dass das Diaphragma 1306 abgelenkt wird. Wenn das Diaphragma 1306 abgelenkt wird, verändern sich Trennungsdistanzen zwischen dem Diaphragma 1306 und den Rückwandplatten 1302 und 1304, wodurch die Kapazitäten verändert werden. Die Änderung der Kapazität ist messbar als eine Spannungsänderung an den elektrischen Kontakten 1312, 1314 und 1316. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Diaphragma 306 eine Vorspannungsspannung aufweisen, angelegt über den elektrischen Kontakt 316 und die Rückwandplatten 1302 und 1304 können ein differenzielles Signal bereitstellen, das über elektrische Kontakte 1312 und 1314 ausgegeben wird. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen, da die Rückwandplatten 1302 und 1304 auf gegenüberliegenden Seiten des Diaphragmas 1306 angeordnet sind, sind die Ausgangssignale der elektrischen Kontakte 1312 und 1314 antiphasig.
  • 14 stellt ein Schema eines Ausführungsbeispiels eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Wandlersystems 1400 mit zwei Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofonen 1402 und 1404 dar, die mit einem Verstärker 1410 gekoppelt sind. Jedes Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon 1402 und 1404 kann eine untere Rückwandplatte (LBP; lower backplate), ein Diaphragma (DIA; diaphragm) und eine obere Rückwandplatte (UBP; upper backplate) umfassen. Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofone 1402 und 1404 sind durch einen Vorspannungsspannungserzeuger 1420 durch einen Widerstand 1408 und einen Kondensator 1406 vorgespannt. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine einfallende Schallwelle auf einen gemeinschaftlich verwendeten Schallport (nicht gezeigt) für Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofone 1402 und 1404 in ein differenzielles Signal auf den Leitungen 1412 und 1414 umgewandelt. Der Verstärker 1410 empfängt das differenzielle Signal und stellt ein verstärktes, differenzielles Ausganssignal auf Leitungen 1416 und 1418 bereit. Verschiedene Kombinationen, Ersetzungen und Konfigurationen können gemäß den verschiedenen Ausführungsbeispielen implementiert werden, die bezugnehmend auf die hierin enthaltenen Figuren beschrieben sind.
  • 15 stellt ein Schema eines anderen Ausführungsbeispiels eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Wandlersystems 1500 mit zwei Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofonen 1502 und 1504 dar, die mit zwei unsymmetrischen Verstärkern 1510 und 1515 gekoppelt sind, die Verstärkungen Ap bzw. An aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist Ap in Vorzeichen und Größe gleich An. Bei anderen Ausführungsbeispielen ist Ap von umgekehrtem Vorzeichen und gleicher Größe wie An.
  • 16 stellt ein Schema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Wandlersystems 1600 mit zwei Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofonen 1602 und 1604, zwei Verstärkern 1610 und 1615 und zwei Schaltern 1606 und 1608 dar. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen schalten die Schalter 1606 und 1608 ein oder beide MEMS-Mikrofone 1602 und 1604 ein und aus durch Koppeln und Entkoppeln der Vorspannungsspannungserzeuger 1622 und 1624. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind Vorspannungsspannungserzeuger ausgebildet, um die Empfindlichkeit von MEMS-Mikrofonen 1602 und 1604 einzustellen. Bei einem spezifischen Ausführungsbeispiel stellt der Vorspannungserzeuger 1622 eine höhere Empfindlichkeit und höheren Leistungsverbrauch bereit und der Vorspannungserzeuger 1624 stellt eine niedrigere Empfindlichkeit und einen niedrigeren Leistungsverbrauch bereit. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können Schalter 1606 und 1608 gemäß Systemverwendung und Anforderungen geöffnet oder geschlossen sein, um in einem Hochempfindlichkeitsmodus oder einem Niedrigleistungsmodus zu arbeiten. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Verstärker 1610 und 1615 differenzielle Verstärker sein. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die Verstärker 1610 und 1615 unsymmetrische Verstärker sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Schalter 1606 und 1608 weggelassen und die unterschiedlichen Vorspannungsspannungen sind hartverdrahtet.
  • 17 stellt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben eines Wandlersystems 1700 dar, das Schritte 1710, 1720 und 1730 umfasst. Schritt 1710 umfasst das Empfangen eines akustischen Signals durch einen Schallport, der akustisch mit einem ersten und zweiten Wandlerelement gekoppelt ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst jedes Wandlerelement eine Rückwandplatte und ein Diaphragma. Schritt 1720 umfasst das Erzeugen eines differenziellen Signals an den Rückwandplatten der Wandlerelemente und Schritt 1730 umfasst das Verstärken des differenziellen Signals.
  • 18a stellt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Top-Port-Mikrofon-Packages 1800 dar, das das Mikrofon 1802, die integrierte Schaltung (IC; integrated circuit) 1804, Packageplatine 1806 und Deckel 1808 umfasst. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist das Mikrofon 1802 auf derselben IC 1804 hergestellt und ist unter dem Schallport 1812 angeordnet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Schallport in anderen Teilen des Packages angeordnet sein und kann über dem Mikrofon sein oder nicht. Die IC 1804 kann an die Packageplatine 1806 durch ein Kugelgitterarray (BGA; ball grid array) 1810 angebracht sein. Wie dargestellt ist, kann der Deckel 1808 an die Packageplatine 1806 angebracht sein und kann einen Packageschallport 1812 umfassen.
  • Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist das Mikrofon 1802 ein MEMS-Mikrofon. Das Mikrofon 1802 kann mehrere Wandlerelemente umfassen oder kann mehrere separate Mikrofonchips umfassen, wobei jeder derselben einen einzelnen Wandler oder eine Mehrzahl von Wandlern aufweist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann das Mikrofon 1802 auf einer separaten IC hergestellt sein und mit der IC 1804 über ein zusätzliches BGA, ein elektronisches Wafer-Ebenen-BGA (eWLB) oder jegliches Verfahren gebondet sein, das in der Technik bekannt ist. Die IC kann jegliche integrierte Schaltung sein, ASIC, FPGA oder ein ähnlicher Chip.
  • Die 18b stellt einen Querschnitt einen anderen Ausführungsbeispiels eines Top-Port-Mikrofonpackages 1820 dar, das ein Mikrofon 1822, eine integrierte Schaltung (IC) 1824, ein Package 1826 und einen Deckel 1828 umfasst. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen sind das Mikrofon 1822 und die IC 1824 an dem Deckel 1828 angebracht. Der Schallport 1832 ist akustisch mit einem Hohlraum oder einem gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum des Mikrofons 1822 gekoppelt, wie oben detaillierter bezugnehmend auf die anderen Figuren beschrieben ist. Der Deckel 1828 kann an das Package 1826 angebracht sein und das Package 1826 kann elektrische Verbindungen 1834 zum Koppeln mit einem elektrischen System umfassen, wie zum Beispiel einem eingebetteten System in einem Mobiltelefonpackage oder auf einer PCB. Die IC 1824 kann mit dem Mikrofon 1822 über eine interne Verdrahtung 1836 gekoppelt sein. Zusätzliche elektrische Verbindungen können die IC 1824 mit den elektrischen Verbindungen 1834 koppeln. Solche elektrische Verbindungen können Spuren in dem Deckel 1828 und dem Package 1826 umfassen und/oder eine zusätzliche, interne Verdrahtung (nicht gezeigt). Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können der Deckel 1828 und das Package 1826 PCBs umfassen.
  • Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können Mikrofone 1802 und 1822 gemäß einem der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele implementiert sein und insbesondere gemäß den oben beschriebenen 8a–8d, 9 und 10. Dementsprechend können Mikrofone 1802 und 1822 zahlreiche Wandler oder MEMS-Wandlerelemente, Substrate, Abstandhalter und/oder Trägerchips umfassen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen sind Mikrofone 1802 und 1822 andere Typen von MEMS-Wandlern. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können Packageplatine 1806, Package 1826, Deckel 1808 und Deckel 1828 aus PCBs, Keramik, Polymer, Glas, Verbundstoff, Metall, Halbleiter oder jeglicher Kombination derselben aufgebaut sein.
  • Ein Ausführungsbeispiel, wie es hierin beschrieben ist, umfasst ein mikroelektromechanisches System (MEMS; microelectromechanical system) mit einem ersten MEMS-Wandlerelement, einem zweiten MEMS-Wandlerelement und einem Halbleitersubstrat. Das erste und zweite MEMS-Wandlerelement sind auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet und das Halbleitersubstrat umfasst einen gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum, der akustisch mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist. Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Vorspannungserzeuger, der mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist, und einen Verstärker mit Eingangsanschlüssen, die mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt sind. In einem solchen Fall stellt der Verstärker ein differenzielles Ausgangssignal an seinen Ausgangsanschlüssen bereit.
  • Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst der Vorspannungserzeuger einen ersten Vorspannungserzeuger, der mit dem ersten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um eine erste Vorspannungsspannung bereitzustellen, und einen zweiten Vorspannungserzeuger, der mit dem zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannungsspannung bereitzustellen. Der Verstärker und der Vorspannungserzeuger können auf einer integrierten Schaltung (IC) angeordnet sein und können elektrisch mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsbeispielen können der Verstärker und der Vorspannungserzeuger auf dem Substrat integriert sein. Das erste MEMS-Wandlerelement kann eine Mehrzahl von ersten MEMS-Wandlerelementen umfassen und das zweite MEMS-Wandlerelement kann eine Mehrzahl von zweiten MEMS-Wandlerelementen umfassen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das MEMS ferner einen einzelnen Schallport umfassen, der mit dem gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum gekoppelt ist.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS ein erstes MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche eines ersten Halbleitersubstrats angeordnet ist, das einen ersten Hohlraum innerhalb des ersten Halbleitersubstrats überlagert, ein zweites MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche eines zweiten Halbleitersubstrats angeordnet ist, das einen zweiten Hohlraum innerhalb des zweiten Halbleitersubstrats überlagert, ein drittes Substrat innerhalb eines gemeinschaftlich verwendeten Hohlraums und ein viertes Substrat mit einem Schallport. Das erste Substrat und das zweite Substrat können auf dem dritten Substrat angeordnet sein, wobei zumindest ein Teil des ersten Hohlraums und ein Teil des zweiten Hohlraums den gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum überlagert. Das dritte Substrat kann sich von dem ersten Halbleitersubstrat und dem zweiten Halbleitersubstrat unterscheiden. Ferner kann das dritte Substrat auf dem vierten Substrat angeordnet sein, wobei zumindest ein Teil des gemeinschaftlich verwendeten Hohlraums den Schallport überlagert. Das vierte Substrat kann sich von dem ersten Halbleitersubstrat, dem zweiten Halbleitersubstrat und dem dritten Substrat unterscheiden.
  • Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das dritte Substrat einen Trägerchip umfassen und das vierte Substrat kann eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB) umfassen. Der gemeinschaftlich verwendete Hohlraum kann breiter sein als der Schallport. Bei einigen Ausführungsbeispielen sind das erste Substrat und das zweite Substrat das gleiche Substrat. Das MEMS kann ferner einen Vorspannungserzeuger, der mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist, und einen Verstärker umfassen. Der Verstärker kann Eingangsanschlüsse umfassen, die mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt sind, und Ausgangsanschlüsse, die ausgebildet sind, um ein differenzielles Ausgangssignal bereitzustellen. Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das erste MEMS-Wandlerelement eine Mehrzahl von ersten MEMS-Wandlerelementen und das zweite MEMS-Wandlerelement umfasst eine Mehrzahl von zweiten MEMS-Wandlerelementen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines akustischen Wandlersystems, das Empfangen eines akustischen Signals über einen gemeinschaftlich verwendeten Schallport unter Verwendung eines ersten Wandlerelements und eines zweiten Wandlerelements, das Erzeugen eines ersten differenziellen Signals an Ausgängen des ersten und zweiten Wandlerelements und das Verstärken des ersten, differenziellen Signals mit einem Verstärker. Ferner kann das Verfahren das Erzeugen eines zweiten differenziellen Signals an einem Ausgang des Verstärkers umfassen. Bei einigen Ausführungsbeispielen umfasst das Empfangen des akustischen Signals das Empfangen des akustischen Signals durch einen einzelnen Hohlraum, der in einem Substrat gebildet ist und akustisch mit dem gemeinschaftlich verwendeten Schallport gekoppelt ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind das erste und zweite Wandlerelement auf dem Substrat über dem Hohlraum gebildet. Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfasst das Erzeugen des ersten, differenziellen Signals an dem ersten und zweiten Wandlerelement das Erzeugen eines ersten Signals aus dem ersten Wandlerelement und das Erzeugen eines zweiten Signals aus dem zweiten Wandlerelement. Das zweite Signal kann antiphasig zu dem ersten Signal sein.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Wandlersystems: (1) Bilden eines ersten MEMS-Mikrofons und eines zweiten MEMS-Mikrofons auf einer oberen Oberfläche eines Halbleitersubstrats, (2) Aufbringen einer ersten Ätzmaske auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats, (3) Aufbringen einer zweiten Ätzmaske auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats, Ätzen eines Teils des Halbleitersubstrats gemäß der zweiten Ätzmaske von der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats und Stoppen des Ätzens bevor die Unterseiten des ersten und zweiten MEMS-Mikrofons freigelegt sind, und (4) Entfernen der zweiten Maske und Ätzen eines Teils des Halbleitersubstrats gemäß der ersten Ätzmaske, bis die Unterseiten des ersten und zweiten MEMS-Mikrofons freigelegt sind. Die erste Ätzmaske umfasst eine erste Öffnung, die mit den MEMS-Mikrofonen ausgerichtet ist, und die zweite Ätzmaske umfasst eine zweite und dritte Öffnung, die mit dem ersten MEMS-Mikrofon und dem zweiten MEMS-Mikrofon ausgerichtet sind und denselben entsprechen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Wandlersystem eine erste mechanische starre Rückwandplatte, ein erstes ablenkbares Diaphragma benachbart zu der ersten Rückwandplatte und ausgebildet, um elektrisch mit einer ersten Vorspannungsspannung gekoppelt zu sein, eine zweite mechanisch starre Rückwandplatte, ein zweites ablenkbares Diaphragma benachbart zu der zweiten Rückwandplatte und ausgebildet, um elektrisch mit einer zweiten Vorspannungsspannung gekoppelt zu sein, und einen Verstärker mit Eingangsanschlüssen, die elektrisch mit der ersten und zweiten mechanisch starren Rückwandplatte gekoppelt sind. Bei einigen Ausführungsbeispielen weist der Verstärker Ausgangsanschlüsse auf, die ausgebildet sind, um ein differenzielles Ausgangssignal bereitzustellen. Der Verstärker kann ein differenzieller Verstärker sein.
  • Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst das Wandlersystem ferner einen Vorspannungsspannungserzeuger, der ausgebildet ist, um die erste Vorspannungsspannung und die zweite Vorspannungsspannung zu erzeugen. Die erste Vorspannungsspannung kann sich von der zweiten Vorspannungsspannung unterscheiden. Ferner können der Verstärker und der Vorspannungsspannungserzeuger auf einer integrierten Schaltung (IC) angeordnet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel umfassen die erste mechanisch starre Rückwandplatte und das erste ablenkbare Diaphragma eine Mehrzahl von mechanisch starren Rückwandplatten und eine Mehrzahl von ersten ablenkbaren Diaphragmen, und die zweite mechanisch starre Rückwandplatte und das zweite ablenkbare Diaphragma umfassen eine Mehrzahl von zweiten mechanisch starren Rückwandplatten und eine Mehrzahl von zweiten ablenkbaren Diaphragmen.
  • Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die erste und zweite mechanisch starre Rückwandplatte ein Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon und das erste und zweite ablenkbare Diaphragma sind ein einzelnes Diaphragma des Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofons. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel umfasst der Verstärker einen ersten unsymmetrischen Verstärker und einen zweiten unsymmetrischen Verstärker. Der erste unsymmetrische Verstärker kann eine erste Verstärkung von im Wesentlichen gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen aufweisen wie eine zweite Verstärkung des zweiten unsymmetrischen Verstärkers.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB) mit einem ersten Hohlraum, der über einem zweiten Hohlraum angeordnet ist, und einen MEMS-Wandler, der auf einer oberen Oberfläche der PCB benachbart zu dem ersten Hohlraum angeordnet ist. Der erste Hohlraum kann größer sein als der zweite Hohlraum. Ferner umfasst der MEMS-Wandler ein Halbleitersubstrat, ein erstes MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, das einen dritten Hohlraum überlagert, der in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, und ein zweites MEMS-Wandlerelement, das an der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, das einen vierten Hohlraum überlagert, der in dem Halbleitersubstrat gebildet ist. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind der erste, zweite, dritte und vierte Hohlraum alle akustisch gekoppelt. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die PCB eine erste Schicht, die den ersten Hohlraum umfasst und eine zweite Schicht, die den zweiten Hohlraum umfasst. Das erste und zweite MEMS-Wandlerelement können zusammen ein Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon umfassen oder bilden.
  • Vorteile von hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen können ein robustes Verhalten bei Vorhandensein von Störung, eine lineare Wandleroperation mit niedriger Verzerrung zweiter Ordnung, großes Signalschwingen für eine gegebene Versorgungsspannung mit einem hohen dynamischen Bereich und ein gutes Verhalten unter Bedingungen mit hohem Schalldruckpegel (SPL; sound pressure level) umfassen. Ausführungsbeispiele mit einem Doppel-Rückwandplatten-MEMS können das Verwenden einer topologisch einfachen ASIC und eine hohe Raumverwendungseffizienz ermöglichen. Mehrere einzelne Rückwandplatten-MEMS können niedrige Herstellungskosten haben, niedriges akustisches Rauschen aufweisen und physisch robust sein.
  • Während diese Erfindung bezugnehmend auf darstellende Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, soll diese Beschreibung nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden. Verschiedene Modifikationen und Kombinationen der darstellenden Ausführungsbeispiele sowie anderer Ausführungsbeispiele der Erfindung sind für Fachleute auf dem Gebiet nach Bezug auf die Beschreibung offensichtlich. Es ist daher die Absicht, dass die anhängigen Ansprüche jegliche solche Modifikationen oder Ausführungsbeispiele einschließen.

Claims (22)

  1. Ein mikroelektromechanisches System (MEMS), umfassend: ein erstes MEMS-Wandlerelement; ein zweites MEMS-Wandlerelement; und ein Halbleitersubstrat, das einen gemeinschaftlich verwendetem Hohlraum aufweist, wobei das erste MEMS-Wandlerelement und das zweite MEMS-Wandlerelement auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet sind und akustisch mit dem gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum gekoppelt sind.
  2. Das MEMS gemäß Anspruch 1, ferner umfassend: einen Verstärker, der Eingangsanschlüsse, die mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt sind, und Ausgangsanschlüsse, die ausgebildet sind, um ein differenzielles Ausgangssignal bereitzustellen, aufweist; und einen Vorspannungserzeuger, der mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist.
  3. Das MEMS gemäß Anspruch 2, der Vorspannungserzeuger umfassend: einen ersten Vorspannungserzeuger, der mit dem ersten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um eine erste Vorspannungsspannung bereitzustellen; und einen zweiten Vorspannungserzeuger, der mit dem zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, um eine zweite Vorspannungsspannung bereitzustellen.
  4. Das MEMS gemäß Anspruch 2 oder 3, wobei der Verstärker und der Vorspannungserzeuger auf einer integrierten Schaltung (IC) angeordnet sind und elektrisch mit dem ersten und zweiten MEMS-Wandlerelement gekoppelt sind.
  5. Das MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das erste MEMS-Wandlerelement eine Mehrzahl von ersten MEMS-Wandlerelementen aufweist und das zweite MEMS-Wandlerelement eine Mehrzahl von zweiten MEMS-Wandlerelementen aufweist.
  6. Das MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner einen einzelnen Schallport aufweist, der mit dem gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum gekoppelt ist.
  7. Ein mikroelektromechanisches System (MEMS), umfassend: ein erstes MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche eines ersten Halbleitersubstrats angeordnet ist, die einen ersten Hohlraum innerhalb des ersten Halbleitersubstrats überlagert; ein zweites MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche eines zweiten Halbleitersubstrats angeordnet ist, die einen zweiten Hohlraum innerhalb des zweiten Halbleitersubstrats überlagert; ein drittes Substrat, das einen gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum aufweist, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat auf dem dritten Substrat angeordnet sind, wobei zumindest ein Teil des ersten Hohlraums und ein Teil des zweiten Hohlraums den gemeinschaftlich verwendeten Hohlraum überlagern und wobei das dritte Substrat sich von dem ersten Halbleitersubstrat und dem zweiten Halbleitersubstrat unterscheidet; und ein viertes Substrat, das einen Schallport aufweist, wobei das dritte Substrat auf dem vierten Substrat angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil des gemeinschaftlich verwendeten Hohlraums den Schallport überlagert, und wobei sich das vierte Substrat von dem ersten Halbleitersubstrat, dem zweiten Halbleitersubstrat und dem dritten Substrat unterscheidet.
  8. Das MEMS gemäß Anspruch 7, wobei das dritte Substrat einen Trägerchip aufweist und/oder wobei das vierte Substrat eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB) aufweist.
  9. Das MEMS gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der gemeinschaftlich verwendete Hohlraum weiter ist als der Schallport.
  10. Das MEMS gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das erste Substrat und das zweite Substrat ein gleiches Substrat sind.
  11. Ein Verfahren zum Betreiben eines akustischen Wandlersystems, umfassend: Empfangen eines akustischen Signals über einen gemeinschaftlich verwendeten Schallport unter Verwendung eines ersten Wandlerelements und eines zweiten Wandlerelements; Erzeugen eines ersten differenziellen Signals an Ausgängen des ersten und zweiten Wandlerelements; und Verstärken des ersten differenziellen Signals mit einem Verstärker.
  12. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner das Erzeugen eines zweiten differenziellen Signals an einem Ausgang des Verstärkers aufweist.
  13. Das Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei das Empfangen des akustischen Signals ferner das Empfangen des akustischen Signals durch einen einzelnen Hohlraum aufweist, der in einem Substrat gebildet ist und akustisch mit dem gemeinschaftlich verwendeten Schallport gekoppelt ist, wobei das erste und zweite Wandlerelement auf dem Substrat über dem Hohlraum gebildet sind.
  14. Ein Verfahren zum Herstellen eines Wandlersystems, umfassend: Bilden eines ersten MEMS-Mikrofons (MEMS = microelectromechanical system) und eines zweiten MEMS-Mikrofons auf einer oberen Oberfläche eines Halbleitersubstrats; Aufbringen einer ersten Ätzmaske auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die erste Ätzmaske eine erste Öffnung aufweist, die mit den MEMS-Mikrofonen ausgerichtet ist; Anlegen einer zweiten Ätzmaske auf einer unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats, wobei die zweite Ätzmaske eine zweite und dritte Öffnung aufweist, die mit dem ersten MEMS-Mikrofon und dem zweiten MEMS-Mikrofon ausgerichtet sind und diesen entsprechen; Ätzen eines Teils des Halbleitersubstrats gemäß der zweiten Maske von der unteren Oberfläche des Halbleitersubstrats und Stoppen des Ätzens bevor die Unterseiten des ersten und zweiten MEMS-Mikrofons freiliegend sind; und Entfernen der zweiten Maske und Ätzen eines Teils des Halbleitersubstrats gemäß der ersten Ätzmaske, bis die Unterseiten des ersten und zweiten MEMS-Mikrofons freiliegend sind.
  15. Ein Wandlersystem, umfassend: eine erste, mechanisch starre Rückwandplatte; ein erstes ablenkbares Diaphragma benachbart zu der ersten Rückwandplatte und ausgebildet, um elektrisch mit einer ersten Vorspannungsspannung gekoppelt zu sein; eine zweite mechanisch starre Rückwandplatte; ein zweites ablenkbares Diaphragma benachbart zu der zweiten Rückwandplatte und ausgebildet, um elektrisch mit einer zweiten Vorspannungsspannung gekoppelt zu sein; und einen Verstärker, der Eingangsanschlüsse aufweist, die elektrisch mit der ersten und zweiten mechanisch starren Rückwandplatte gekoppelt sind.
  16. Das Wandlersystem gemäß Anspruch 15, wobei der Verstärker einen differenziellen Verstärker aufweist und Ausgangsanschlüsse aufweist, die ausgebildet sind, um ein differenzielles Ausgangssignal bereitzustellen.
  17. Das Wandlersystem gemäß Anspruch 15 oder 16, das ferner einen Vorspannungsspannungserzeuger aufweist, der ausgebildet ist, um die erste Vorspannungsspannung und die zweite Vorspannungsspannung zu erzeugen, wobei sich die erste Vorspannungsspannung von der zweiten Vorspannungsspannung unterscheidet.
  18. Das Wandlersystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die erste mechanisch starre Rückwandplatte und das erste ablenkbare Diaphragma eine Mehrzahl von ersten mechanisch starren Rückwandplatten und eine Mehrzahl von ersten ablenkbaren Diaphragmen aufweisen, und wobei die zweite mechanisch starre Rückwandplatte und das zweite ablenkbare Diaphragma eine Mehrzahl von zweiten mechanisch starren Rückwandplatten und eine Mehrzahl von zweiten ablenkbaren Diaphragmen aufweisen.
  19. Das Wandlersystem gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die erste und die zweite mechanisch starre Rückwandplatte ein Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofon (MEMS = microelectromechanical system) aufweisen, und wobei das erste und zweite ablenkbare Diaphragma ein einzelnes Diaphragma des Doppel-Rückwandplatten-MEMS-Mikrofons aufweisen.
  20. Das Wandlersystem gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei der Verstärker einen ersten unsymmetrischen Verstärker und einen zweiten unsymmetrischen Verstärker aufweist, wobei der erste unsymmetrische Verstärker eine erste Verstärkung von im Wesentlichen gleicher Größe und entgegengesetztem Vorzeichen aufweist wie eine zweite Verstärkung des zweiten unsymmetrischen Verstärkers.
  21. Ein mikroelektromechanisches System (MEMS), umfassend: eine Platine, die einen ersten Hohlraum aufweist, der über einem zweiten Hohlraum angeordnet ist, wobei der erste Hohlraum größer ist als der zweite Hohlraum; und einen MEMS-Wandler, der auf einer oberen Oberfläche der Platine benachbart zu dem ersten Hohlraum angeordnet ist, wobei der MEMS-Wandler folgendes aufweist: ein Halbleitersubstrat, ein erstes MEMS-Wandlerelement, das auf einer oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, die einen dritten Hohlraum überlagert, der in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, und ein zweites MEMS-Wandlerelement, das auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, die einen vierten Hohlraum überlagert, der in dem Halbleitersubstrat gebildet ist, wobei der erste, zweite, dritte und vierte Hohlraum alle akustisch gekoppelt sind.
  22. Das MEMS gemäß Anspruch 21, wobei die Platine eine erste Schicht aufweist, die den ersten Hohlraum aufweist, und eine zweite Schicht, die den zweiten Hohlraum aufweist.
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