DE102015103321B4

DE102015103321B4 - Doppelmembran-Mems-Mikrophon ohne Rückplattenelement

Info

Publication number: DE102015103321B4
Application number: DE102015103321.6A
Authority: DE
Inventors: Marina Fekry Megally Bastarous; Alfons Dehe
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2035-03-07
Also published as: DE102015103321A1; US20150256940A1; KR101689954B1; KR20150105224A; CN104891423A; CN104891423B; US9510107B2

Abstract

Sensorstruktur ohne Rückplattenelement, die Folgendes aufweist:eine erste MEMS-Struktur (200) mit einem in einem ersten Substrat (202) ausgebildeten ersten Hohlraum (210) und einer über dem ersten Hohlraum (210) aufgehängten ersten Membran (208), undeine zweite MEMS-Struktur (300) mit einem in einem zweiten Substrat (302) ausgebildeten zweiten Hohlraum (308) und einer über dem zweiten Hohlraum (308) aufgehängten zweiten Membran (306),wobei die zweite Membran (104, 306, 1204, 1304) an der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) angeordnet ist, um ein Volumen zu bilden; undwobei mindestens eine Abstandhalterstruktur (206) (206) zwischen der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) und der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Abstandshalterstruktur (206) mit einer Oberfläche der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) und mit einer Oberfläche der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) verbunden und/oder daran befestigt ist und diese miteinander verbindet, wobei die Oberfläche der ersten Membran der Oberfläche der zweiten Membran gegenüber liegt;wobei die mindestens eine Abstandhalterstruktur (206) zwischen der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) und der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) angeordnet ist, um das Volumen weiter zu umschließen;wobei die erste Membran (102, 208, 1202, 1302) und die zweite Membran (104, 306, 1204, 1304) relativ zueinander derart angeordnet sind, dass eine empfangene Druckwelle (110), die in das Volumen zwischen der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) und der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) eintritt, eine Verlagerung der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) in eine erste Richtung und eine Verlagerung der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) in eine zweite Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, erzeugt.

Description

Verschiedene Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen eine Sensorstruktur, die eine erste aufgehängte Struktur und eine zweite aufgehängte Struktur aufweist, die angeordnet sind, um ein Volumen zu umschließen.
Ein Mikrophon ist auf einer sehr grundlegenden Ebene ein Wandler, der eine Druckwelle in ein elektrisches Signal umsetzt. Ein herkömmliches Mikrophon weist eine Membran auf, die einfallenden Druckwellen ausgesetzt ist. Die Druckwellen bewirken, dass sich die Membran auslenkt, und diese Auslenkung wird durch verschiedene Transduktionsmechanismen detektiert und in ein elektrisches Signal umgesetzt. In einem Mikrophon eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) können herkömmliche Transduktionsmechanismen piezoelektrische, Piezowiderstands-, optische und kapazitive Mechanismen aufweisen. Ein einfaches MEMS-Mikrophon kann ein Kondensator sein, der aus einer Gegenelektrode, die üblicher als „Rückplatte“ bezeichnet wird, und einer Membran besteht. Wenn eine Spannung über das kapazitive Rückplatten/Membran-System angelegt wird und Schallwellen die Oszillation der Membran bewirken, können die Schallwellen durch Messen der Änderung der Kapazität, die durch die Bewegung der Membran relativ zur Rückplatte verursacht wird, in brauchbare elektrische Signale umgesetzt werden. MEMS-Mikrophone, die das kapazitive Ansteuerprinzip verwenden, weisen typischerweise eine hohe Empfindlichkeit auf, aber sie können von elektrischem „Rauschen“ beeinflusst werden, das durch eine parasitäre Kapazität von der Rückplatte verursacht wird. Ein Verfahren zum Bewerkstelligen einer erhöhten Empfindlichkeit ist das Hinzufügen einer zweiten Rückplatte auf der Seite der Membran entgegengesetzt zu jener der ersten Rückplatte. Durch Hinzufügen einer zweiten Rückplatte wird jedoch das Potential für Rauschen ebenso erhöht. Aus US 2008/01925963 A1 , DE 696 15 056 T2 , US 2013/0010981 A1 und DE 11 2010 002 028 T5 sind Mikrofone unterschiedlicher Bauform bekannt.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Sensorstruktur ohne Rückplattenelement bereitgestellt. Die Sensorstruktur weist auf: eine erste MEMS-Struktur mit einem in einem ersten Substrat ausgebildeten ersten Hohlraum und einer über dem ersten Hohlraum aufgehängten ersten Membran, und eine zweite MEMS-Struktur mit einem in einem zweiten Substrat ausgebildeten zweiten Hohlraum und einer über dem zweiten Hohlraum aufgehängten zweiten Membran, wobei die zweite Membran, an der ersten Membran, angeordnet ist, um ein Volumen zu bilden; und wobei mindestens eine Abstandhalterstruktur zwischen der ersten Membran, und der zweiten Membran, angeordnet ist, wobei die mindestens eine Abstandshalterstruktur mit einer Oberfläche der ersten Membran, und mit einer Oberfläche der zweiten Membran, verbunden und/oder daran befestigt ist und diese miteinander verbindet, wobei die Oberfläche der ersten Membran der Oberfläche der zweiten Membran gegenüber liegt; wobei die mindestens eine Abstandhalterstruktur zwischen der ersten Membran, und der zweiten Membran, angeordnet ist, um das Volumen weiter zu umschließen; wobei die erste Membran, und die zweite Membran, relativ zueinander derart angeordnet sind, dass eine empfangene Druckwelle, die in das Volumen zwischen der ersten Membran, und der zweiten Membran, eintritt, eine Verlagerung der ersten Membran, in eine erste Richtung und eine Verlagerung der zweiten Membran, in eine zweite Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, erzeugt.
In einer Ausgestaltung kann eine Oberfläche der ersten Membran an einer Oberfläche des ersten Substrats befestigt sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Sensorstruktur ferner mindestens eine Höckerelektrodenstruktur, die auf einer Oberfläche des ersten Substrats ausgebildet ist, aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die erste Membran mit der mindestens einen Höckerelektrodenstruktur elektrisch gekoppelt sein. In noch einer Ausgestaltung kann eine Oberfläche der zweiten Membran an einer Oberfläche des zweiten Substrats befestigt sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Sensorstruktur ferner mindestens eine Kontaktstelle, die auf einer Oberfläche des zweiten Substrats ausgebildet ist, aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die zweite Membran mit der mindestens einen Kontaktstelle elektrisch gekoppelt sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Sensorstruktur ferner mindestens eine Höckerelektrodenstruktur, die auf einer Oberfläche des ersten Substrats ausgebildet ist, aufweisen; wobei die mindestens eine Höckerelektrodenstruktur mit der mindestens einen Kontaktstelle elektrisch gekoppelt ist.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Sensorstrukturanordnung bereitgestellt, die: eine oben beschriebene Sensorstruktur aufweist. Die Sensorstrukturanordnung kann ferner eine Schaltung aufweisen, die mit der Sensorstruktur gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, die Verlagerung kapazitiv zu messen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Sensorstrukturanordnung bereitgestellt, die: eine oben beschriebene Sensorstruktur aufweist. Die Sensorstrukturanordnung kann ferner einen optischen Detektor aufweisen, der dazu konfiguriert ist, die Verlagerung optisch zu detektieren.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Sensorstrukturanordnung bereitgestellt, die: eine oben beschriebene Sensorstruktur aufweist. Die Sensorstrukturanordnung kann ferner eine Stützstruktur aufweisen, die an einer Oberfläche der Sensorstruktur befestigt ist.
In einer Ausgestaltung kann die Stützstruktur eine gedruckte Leiterplatte aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die Stützstruktur mindestens ein Durchgangsloch aufweisen. In noch einer Ausgestaltung kann die Sensorstrukturanordnung ferner eine Deckschicht aufweisen, die an der Stützstruktur befestigt ist; wobei die Deckschicht die Sensorstruktur umschließt. In noch einer Ausgestaltung kann die Sensorstrukturanordnung ferner eine Deckschicht aufweisen, die an der Stützstruktur befestigt ist; wobei die Deckschicht die Sensorstruktur umschließt. In noch einer Ausgestaltung kann eine innere Oberfläche der Deckschicht von der Rückseite des ersten Substrats getrennt und/oder räumlich versetzt sein. In noch einer Ausgestaltung kann die Deckschicht relativ zur ersten MEMS-Struktur derart angeordnet sein, dass der erste Hohlraum von der Deckschicht umschlossen ist, um ein erstes hinteres Volumen zu bilden. In noch einer Ausgestaltung kann eine Dichtungsschicht zwischen einer inneren Oberfläche der Deckschicht und der Rückseite des ersten Substrats angeordnet sein, um den ersten Hohlraum zu umschließen und das erste hintere Volumen zu bilden. In noch einer Ausgestaltung kann eine innere Oberfläche der Deckschicht von der ersten und zweiten MEMS-Struktur getrennt und/oder räumlich versetzt sein.
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen in den ganzen verschiedenen Ansichten auf dieselben Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstäblich, wobei stattdessen die Betonung im Allgemeinen auf die Erläuterung der Prinzipien der Erfindung gelegt ist. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine perspektivische Querschnittsansicht eines MEMS-Mikrophons ist;
2A eine Querschnittsansicht einer ersten MEMS-Struktur mit einem Membranelement gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
2B eine Draufsicht der in 2A dargestellten MEMS-Struktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
2C eine Draufsicht der in 2A dargestellten MEMS-Struktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
3A eine Querschnittsansicht einer zweiten MEMS-Struktur mit einem Membranelement gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
3B eine Draufsicht der in 3A dargestellten MEMS-Struktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
4 eine Querschnittsansicht, in der die erste MEMS-Struktur, die in 2A-2C dargestellt ist, und die zweite MEMS-Struktur, die in 3A & 3B dargestellt ist, aneinander befestigt und/oder miteinander verbunden wurden, gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
5A & 5B die Doppel-MEMS-Struktur von 4 gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
6A & 6B die Doppel-MEMS-Struktur von 4 gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
7A & 7B die Doppel-MEMS-Struktur von 4 gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
8A & 8B die Doppel-MEMS-Struktur von 4 gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
9A & 9B die Doppel-MEMS-Struktur von 4 gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
10A bis 10D die Doppel-MEMS-Struktur von 4 gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigen;
11 ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zur Herstellung der vorstehend beschriebenen MEMS-Strukturen gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist;
12 eine perspektivische Querschnittsansicht einer Doppelmembran-Sensorstruktur und einer Schaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Auslenkung kapazitiv zu detektieren, die in mindestens einer der Membranstrukturen durch eine einfallende Druckwelle erzeugt wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
13 eine perspektivische Querschnittsansicht einer Doppelmembran-Sensorstruktur und einer Schaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Auslenkung optisch zu detektieren, die in mindestens einer der Membranstrukturen durch eine einfallende Druckwelle erzeugt wird, gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
14 ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Betreiben einer Doppelmembran-Sensorstruktur gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist.

Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, die zur Erläuterung spezifische Details und Ausführungsformen zeigen, in denen die Erfindung ausgeführt werden kann.
Das Wort „beispielhaft“ wird hier verwendet, um „als Beispiel, Fall oder Erläuterung dienend“ zu besagen. Irgendeine hier als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Konstruktion soll nicht notwendigerweise als gegenüber anderen Ausführungsformen oder Konstruktionen bevorzugt oder vorteilhaft aufgefasst werden.
Das Wort „über“, das im Hinblick auf ein abgeschiedenes Material verwendet wird, das „über“ einer Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, kann hier verwendet werden, um zu besagen, dass das abgeschiedene Material „direkt auf”, z. B. in direktem Kontakt mit der implizierten Seite oder Oberfläche, ausgebildet sein kann. Das Wort „über“, das im Hinblick auf ein abgeschiedenes Material verwendet wird, das „über“ einer Seite oder Oberfläche ausgebildet ist, kann hier verwendet werden, um zu besagen, dass das abgeschiedene Material „indirekt auf” der implizierten Seite oder Oberfläche ausgebildet sein kann, wobei eine oder mehrere Schichten zwischen der implizierten Seite oder Oberfläche und dem abgeschiedenen Material angeordnet sind.
Gemäß der Offenbarung wird ein Doppelmembran-MEMS-Mikrophon ohne Rückplattenelement geschaffen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Diaphragma eine Platte oder eine Membran aufweisen. Eine Platte kann als Diaphragma unter Druck verstanden werden. Ferner kann eine Membran als Diaphragma unter Spannung verstanden werden. Obwohl verschiedene Ausführungsformen nachstehend mit Bezug auf eine Membran genauer beschrieben werden, kann sie alternativ mit einer Platte oder im Allgemeinen mit einem Diaphragma versehen sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen ist 1 eine Querschnittsansicht eines MEMS-Mikrophons, das ein Gehäuse 106, ein hinteres Volumen 108 und zwei Membranelemente 102 bzw. 104 enthalten kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Schallwellen 110 in ein Portal 112 eintreten und können verursachen, dass die Membranelemente 102 und 104 gegenphasig in Bezug aufeinander oszillieren. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die durch die Membranen 102 und 104 erzeugten Signale dann durch eine oder mehrere Verarbeitungsschaltungen (nicht dargestellt) verglichen werden, wie es für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann. Die Bewegung beider Membranen 102 und 104 kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen zu einem verdoppelten Signal im Vergleich zu Einzelmembran-MEMS-Mikrophonen führen. Da in verschiedenen Ausführungsformen ein Rückplattenelement nicht erforderlich sein kann, kann ferner das Potential für eine parasitäre Kapazität aufgrund der Rückplatte wesentlich verringert sein. Die verringerte parasitäre Kapazität kann, wenn sie mit dem erhöhten Signal von der Doppelmembranstruktur gekoppelt wird, den Rauschabstand des Mikrophons wesentlich erhöhen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann außerdem der verbesserte Rauschabstand in Abwesenheit einer perforierten Rückplatte weiter erhöht werden, wenn der Schall durch eine Öffnung mit niedriger Impedanz zwischen den Membranen eintritt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 2A bis 2C dargestellt, kann das Doppelmembran-MEMS-Mikrophon eine erste MEMS-Struktur 200 aufweisen. Die MEMS-Struktur 200 kann ein erstes Substrat 202 mit einem ersten Hohlraum 210, der im ersten Substrat 202 ausgebildet ist, und eine erste Membran 208, die über dem ersten Hohlraum 210 aufgehängt ist, aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die MEMS-Struktur 200 ferner mindestens eine Höckerelektrode 204, die auf einer oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202 ausgebildet ist, und mindestens eine Abstandhalterstruktur 206, die über einem Abschnitt der ersten Membran 208 ausgebildet ist, umfassen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das erste Substrat 202 ein Halbleitersubstrat wie z. B. ein Siliziumsubstrat sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann das erste Substrat 202 ferner andere Halbleitermaterialien wie z. B. Germanium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Indium, Indiumgalliumnitrid, Indiumgalliumarsenid, Indiumgalliumzinkoxid oder andere elementare und/oder Verbundhalbleiter (z. B. einen III-V-Verbundhalbleiter wie z. B. Galliumarsensid oder Indiumphosphid oder einen II-VI-Verbundhalbleiter oder einen ternären Verbundhalbleiter oder einen quaternären Verbundhalbleiter) umfassen oder daraus bestehen, wie es für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 über zumindest einem Abschnitt der oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202 ausgebildet werden, bevor der erste Hohlraum 210 im ersten Substrat 202 ausgebildet wird. In verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 über zumindest einem Abschnitt der ersten Membran 208 ausgebildet werden. Mit anderen Worten, gemäß verschiedenen Ausführungsformen können das erste Substrat 202, die erste Membran 208 und die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 als geschichtete Struktur implementiert werden. Die Schichtstruktur kann dann von einer Rückseite 202b (die die Seite des ersten Substrats 202 entgegengesetzt zur oberen Oberfläche 202a sein kann) des ersten Substrats 202 geätzt werden, um den ersten Hohlraum 210 auszubilden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann, wenn das erste Substrat 202 geätzt wird, um den ersten Hohlraum 210 auszubilden, mindestens ein Abschnitt der ersten Membran 208 vom ersten Substrat 202 gelöst werden und über dem ersten Hohlraum 210 aufgehängt werden. Mit anderen Worten, gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Hohlraum 210 durch Ätzen des ersten Substrats 202 von der Rückseite 202b derart, dass das erste Substrat 202 von der Rückseite 202b zur oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202 durchgeätzt wird, ausgebildet werden und die erste Membran 208 kann nicht geätzt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Hohlraum 210 eine quadratische oder im Wesentlichen quadratische Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Hohlraum 210 eine rechteckige oder im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Hohlraum 210 ein Kreis sein oder eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Hohlraum 210 ein Oval sein oder eine im Wesentlichen ovale Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Hohlraum 210 ein Dreieck sein oder eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der erste Hohlraum 210 ein Kreuz sein oder im Wesentlichen kreuzförmig sein. Der erste Hohlraum 210 kann zu einer beliebigen Form ausgebildet werden, die für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann. Der erste Hohlraum 210 kann durch verschiedene Ätztechniken, z. B. isotropes Gasphasenätzen, Dampfätzen, Nassätzen, isotropes Trockenätzen, Plasmaätzen usw., geformt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 über der oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202 durch verschiedene Herstellungsverfahren, z. B. physikalische Gasphasenabscheidung, elektrochemische Abscheidung, chemische Gasphasenabscheidung und Molekularstrahlepitaxie, ausgebildet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 quadratisch oder im Wesentlichen quadratförmig sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 rechteckig sein oder eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 ein Kreis sein oder eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 ein Oval sein oder eine im Wesentlichen ovale Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 ein Dreieck sein oder eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 ein Kreuz sein oder im Wesentlichen kreuzförmig sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 zu einer beliebigen Form ausgebildet werden, die für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann.
Die erste Membran 208 kann aus einem Halbleitermaterial wie z. B. Silizium bestehen oder dieses aufweisen. Ferner kann die erste Membran 208 andere Halbleitermaterialien wie z. B. Germanium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Indium, Indiumgalliumnitrid, Indiumgalliumarsenid, Indiumgalliumzinkoxid oder andere elementare und/oder Verbundhalbleiter (z. B. einen III-V-Verbundhalbleiter wie z. B. Galliumarsensid oder Indiumphosphid oder einen II-VI-Verbundhalbleiter oder einen ternären Verbundhalbleiter oder einen quaternären Verbundhalbleiter) aufweisen oder daraus bestehen, wie für eine gegebene Anwendung erwünscht. Die erste Membran 208 kann aus einem dielektrischen Material, einem piezoelektrischen Material, einem Piezowiderstandsmaterial und/oder einem ferroelektrischen Material bestehen oder dieses aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke T1 der ersten Membran 208 beispielsweise 300 nm bis 5 µm, z. B. 300 nm bis 400 nm, z. B. 400 nm bis 500 nm, z. B. 500 nm bis 1 µm, z. B. 1 µm bis 3 µm, z. B. 3 µm bis 5 µm sein.
Die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 kann über zumindest einem Abschnitt der ersten Membranstruktur 208 ausgebildet sein. Als Beispiel kann in verschiedenen Ausführungsformen die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 über einem Abschnitt der ersten Membran 208 ausgebildet sein, der an der oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 200 verankert oder befestigt sein kann, z. B. einem Abschnitt der ersten Membran 208, der nicht über dem ersten Hohlraum 210 aufgehängt sein kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 entlang des Umfangs der ersten Membran 208 ausgebildet sein, so dass die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 zumindest teilweise einen inneren Abschnitt 208a (der ein Abschnitt der ersten Membran 208 sein kann, der nicht über dem ersten Hohlraum 210 aufgehängt sein kann) der ersten Membran 208 umgeben und/oder umschließen kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 als pfostenartige Strukturen implementiert und an den Scheiteln und/oder Ecken des ersten Substrats 202 ausgebildet sein (in Abhängigkeit von der geometrischen Form des ersten Substrats 202 in einer gegebenen Ausführungsform). Als Beispiel, wie in 2C dargestellt, kann das erste Substrat 202 ein Quadrat oder im Wesentlichen quadratförmig sein und die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 kann an den Scheiteln und/oder Ecken des ersten Substrats 202 ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 eine Höhe H1 im Bereich von etwa 1 µm bis etwa 10 µm, z. B. im Bereich von etwa 2 µm bis etwa 4 µm, aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann (können) die Abstandhalterstruktur(en) 206 eine Dicke T2 im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 100 µm, z. B. im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 20 µm, aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 beispielsweise verschiedene Dielektrika, Metalle und Polymere aufweisen oder daraus bestehen, wie sie für eine gegebene Anwendung erwünscht sind. Die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 kann ferner beispielsweise Glas und/oder verschiedene Polymere aufweisen oder daraus bestehen. Die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 kann irgendein Material aufweisen oder daraus bestehen, das für eine gegebene Anwendung erwünscht ist, beispielsweise ein Halbleitermaterial wie z. B. Germanium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Galliumarsenid, Indium, Indiumgalliumnitrid, Indiumgalliumarsenid, Indiumgalliumzinkoxid oder andere elementare und/oder Verbundhalbleiter.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Höckerelektrode 204 auf einem Abschnitt der oberen Oberfläche 202a des Substrats 202 ausgebildet sein, der zumindest teilweise den ersten Hohlraum 210 umgeben und/oder umschließen kann. Als Beispiel, wie in 2B dargestellt, kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen die mindestens eine Höckerelektrode 204 in einem Kantenbereich der oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202 ausgebildet sein, z. B. zwischen einer äußeren Kante 212 des ersten Hohlraums 210 (die eine Kante des Hohlraums 210 sein kann, die den Umfang des ersten Hohlraums 210 definiert) und einer äußeren Kante 214 (die eine Kante der oberen Oberfläche 202a sein kann, die den Umfang der oberen Oberfläche 202a definiert) der oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202.
Die mindestens eine Höckerelektrode 204 kann durch Strukturierungs- und Abscheidungstechniken wie z. B. durch einen elektrolytischen Plattierungsprozess, einen Photolithographieprozess und durch das sogenannte „Kugelhöcker“-Verfahren ausgebildet werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Höckerelektrode 204 aus einem leitfähigen Material wie z. B. Metall ausgebildet sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Höckerelektrode 204 beispielsweise aus Kupfer, Nickel, Zinn, Blei, Silber, Gold, Aluminium und verschiedenen Legierungen dieser Metalle wie z. B. Kupfernickel, Nickel-Aluminium usw. bestehen oder dies aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Höckerelektrode 204 aus einem Löthöcker bestehen oder diesen aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Höckerelektrode 204 ferner andere Materialien aufweisen oder aus diesen bestehen, die für eine gegebene Anwendung erwünscht sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die erste Membran 208 mit der mindestens einen Höckerelektrode 204 durch verschiedene elektrische Zuleitungen und Kontaktlöcher (nicht dargestellt) elektrisch gekoppelt sein, die in oder auf dem ersten Substrat 202 ausgebildet sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 3 dargestellt, kann das Doppelmembran-MEMS-Mikrophon eine zweite MEMS-Struktur 300 aufweisen. Die MEMS-Struktur 300 kann ein zweites Substrat 302 mit einem zweiten Hohlraum 308, der im zweiten Substrat 302 ausgebildet ist, und eine zweite Membran 306, die über dem zweiten Hohlraum 308 aufgehängt ist, aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die MEMS-Struktur 300 ferner mindestens eine Kontaktstelle 304 aufweisen, die auf einer oberen Oberfläche 302a des zweiten Substrats 302 ausgebildet ist.
Das zweite Substrat 302 kann ein Halbleitersubstrat wie z. B. ein Siliziumsubstrat sein. Ferner kann das zweite Substrat 302 andere Halbleitermaterialien wie z. B. wie z. B. Germanium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Indium, Indiumgalliumnitrid, Indiumgalliumarsenid, Indiumgalliumzinkoxid oder andere elementare und/oder Verbundhalbleiter (z. B. einen III-V-Verbundhalbleiter wie z. B. Galliumarsensid oder Indiumphosphid oder einen II-VI-Verbundhalbleiter oder einen ternären Verbundhalbleiter oder einen quaternären Verbundhalbleiter) umfassen oder daraus bestehen, wie für eine gegebene Anwendung erwünscht.
Die zweite Membran 306 kann über zumindest einem Abschnitt der oberen Oberfläche 302a des zweiten Substrats 302 ausgebildet werden, bevor der zweite Hohlraum 308 im zweiten Substrat 302 ausgebildet wird. Mit anderen Worten, gemäß verschiedenen Ausführungsformen können das zweite Substrat 302 und die zweite Membran 306 als geschichtete Struktur implementiert werden. Die Schichtstruktur kann dann von einer Rückseite 302b (die die Seite des zweiten Substrats 302 entgegengesetzt zur oberen Oberfläche 302a sein kann) des zweiten Substrats 302 geätzt werden, um den zweiten Hohlraum 308 auszubilden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann, wenn das zweite Substrat 302 geätzt wird, um den zweiten Hohlraum 308 auszubilden, zumindest ein Abschnitt der zweiten Membran 306 vom zweiten Substrat 302 gelöst werden und über dem zweiten Hohlraum 308 aufgehängt werden. Mit anderen Worten, gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Hohlraum 308 durch Ätzen des zweiten Substrats 302 von der Rückseite 302b ausgebildet werden, so dass das zweite Substrat 302 von der Rückseite 302b zur oberen Oberfläche 302a des zweiten Substrats 302 ohne Ätzen der zweiten Membran 306 durchgeätzt wird. Der zweite Hohlraum 308 kann im zweiten Substrat 302 derart ausgebildet werden, dass der zweite Hohlraum nicht geometrisch in der oberen Oberfläche 302a des zweiten Substrats 302 zentriert sein kann. Mit anderen Worten, gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der Abschnitt des zweiten Substrats 302, der den zweiten Hohlraum 308 umgeben und/oder umschließen kann, nicht symmetrisch sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Hohlraum 308 quadratisch sein oder eine im Wesentlichen quadratische Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Hohlraum 308 rechteckig sein oder eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Hohlraum 308 ein Kreis sein oder eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen. Der zweite Hohlraum 308 kann ein Oval sein oder eine im Wesentlichen ovale Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Hohlraum 308 ein Dreieck sein oder eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Hohlraum 308 ein Kreuz sein oder im Wesentlichen kreuzförmig sein. Der zweite Hohlraum 308 kann zu irgendeiner Form ausgebildet werden, die für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann der zweite Hohlraum 308 durch verschiedene Ätztechniken, z. B. isotropes Gasphasenätzen, Dampfätzen, Nassätzen, isotropes Trockenätzen, Plasmaätzen usw., geformt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Membran 306 über der oberen Oberfläche 302a des zweiten Substrats 302 durch verschiedene Fertigungstechniken, z. B. physikalische Gasphasenabscheidung, elektrochemische Abscheidung, chemische Gasphasenabscheidung und Molekularstrahlepitaxie, ausgebildet werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Membran 306 quadratisch oder im Wesentlichen quadratförmig sein. Die zweite Membran 306 kann rechteckig sein oder im Wesentlichen eine rechteckige Form aufweisen. Die zweite Membran 306 kann ein Kreis sein oder eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Membran 306 ein Oval sein oder eine im Wesentlichen ovale Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Membran 306 ein Dreieck sein oder eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweisen. Die zweite Membran 306 kann ein Kreuz oder im Wesentlichen kreuzförmig sein. Die zweite Membran 306 kann zu einer beliebigen Form ausgebildet werden, die für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann.
Die zweite Membran 306 kann aus einem Halbleitermaterial wie z. B. Silizium bestehen oder dieses aufweisen. Ferner kann die zweite Membran 306 andere Halbleitermaterialien wie z. B. Germanium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Indium, Indiumgalliumnitrid, Indiumgalliumarsenid, Indiumgalliumzinkoxid oder andere elementare und/oder Verbundhalbleiter (z. B. einen III-V-Verbundhalbleiter wie z. B. Galliumarsensid oder Indiumphosphid oder einen II-VI-Verbundhalbleiter oder einen ternären Verbundhalbleiter oder einen quaternären Verbundhalbleiter) aufweisen oder daraus bestehen, wie für eine gegebene Anwendung erwünscht. Die zweite Membran 306 kann aus einem dielektrischen Material, einem piezoelektrischen Material, einem Piezowiderstandsmaterial und/oder einem ferroelektrischen Material bestehen oder dieses aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Dicke T3 der zweiten Membran 306 beispielsweise 300 nm bis 5 µm, z. B. 300 nm bis 400 nm, z. B. 400 nm bis 500 nm, z. B. 500 nm bis 1 µm, z. B. 1 µm bis 3 µm, z. B. 3 µm bis 5 µm sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Kontaktstelle 304 auf einem Abschnitt der oberen Oberfläche 302a des zweiten Substrats 302 ausgebildet sein, der den zweiten Hohlraum 308 zumindest teilweise umgeben und/oder umschließen kann. Wie in 3B dargestellt, kann die mindestens eine Kontaktstelle 304 als Beispiel an einem Kantenbereich der oberen Oberfläche 302a des ersten Substrats 302 ausgebildet sein, z. B. zwischen einer äußeren Kante 312 des zweiten Hohlraums 308 (die eine Kante des zweiten Hohlraums 308 sein kann, die den Umfang des zweiten Hohlraums 308 definiert) und einer äußeren Kante 314 (die eine Kante der oberen Oberfläche 302a sein kann, die den Umfang der oberen Oberfläche 302a definiert) der oberen Oberfläche 302a des zweiten Substrats 302. Die mindestens eine Kontaktstelle 304 kann durch verschiedene Strukturierungs- und Abscheidungstechniken ausgebildet werden, wie z. B. durch einen elektrolytischen Plattierungsprozess oder einen Photolithographieprozess. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die mindestens eine Kontaktstelle 304 aus einem leitfähigen Material wie z. B. Metall ausgebildet sein. Die mindestens eine Kontaktstelle 304 kann beispielsweise aus Kupfer, Nickel, Zinn, Blei, Silber, Gold, Aluminium und verschiedenen Legierungen dieser Metalle wie z. B. Kupfernickel, Nickel-Aluminium usw. bestehen oder diese umfassen. Ferner kann die mindestens eine Kontaktstelle 304 andere Materialien umfassen oder daraus bestehen, die für eine gegebene Anwendung erwünscht sein können. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite Membran 306 mit der mindestens einen Kontaktstelle 304 durch verschiedene elektrische Zuleitungen und Kontaktlöcher (nicht dargestellt) elektrisch gekoppelt sein, die in oder auf dem zweiten Substrat 302 ausgebildet sein können.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 4 dargestellt, können die erste MEMS-Struktur 200 und die zweite MEMS-Struktur 300 angeordnet sein, um eine Doppel-MEMS-Struktur 400 zu bilden. Die erste MEMS-Struktur 200 und die zweite MEMS-Struktur 300 können derart angeordnet sein, dass die obere Oberfläche 202a des ersten Substrats 202 und die obere Oberfläche 302a des zweiten Substrats 302 im Wesentlichen zueinander parallel sind. Das erste Substrat 202 und das zweite Substrat 302 können so angeordnet sein, dass sie zumindest teilweise überlappen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann zumindest ein Abschnitt des ersten Substrats 202 über und/oder oberhalb zumindest eines Abschnitts des zweiten Substrats 302 aufgehängt sein. Zumindest ein Abschnitt des zweiten Substrats 302 kann sich über das erste Substrats 202 hinaus erstrecken (z. B. nicht von diesem überragt sein).
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Doppel-MEMS-Struktur 400 durch Befestigen und/oder Anbringen der mindestens einen Kontaktstelle 304 an der mindestens einen Höckerelektrode 204 ausgebildet werden. Die mindestens eine Kontaktstelle 304 kann mit der mindestens einen Höckerelektrode 204 elektrisch gekoppelt werden. Die mindestens eine Kontaktstelle 304 kann beispielsweise an der mindestens einen Höckerelektrode 204 durch verschiedene Löttechniken befestigt werden.
Die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 kann zwischen der ersten Membran 208 und der zweiten Membran 306 angeordnet sein. Die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 kann mit einer Oberfläche der zweiten Membran 306 verbunden und/oder daran befestigt sein. Die Höhe H1 der mindestens einen Abstandhalterstruktur 206 kann ein Abstand D sein, der der Abstand sein kann, in dem die erste Membran 208 von der zweiten Membran 306 angeordnet ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die erste Membran 208 und die zweite Membran 306 zumindest teilweise ein Aufnahmevolumen 402 umschließen. Die mindestens eine Abstandhalterstruktur 206 kann zwischen der ersten Membran 208 und der zweiten Membran 306 angeordnet sein, um das Aufnahmevolumen 402 weiter zu umschließen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 5 bis 10 dargestellt, kann die Doppel-MEMS-Struktur 400 an einer Oberfläche einer Stützstruktur 508 befestigt sein. Die Rückseite 302b des zweiten Substrats 302 kann an einer oberen Oberfläche 508a der Stützstruktur 508 befestigt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine Deckschicht 506 an der Stützstruktur 508 befestigt sein. Die Deckschicht 506 kann die Doppel-MEMS-Struktur 400 einkapseln und/oder umschließen. Die Deckschicht 506 kann ein Material umfassen oder daraus bestehen, das für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann, beispielsweise verschiedene Polymermaterialien wie z. B. einen wärmehärtenden Verbundkunststoff (z. B. Duroplast oder Thermoplast). Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Deckschicht 506 aus Metall wie z. B. Edelstahl bestehen oder kann eine Metallschicht zum Vorsehen einer elektrostatischen Abschirmung umfassen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Deckschicht 506 aus einem auf Laminat basierenden Deckel bestehen oder diesen umfassen, der aus einem Laminatrahmen und einer oberen Laminatschicht besteht, und kann eine Metallschicht oder Metallschichten für die elektrostatische Abschirmung umfassen. Die Deckschicht 506 kann eine Dicke T4 im Bereich von etwa 50 µm bis etwa 500 µm, z. B. im Bereich von etwa 100 µ bis etwa 200 µm aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Deckschicht 506 mindestens ein Durchgangsloch 510 aufweisen. Das mindestens eine Durchgangsloch 510 kann angeordnet sein, um zu ermöglichen, dass das Aufnahmevolumen 402 mit der Atmosphäre außerhalb der Deckschicht 506 in Verbindung steht.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 5 und B dargestellt, kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 rechteckig sein oder eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen, mit einer Höhe H2 im Bereich von etwa 20 µm bis etwa 200 µm, z. B. etwa 50 µm bis etwa 150 µm, und einer Länge L1 im Bereich von etwa 200 µm bis etwa 2000 µm, z. B. von etwa 100 µm bis etwa 1000 µm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 ein Kreis sein oder eine im Wesentlichen kreisförmige Form aufweisen, mit einem Durchmesser im Bereich von etwa 100 µm bis etwa 1000 µm, z. B. von etwa 200 µm bis etwa 500 µm.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 ein Oval sein oder eine im Wesentlichen ovale Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 ein Dreieck sein oder eine im Wesentlichen dreieckige Form aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 ein Kreuz oder im Wesentlichen kreuzförmig sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 zu einer beliebigen Form ausgebildet sein, die für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 durch einen Abschnitt der Deckschicht 506 hindurch vorgesehen sein, der zur oberen Oberfläche 508a der Stützstruktur 508 im Wesentlichen senkrecht ist.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Deckschicht 506 relativ zur ersten MEMS-Struktur 200 derart angeordnet sein, dass der erste Hohlraum 210 von der Deckschicht 506 umschlossen ist, um ein erstes hinteres Volumen 520 zu bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine innere Oberfläche 506b der Deckschicht 506 von der Doppel-MEMS-Struktur 400 getrennt und/oder räumlich versetzt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine innere Oberfläche 506b der Deckschicht 506 an der Rückseite 202b des ersten Substrats 202 befestigt und/oder angebracht sein, um das erste hintere Volumen 520 zu bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann eine innere Oberfläche 506b der Deckschicht 506 von der Rückseite 202b des ersten Substrats 202 getrennt und/oder räumlich versetzt sein. Eine Dichtungsschicht 512 kann zwischen der inneren Oberfläche 506b der Deckschicht 506 und der Rückseite 202b des ersten Substrats 202 angeordnet sein, um den ersten Hohlraum 210 zu umschließen und das erste hintere Volumen 520 zu bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 7A und 7B dargestellt, kann die Dichtungsschicht 512 an der Rückseite 202b des ersten Substrats 202 befestigt sein und kann sich über den ersten Hohlraum 210 erstrecken und/oder über dieser aufgehängt sein, um das erste hintere Volumen 520 zu bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Dichtungsschicht 512 verschiedene Klebstoffe, Dichtungsmittel und Epoxide sein oder aufweisen, wie es für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann, beispielsweise ein leitfähiges oder nicht leitfähiges Epoxid oder einen Klebstoff auf Silikonbasis. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Dichtungsschicht 512 verschiedene Haftfolien oder andere Materialien sein oder umfassen, die an der Rückseite 202b des ersten Substrats 202 befestigt und/oder angebracht werden können, wie z. B. durch einen Klebstoff. Die Dichtungsschicht 512 kann eine Dicke aufweisen, wie sie für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann, beispielsweise im Bereich von etwa 5 µm bis etwa 50 µm, z. B. im Bereich von etwa 10 µm bis etwa 20 µm. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stützstruktur 508 ein Material aufweisen oder aus diesem bestehen, das für eine gegebene Anwendung erwünscht sein kann, beispielsweise ein Halbleitermaterial wie z. B. Germanium, Siliziumgermanium, Siliziumcarbid, Galliumnitrid, Galliumarsenid, Indium, Indiumgalliumnitrid, Indiumgalliumarsenid, Indiumgalliumzinkoxid oder andere elementare und/oder Verbundhalbleiter. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stützstruktur 508 auch andere Materialien oder Kombinationen von Material, beispielsweise verschiedene Dielektrika, Metalle und Polymere umfassen, wie sie für eine gegebene Anwendung erwünscht sind. Die Stützstruktur 508 kann ferner beispielsweise Glas und/oder verschiedene Polymere umfassen oder daraus bestehen. Die Stützstruktur 508 kann eine Struktur von Silizium auf Isolator (SOI) sein. Die Stützstruktur 508 kann eine gedruckte Leiterplatte sein. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Stützstruktur 508 relativ zur zweiten MEMS-Struktur 300 angeordnet sein, um weiter der zweite Hohlraum 308 zu umschließen und dadurch ein zweites hinteres Volumen 522 zu bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 5 bis 10 dargestellt, kann eine weitere Struktur 504 an einer Oberfläche einer Stützstruktur 508 befestigt sein. Die weitere Struktur 504 kann eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) sein. Die weitere Struktur 504 kann beispielsweise eine Komparatorschaltung zum Vergleichen eines durch die erste Membran 208 erzeugten Signals und eines durch die zweite Membran 306 erzeugten Signals, z. B. eines Signals, das durch eine Auslenkung der ersten Membran 208 verursacht wird, und eines Signals, das durch eine Auslenkung der zweiten Membran 306 verursacht wird, sein oder aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die weitere Struktur 504 mit der Doppel-MEMS-Struktur 400 verbunden und/oder gekoppelt sein. Die weitere Struktur 504 kann mit der mindestens einen Kontaktstelle 304 durch mindestens einen Verbindungsdraht 502 elektrisch verbunden sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 6A und 6B dargestellt, kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 durch einen Abschnitt der Deckschicht 506 vorgesehen sein, der zur oberen Oberfläche 508a der Stützstruktur 508 im Wesentlichen parallel ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 8 und 9 dargestellt, kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 durch einen Abschnitt der Stützstruktur 508 vorgesehen sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 10A bis 10D dargestellt, kann das mindestens eine Durchgangsloch 510 durch einen Abschnitt der Deckschicht 506 vorgesehen sein, der zur oberen Oberfläche 508a der Stützstruktur 508 im Wesentlichen senkrecht sein kann, und die Dichtungsschicht 512 kann zwischen der inneren Oberfläche 506b der Deckschicht 506 und einem Abschnitt einer Oberfläche des ersten Substrats 202 angeordnet sein, der zur oberen Oberfläche 508a der Stützstruktur 508 im Wesentlichen senkrecht sein kann. Die Dichtungsschicht 512 kann zwischen der inneren Oberfläche 506b der Deckschicht 506 und einem Abschnitt einer Oberfläche des zweiten Substrats 302 angeordnet sein, der zur oberen Oberfläche 508a der Stützstruktur 508 im Wesentlichen senkrecht sein kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können Übertragungskanäle 1002 im ersten Substrat 202 und im zweiten Substrat 302 ausgebildet sein. Die Übertragungskanäle 1002 können ermöglichen, dass das erste hintere Volumen 520 und das zweite hintere Volumen 522 denselben Atmosphärendruck aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können die Übertragungskanäle 1002 das erste hintere Volumen 520 und das zweite hintere Volumen 522 kombinieren und/oder verbinden, um ein drittes hinteres Volumen 1004 zu erzeugen.
Eine weitere Abstandhalterstruktur 1006 (zusätzlich zur mindestens einen Abstandhalterstruktur 206) kann auf der oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202 ausgebildet sein. Die weitere Abstandhalterstruktur 1006 kann an einem Kantenbereich der oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202, z. B. zwischen einer äußeren Kante 212 des ersten Hohlraums 210 (die eine Kante des Hohlraums 210 sein kann, die den Umfang des ersten Hohlraums 210 definiert) und einer äußeren Kante 214 (die eine Kante der oberen Oberfläche 202a sein kann, die den Umfang der oberen Oberfläche 202a definiert) der oberen Oberfläche 202a des ersten Substrats 202 ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausfiihrungsformen, wie in 11 dargestellt, wird ein Verfahren 1100 zum Ausbilden einer Sensorstruktur offenbart. Das Verfahren kann bei 1102 das Ausbilden einer ersten aufgehängten Struktur aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 1100 bei 1104 ferner das Ausbilden einer zweiten aufgehängten Struktur aufweisen, die an der ersten aufgehängten Struktur angeordnet ist, um ein Volumen zu bilden. Ferner kann das Verfahren 1100 bei 1104 weiterhin das Anordnen der ersten aufgehängten Struktur und der zweiten aufgehängten Struktur relativ zueinander derart, dass eine empfangene Druckwelle, die in das Volumen zwischen der ersten aufgehängten Struktur und der zweiten aufgehängten Struktur eintritt, eine Verlagerung der ersten aufgehängten Struktur in eine erste Richtung und eine Verlagerung der zweiten aufgehängten Struktur in eine zweite Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, erzeugt, aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 12 dargestellt, kann eine Änderung des Abstandes zwischen einer ersten Membran 1202 und einer zweiten Membran 1204 eine Änderung der Kapazität verursachen, die zwischen den Membranen 1202 bzw. 1204 erzeugt wird. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann diese Änderung der Kapazität durch eine elektrische Kapazitätsdetektionsschaltung 1210 detektiert werden. Es ist zu beachten, dass einige der in 12 gezeigten Komponenten zu den in 1 gezeigten Komponenten ähnlich sein können. In Bezug auf dieselben Komponenten wird auf die wiederholte Beschreibung der jeweiligen Komponenten verzichtet und es wird auf deren Beschreibung in Bezug auf 1 verwiesen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 13 dargestellt, kann eine Änderung des Abstandes zwischen der ersten Membran 1302 und der zweiten Membran 1304 durch verschiedene optische Detektionsmittel, z. B. Interferometrie, durch die optische Detektionsschaltung 1310 gemessen werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die optische Detektionsschaltung 1310 als unterschiedliche Kombination von optischen Detektionsmitteln implementiert werden oder diese enthalten, z. B. eine Planarlichtwellenschaltungsanordnung, ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) usw. Das optische Messen einer Änderung des Abstandes zwischen der ersten Membran 1302 und der zweiten Membran 1304 kann ermöglichen, dass die Änderung des Abstandes genauer als durch andere Mittel, z. B. kapazitive Detektionsmittel, gemessen wird. In verschiedenen Ausführungsformen können optische Detektionsmittel gegen extreme Veränderungen der Temperatur beständiger sein und können gegen bestimmte Arten von elektrischer Interferenz weniger empfindlich sein, z. B. elektromagnetische Interferenz (EMI). Es ist zu beachten, dass einige der in 13 gezeigten Komponenten zu den in 1 gezeigten Komponenten ähnlich sein können. In Bezug auf dieselben Komponenten wird auf die wiederholte Beschreibung der jeweiligen Komponenten verzichtet und auf deren Beschreibung in Bezug auf 1 wird verwiesen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wie in 14 dargestellt, wird ein Verfahren 1400 zum Betreiben einer Vorrichtung offenbart. Das Verfahren 1400 kann bei 1402 das Einführen einer Druckwelle in ein Volumen, das durch zwei Membranen gebildet ist, um eine Verlagerung der Membranen in entgegengesetzten Richtungen zu erzeugen, und das Detektieren der Verlagerung der Membranen aufweisen. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Verlagerung durch Vergleichen einer ersten Verlagerung einer ersten Membran in einer ersten Richtung mit einer zweiten Verlagerung einer zweiten Membran in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung detektiert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren 1400 bei 1404 ferner das Kalibrieren der zwei Membranen in einer Position eines Betriebspunkts aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Betriebspunkt ein optimaler Kalibrierungspunkt sein, z. B. ein Resonanzpunkt, der durch die Beziehung L = n*lambda/4 definiert ist. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Verlagerung der Membranen bei 1406 optisch detektiert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Verlagerung der Membranen bei 1408 elektrisch, z. B. kapazitiv, detektiert werden.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Sensorstruktur bereitgestellt. Die Sensorstruktur kann eine erste aufgehängte Struktur; eine zweite aufgehängte Struktur, die an der ersten aufgehängten Struktur angeordnet ist, um ein Volumen zu bilden; wobei die erste aufgehängte Struktur und die zweite aufgehängte Struktur relativ zueinander derart angeordnet sind, dass eine empfangene Druckwelle, die in das Volumen zwischen der ersten aufgehängten Struktur und der zweiten aufgehängten Struktur eintritt, eine Verlagerung der ersten aufgehängten Struktur in eine erste Richtung und eine Verlagerung der zweiten aufgehängten Struktur in eine zweite Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, erzeugt, aufweisen.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die erste aufgehängte Struktur eine erste Membran aufweisen. Ferner kann die zweite aufgehängte Struktur eine zweite Membran umfassen. Überdies kann die Sensorstruktur ferner einen ersten Träger, der die erste aufgehängte Struktur trägt, aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Oberfläche der ersten aufgehängten Struktur an einer Oberfläche des ersten Trägers befestigt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Sensorstruktur ferner mindestens eine Höckerelektrodenstruktur umfassen, die auf einer Oberfläche des ersten Trägers ausgebildet ist. Die erste aufgehängte Struktur kann mit der mindestens einen Höckerelektrodenstruktur elektrisch gekoppelt sein. Ferner kann die Sensorstruktur weiter mindestens eine Abstandhalterstruktur aufweisen, die auf einer Oberfläche der ersten aufgehängten Struktur ausgebildet ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Sensorstruktur ferner einen Hohlraum aufweisen, die im ersten Träger ausgebildet ist. Die erste aufgehängte Struktur kann über dem Hohlraum im ersten Träger aufgehängt sein. Überdies kann der erste Träger ein erstes mikroelektromechanisches System umfassen. Ferner kann die Sensorstruktur weiter einen zweiten Träger umfassen, der die zweite aufgehängte Struktur trägt. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine Oberfläche der zweiten aufgehängten Struktur an einer Oberfläche des zweiten Trägers befestigt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Sensorstruktur ferner einen Hohlraum aufweisen, der im zweiten Träger ausgebildet ist. Die zweite aufgehängte Struktur kann über dem Hohlraum im zweiten Träger aufgehängt sein. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Sensorstruktur ferner mindestens eine Kontaktstelle umfassen, die auf einer Oberfläche des zweiten Trägers ausgebildet ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die zweite aufgehängte Struktur mit der mindestens einen Kontaktstelle elektrisch gekoppelt sein. Die Sensorstruktur kann ferner mindestens eine Höckerelektrodenstruktur aufweisen, die auf einer Oberfläche des ersten Trägers ausgebildet ist; wobei die mindestens eine Höckerelektrodenstruktur mit der mindestens einen Kontaktstelle elektrisch gekoppelt ist. Der zweite Träger kann ein zweites mikroelektromechanisches System aufweisen. Die erste aufgehängte Struktur und die zweite aufgehängte Struktur können durch die mindestens eine Abstandhalterstruktur verbunden sein.
In verschiedenen Ausführungsformen wird eine Sensorstrukturanordnung bereitgestellt. Die Sensorstrukturanordnung kann eine Sensorstruktur aufweisen, die eine erste aufgehängte Struktur; eine zweite aufgehängte Struktur, die an der ersten aufgehängten Struktur angeordnet ist, um ein Volumen zu bilden; wobei die erste aufgehängte Struktur und die zweite aufgehängte Struktur relativ zueinander derart angeordnet sind, dass eine empfangene Druckwelle, die in das Volumen zwischen der ersten aufgehängten Struktur und der zweiten aufgehängten Struktur eintritt, eine Verlagerung der ersten aufgehängten Struktur in eine erste Richtung und eine Verlagerung der zweiten aufgehängten Struktur in eine zweite Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, erzeugt, aufweisen kann. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Sensorstrukturanordnung eine Schaltung umfassen, die mit der Sensorstruktur gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, die Verlagerung der aufgehängten Strukturen kapazitiv zu messen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Sensorstrukturanordnung eine Schaltung umfassen, die mit der Sensorstruktur gekoppelt ist, wobei die Schaltung ein optischer Detektor sein kann, der dazu konfiguriert ist, die Verlagerung optisch zu detektieren. Die Sensorstrukturanordnung kann ferner eine Stützstruktur aufweisen, die an einer Oberfläche der Sensorstruktur befestigt ist. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Stützstruktur eine gedruckte Leiterplatte umfassen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Sensorstrukturanordnung ferner eine Deckschicht aufweisen, die an der Stützstruktur befestigt ist; wobei die Deckschicht die Sensorstruktur umschließt. In verschiedenen Ausführungsformen können die Deckschicht und die Stützstruktur angeordnet sein, um ein hinteres Volumen zu bilden. In verschiedenen Ausführungsformen weist die Deckschicht mindestens ein Durchgangsloch auf. In verschiedenen Ausführungsformen können die erste aufgehängte Struktur und die Deckschicht ein erstes hinteres Volumen bilden und die zweite aufgehängte Struktur und die Stützstruktur können ein zweites hinteres Volumen bilden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung offenbart. Das Verfahren kann das Einführen einer Druckelle in ein Volumen, das von zwei Membranen gebildet ist, um eine Verlagerung der Membranen in entgegengesetzten Richtungen zu erzeugen; und das Detektieren der Verlagerung der Membranen aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verlagerung der Membranen durch Vergleichen einer ersten Verlagerung einer ersten Membran der zwei Membranen in einer ersten Richtung mit einer zweiten Verlagerung einer zweiten Membran der zwei Membranen in einer zweiten Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung detektiert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Verlagerung der Membranen optisch detektiert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Verlagerung der Membranen elektrisch detektiert werden. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das Verfahren ferner das Kalibrieren der zwei Membranen in einer Position eines Betriebspunkts umfassen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen speziell gezeigt und beschrieben wurde, sollte für den Fachmann auf dem Gebiet verständlich sein, dass verschiedene Änderungen in der Form und im Detail darin durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung ist folglich durch die beigefügten Ansprüche angegeben und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher umfasst sein.

Claims

Sensorstruktur ohne Rückplattenelement, die Folgendes aufweist: eine erste MEMS-Struktur (200) mit einem in einem ersten Substrat (202) ausgebildeten ersten Hohlraum (210) und einer über dem ersten Hohlraum (210) aufgehängten ersten Membran (208), und eine zweite MEMS-Struktur (300) mit einem in einem zweiten Substrat (302) ausgebildeten zweiten Hohlraum (308) und einer über dem zweiten Hohlraum (308) aufgehängten zweiten Membran (306), wobei die zweite Membran (104, 306, 1204, 1304) an der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) angeordnet ist, um ein Volumen zu bilden; und wobei mindestens eine Abstandhalterstruktur (206) (206) zwischen der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) und der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) angeordnet ist, wobei die mindestens eine Abstandshalterstruktur (206) mit einer Oberfläche der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) und mit einer Oberfläche der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) verbunden und/oder daran befestigt ist und diese miteinander verbindet, wobei die Oberfläche der ersten Membran der Oberfläche der zweiten Membran gegenüber liegt; wobei die mindestens eine Abstandhalterstruktur (206) zwischen der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) und der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) angeordnet ist, um das Volumen weiter zu umschließen; wobei die erste Membran (102, 208, 1202, 1302) und die zweite Membran (104, 306, 1204, 1304) relativ zueinander derart angeordnet sind, dass eine empfangene Druckwelle (110), die in das Volumen zwischen der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) und der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) eintritt, eine Verlagerung der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) in eine erste Richtung und eine Verlagerung der zweiten Membran (104, 306, 1204, 1304) in eine zweite Richtung, die von der ersten Richtung verschieden ist, erzeugt.
Sensorstruktur nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche der ersten Membran (102, 208, 1202, 1302) an einer Oberfläche des ersten Substrats befestigt ist.
Sensorstruktur nach Anspruch 2, die ferner Folgendes aufweist: mindestens eine Höckerelektrodenstruktur, die auf einer Oberfläche des ersten Substrates ausgebildet ist; wobei optional die erste Membran (102, 208, 1202, 1302) mit der mindestens einen Höckerelektrodenstruktur elektrisch gekoppelt ist.
Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner Folgendes aufweist: mindestens eine Kontaktstelle, die auf einer Oberfläche des ersten Substrates ausgebildet ist; wobei optional die zweite Membran (104, 306, 1204, 1304) mit der mindestens einen Kontaktstelle elektrisch gekoppelt ist.
Sensorstruktur nach Anspruch 4, die ferner Folgendes aufweist: mindestens eine Höckerelektrodenstruktur, die auf einer Oberfläche des ersten Substrates ausgebildet ist; wobei die mindestens eine Höckerelektrodenstruktur mit der mindestens einen Kontaktstelle elektrisch gekoppelt ist.
Sensorstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Höhe der mindestens einen Abstandhalterstruktur (206) ein Abstand ist, der der Abstand ist, in dem die erste Membran von der zweiten Membran angeordnet ist.
Sensorstrukturanordnung, die Folgendes aufweist: eine Sensorstruktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und eine Schaltung, die mit der Sensorstruktur gekoppelt ist und dazu konfiguriert ist, die Verlagerung kapazitiv zu messen.
Sensorstrukturanordnung, die Folgendes aufweist: eine Sensorstruktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und einen optischen Detektor, der dazu konfiguriert ist, die Verlagerung optisch zu detektieren.
Sensorstrukturanordnung, die Folgendes aufweist: eine Sensorstruktur gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, und eine Stützstruktur (508), die an einer Oberfläche der Sensorstruktur befestigt ist.
Sensorstrukturanordnung nach Anspruch 9, wobei die Stützstruktur (508) eine gedruckte Leiterplatte aufweist.
Sensorstrukturanordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Stützstruktur (508) mindestens ein Durchgangsloch (510) aufweist.
Sensorstrukturanordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, die ferner Folgendes aufweist: eine Deckschicht (506), die an der Stützstruktur (508) befestigt ist; wobei die Deckschicht (506) die Sensorstruktur umschließt.
Sensorstrukturanordnung nach Anspruch 12, wobei eine innere Oberfläche (506b) der Deckschicht (506) von der Rückseite des ersten Substrats (202) getrennt und/oder räumlich versetzt ist.
Sensorstrukturanordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei die Deckschicht (506) relativ zur ersten MEMS-Struktur (200) derart angeordnet ist, dass der erste Hohlraum (210) von der Deckschicht (506) umschlossen ist, um ein erstes hinteres Volumen (520) zu bilden.
Sensorstrukturanordnung nach Anspruch 14, wobei eine Dichtungsschicht (512) zwischen einer inneren Oberfläche (506b) der Deckschicht (506) und der Rückseite (202b) des ersten Substrats (202) angeordnet ist, um den ersten Hohlraum zu umschließen und das erste hintere Volumen zu bilden.
Sensorstrukturanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei eine innere Oberfläche der Deckschicht (506) von der ersten und zweiten MEMS-Struktur getrennt und/oder räumlich versetzt ist.