Beschreibung

Technisches Gebiet

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine MEMS-Vorrichtung mit Berührungssensorelement und Näherungssensorelement.

Hintergrund der Erfindung

Tastsensoren werden seit über 40 Jahren entwickelt. In den 1970er Jahren berichteten Ki- noshita et al. über piezoelektrische Erfassungsarrays, um ein Tastsystem zu bilden, und verwirklichten dies auf einer Roboterhand [1]. Raibert et al. entwickelten 1980 eine Tast- sensoranordnung unter Verwendung von Elektroden aus leitfähigem Gummi und Metall auf der Oberfläche einer integrierten Schaltung [2], Um 1990 entwickelten sich flexible und dehnbare Materialien zu einem neuen Interessengebiet [3-6]. Ohtsuka et al. beschrieben einen piezoelektrischen Tastsensor für die Lokalisierung kleiner unsichtbarer Knoten in der Lunge [7]. Mit dem Beginn des 21. Jahrhunderts überschritten Forschungs- und Entwick- lungsarbeiten zur Nachahmung der taktilen Funktion der menschlichen Haut den Umfang der Druckmessung bezüglich Temperatur, Feuchtigkeit, Härte, Viskosität usw. [8-29]. Dar- über hinaus wurde auch die Klassifizierung von Materialien und deren Eigenschaften wie Textur, Form usw. mittels Tastsensoren beschrieben [30-34]. Engel et al. integrierten eine mikrobearbeitete Tastanordnung aus Polymer mit Metalldünnfilmen, um die Härte, Wärme- leitfähigkeit, Temperatur und Oberflächenkonturen eines Kontaktobjekts zu erfassen [35]. Die in der verfügbaren Literatur dargestellten Funktionsprinzipien von Tastsensoren werden im Wesentlichen wie folgt eingetellt:

I. Kapazitiv II. Piezoresistiv

III. Optisch IV. Magnetisch

Für Tastsensoren, hauptsächlich kapazitive und piezoresistive, ist die Verwendung von die- lektrischen Schichten und taktilen Höckern üblich. Die gängigsten Materialien, die für solche Kontakthöcker beschrieben werden, sind PDMS, Pil2T-Si, PET usw. Bei den zahlreichen heutigen Robotersystemen ist Ultraschallentfemungsmessung auf- grund ihrer kostengünstigen Implementierung die Methode der Wahl. Die Ultraschallentfer- nungsmessungs-Technik misst die Entfernung durch Erfassen der Laufzeit der reflektieren- den Wellen von den Hindernissen. Die Ultraschallwellen, die in der Regel zwischen 20 kHz und 300 KHz liegen, werden durch den Wandler erzeugt und erfasst. Der Wandler ist die Schlüsselkomponente des Systems, da er die Gesamtleistung bestimmt. Die meisten Sys- teme verwenden piezoelektrische Wandler. Im Allgemeinen schneiden die elektrostati- schen Wandler in dem genannten Frequenzbereich besser ab als piezoelektrische. Die Empfindlichkeit der piezoelektrischen Wandler ist durch den piezoelektrischen Kopplungs- koeffizienten begrenzt.

Elektrostatische bzw. kapazitive Sensoren bestehen üblicherweise aus zwei horizontal po- sitionierten Elektroden an der Oberfläche, die mit einem Potentialunterschied beaufschlagt sind und so ein inhomogenes elektrostatisches Feld bilden. Sie erfassen üblicherweise die Umgebung, indem die Änderung der dielektrischen Eigenschaften erfasst werden (bspw. indem ein Objekt) in die Nähe gebracht wird. Dadurch ändert sich das elektrische Feld. Aufgrund der Inhomogenität nimmt die Sensitivität mit abnehmendem Abstand zu.

Die kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler (capacitive micromachined ult- rasonic transducers) sind miniaturisierte elektrostatische Wandler, bei denen Elektroden vertikal positioniert sind und elektrostatisch betrieben Ultraschallwellen aussenden bzw. empfangen können. Die Sensitivität der CMUT wird durch den Abstand der Elektroden be- stimmt und ist damit ein Designparameter des Sensors. Die Sensorsensitivität ändert sich nicht mit abnehmendem Objektabstand (wohl aber die Signalstärke des Sensors). Es hat sich gezeigt, dass CMUTs bspw. für die Abstandserfassung bei einem Roboterarm verwen- det werden können [36-41].

Die Verwendung von miniaturisierten Tast- und Abstandssensoren wurde in der verfügba- ren Literatur in den Bereichen Medizintechnik, Prothetik, Kraftfahrzeuge usw. anschaulich berichtet [21 , 42-44]. So haben sich beispielsweise kapazitäts- oder ultraschallbasierte Sen- soren als am besten geeignet erwiesen. Die Fähigkeiten, die mit derartigen Sensoren in einer Roboterhand verkörpert werden, imitieren die flexiblen reaktiven Greifeigenschaften der menschlichen Hand. Die Handhabung unterschiedlicher Arten von Objekten (Oberflä- chenrauheit, Steifigkeit usw.) und Formen definiert die Zukunft komplexer Aufgabenstellun- gen bezüglich Handhabung-Technologien mit Robotern im industriellen Bereich. Darüber hinaus ist das Greifen von wesentlicher Bedeutung, um eine automatisierte Unterstützung für medizinische Dienste sowie in der Pflege zu bieten. Aktuelle und zukünftige Anwendun- gen ergeben sich aus der Erweiterung der menschlichen Sinneswahmehmung (erweiterte Realität, Prothetik) und der Implementierung eines 3D-Objekterkennungs- und Sicherheits- systems (Fingerabdrucksensor) und einer tiefenaufgelösten Gestenerfassung, die eine hohe Informationsdichte in Echtzeit bieten.

Aktuelle Sensoren sind nicht in der Lage, einen Tast- und einen Abstandssensor in einer Lösung zu kombinieren. Jedoch sind in der realen Welt taktile Ereignisse einfach ein logi- scher nächster Schritt, wenn Objekte sich in der Nähe befinden. Lediglich Systemlösungen versuchen, sich mit diesem Thema auseinanderzusetzen, was in Situationen mit geringen Abständen kostspielig, sperrig und schwer zu handhaben ist.

In Anbetracht dessen besteht ein Bedarf nach einem Konzept, das eine gleichzeitige De- tektion von Berührungen und Entfernungen, eine kostengünstige, einfache und effiziente Fertigung sowie eine Miniaturisierung von Sensorarrays ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch den unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung schafft eine MEMS-Vorrichtung, mit zumindest einem Berührungssensorelement, das ausgebildet ist, um piezoelektrisch, kapa- zitiv, optisch oder magnetisch eine Berührung zu delektieren, und mit zumindest einem Näherungssensorelement, das ausgebildet ist, um ein Objekt, das zu dem Näherungs- sensorelement beabstandet ist, mit Ultraschall zu delektieren. Das zumindest eine Berüh- rungssensorelement und das zumindest eine Näherungssensorelement sind auf einem Halbleiterchip integriert. Dieses Ausführungsbeispiel der MEMS-Vorrichtung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die Integration des zumindest einen Berührungssensorelements und des zumindest einen Näherungssensorelements (z. B. auf demselben Substrat) gleichzeitig Berührungen, als auch Objekte in der Nähe der MEMS-Vorrichtung delektiert werden können. Ferner bietet z. B. eine räumlich getrennte Anordnung (das zumindest eine Berührungssensorelement ist z. B. neben dem zumindest einen Näherungssensorelement angeordnet; z. B. unmittel- bar nebeneinander angeordnet) des zumindest einen Berührungssensorelements und des zumindest einen Näherungssensorelements eine hohe Designfreiheit, wodurch z. B. eine Sensitivität des zumindest einen Berührungssensorelements und/oder des zumindest einen Näherungssensorelements getrennt voneinander eingestellt werden kann. Dies ist z. B. nicht möglich, wenn Näherungssensoren und Berührungssensoren in ein und demselben Sensorelement integriert sind. Zudem muss durch die MEMS-Vorrichtung nicht zwischen Berührungsmodus und Näherungsmodus gewechselt werden, wodurch eine sehr effiziente Ansteuerung und Auslese realisiert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die MEMS-Vorrichtung miniaturisiert realisiert werden kann. Bei den Sensorelementen handelt es sich um elektrische Funktionsbauteile, die z. B. auf einem Substrat angeordnet sein können. Dabei kann ein Näherungssensorelement ausge- bildet sein, um einen Abstand eines Objektes zu dem Näherungssensorelement zu delek- tieren und ein Berührungssensorelement kann ausgebildet sein, um eine Berührung des Berührungssensorelements zu delektieren. Die jeweilige Detektion kann dabei auf unter- schiedlichen Funktionsprinzipien der Sensorelemente beruhen und eine delektierte Infor- mation (z. B. ein Abstand bei einem Näherungssensorelement, z. B. eine Berührung bei einem Berührungssensorelement) kann als elektrisches Signal aus den Sensorelementen ausgelesen werden. Auf dem Substrat, auf dem die Sensorelemente z. B. angeordnet sind, können z. B. zusätzlich Leiterbahnen und/oder weitere Bauteile, wie z. B. eine Ansteuer- und/oder Ausleseelektronik angeordnet sein. Somit dient das Substrat z. B. als Trägerele- ment ohne elektrischer Funktion. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Halbleiter- chip das Substrat auf.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist das zumindest eine Berührungssensorelement aus- gebildet, um in einem Näherungssensormodus als Näherungssensorelement betrieben zu werden. Dadurch kann das zumindest eine Berührungssensorelement und das zumindest eine Näherungssensorelement zusammen einen großen Näherungssensor bilden. Auch wenn Berührungssensorelemente unter Umständen in dem Näherungssensormodus nicht dieselbe Präzision oder Leistung wie spezielle Näherungssensorelemente haben, kann dadurch mit den Sensorelementen eine größere näherungs-sensitive Fläche gebildet wer- den und dadurch die Präzision der Abstandsbestimmung von Elementen zu der MEMS- Vorrichtung verbessert werden oder auch die Reichweite vergrößert werden, wodurch auch größere Abstände von Elementen zu der MEMS-Vorrichtung detektiert werden können. Zu- sätzlich oder alternativ kann das zumindest eine Näherungssensorelement ausgebildet sein, um in einem Berührungssensormodus als Berührungssensorelement betrieben zu werden. Dadurch kann das zumindest eine Berührungssensorelement und das zumindest eine Näherungssensorelement zusammen einen großen Berührungssensor bilden. In die- sem Fall kann eine berührungs-sensitive Fläche vergrößert werden, wodurch zum Beispiel eine örtliche Präzision der Berührungsdetektion mit der MEMS-Vorrichtung verbessert wer- den kann.

Weist die MEMS-Vorrichtung mehrere Näherungssensorelemente und/oder mehrere Be- rührungssensorelemente auf, so kann die MEMS-Vorrichtung ausgebildet sein, um ein- zelne oder alle Näherungssensorelemente in dem Berührungssensormodus zu betreiben und/oder um einzelne oder alle Berührungssensorelemente in dem Näherungssensormo- dus zu betreiben. Dadurch können verschiedene benachbarte Sensorelemente zu großen Sensoren gruppiert werden. Es wird ermöglicht, dass in einem ersten Bereich des Halb- leiterchips Näherungssensorelemente und Berührungssensorelemente zu einem großen Näherungssensor zusammengeschaltet werden und in einem zweiten Bereich die Nähe- rungssensorelemente und Berührungssensorelemente zu einem großen Berührungssensor zusammengeschaltet werden. Alternativ können auch alle Sensorelemente der MEMS- Vorrichtung entweder in dem Näherungssensormodus oder dem Berührungssensormodus betrieben werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist die MEMS-Vorrichtung ausgebil- det, um den Modus, in dem die Sensorelemente betrieben werden, adaptiv anzupassen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das zumindest eine Berührungssensorelement der MEMS-Vorrichtung eine Vielzahl von in einem eindimensionalen Feld (z. B. Berüh- rungssensorzellen in einer Zeile angeordnet) oder zweidimensionalen Feld (z. B. Berüh- rungssensorzellen in einer Fläche angeordnet) angeordneten Berührungssensorzellen auf. In anderen Worten, werden mehrere, zum Beispiel zumindest zwei, Berührungssensorzel- len zu einem Berührungssensorelement kombiniert. Zusätzlich oder alternativ weist das zu- mindest eine Näherungssensorelement eine Vielzahl von in einem eindimensionalen Feld (z. B. Näherungssensorzellen in einer Zeile angeordnet) oder zweidimensionalen Feld (z. B. Näherungssensorzellen in einer Fläche angeordnet) angeordneten Näherungs- sensorzellen aufweist. In anderen Worten, werden mehrere, zum Beispiel zumindest zwei, Näherungssensorzellen zu einem Näherungssensorelement kombiniert. Durch die Anord- nung von Berührungssensorzellen und/oder Näherungssensorzellen in dem jeweiligen Sensorelement wird eine individuelle Gruppierung der Sensorzellen ermöglicht. Dadurch kann das zumindest eine Berührungssensorelement und das zumindest eine Näherungs- sensorelement unterschiedlich voneinander, z. B in Form, Flächengröße, Sensitivität, etc., ausgestaltet sein. Durch die Anordnung der jeweiligen Sensorzellen (z. B. der Näherungs- sensorzellen oder der Berührungssensorzellen) in einem eindimensionalen Feld oder zwei- dimensionalen Feld wird zudem ermöglicht, dass eine Berührung und/oder eine Annähe- rung eines Objekts an die MEMS-Vorrichtung mit hoher örtlicher Auflösung delektiert wer- den kann. Die Vorteile liegen somit unteranderem in der Designfreiheit der jeweiligen Sen- sorelemente hinsichtlich z. B. der Sensitivität und in der bildlichen/zweidimensionalen Dar- stellung der Berührung und des Abstandes.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, sind die Berührungssensorzellen, d.h. die elektrischen Wandler, des zumindest einen Berührungssensorelements elektrisch parallel geschaltet, um parallel angesteuert und ausgelesen zu werden. Zusätzlich oder alternativ sind die Nä- herungssensorzellen, d.h. die elektrischen Wandler, des zumindest einen Näherungs- sensorelements elektrisch parallel geschaltet, um parallel angesteuert und ausgelesen zu werden. Dadurch kann z. B. jede einzelne Sensorzelle eines Sensorelements separat an- gesteuert und ausgelesen werden. Zudem kann ein möglicher Ausfall einzelner Sensorzel- len durch benachbarte Sensorzellen kompensiert werden, d.h. einzelne defekte Sensorzel- len können kompensiert werden. Durch die Parallelschaltung wird eine sehr effiziente An- steuerung und Auslese ermöglicht.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, sind die Berührungssensorzellen des zumindest einen Berührungssensorelements und/oder die Näherungssensorzellen des zumindest einen Nä- herungssensorelements rund ausgebildet. Dies ermöglicht eine Miniaturisierung der MEMS-Vorrichtung, da die Sensorzellen dadurch sehr nah nebeneinander (es ist z. B. ein überlapp benachbarter Sensorreihen möglich) angeordnet werden können und somit eine hohe Platzersparnis realisiert werden kann. Die runde Form ist in einigen Anwendungsfäl- len vorteilhaft, da die Symmetrie eine homogene Abstrahlcharakteristik besitzt. Alternativ sind auch rechteckige und/oder hexagonale Formen vorstellbar. Je nach gewünschter An- ordnung der Sensorzellen bzw. dem Anwendungsgebiet der MEMS-Vorrichtung können andere Formen der Sensorzellen vorteilhaft sein. Hier kann es durchaus auch vorteilhaft sein, wenn die Berührungssensorzellen eine andere Form aufweisen, als die Näherungs- sensorzellen. Die Sensorzellen können z. B. Elektroden aufweisen, die z. B. aus amorphem

Material gebildet sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, sind die Berührungssensorzellen des zumindest einen Berührungssensorelements und/oder die Näherungssensorzellen des zumindest einen Nä- herungssensorelements in Reihen angeordnet. Benachbarte Reihen sind so zueinander versetzt angeordnet, so dass die benachbarten Reihen zumindest teilweise überlappen, ohne dass benachbarte Berührungssensorzellen und/oder benachbarte Näherungssensor- zellen überlappen. Dies ermöglicht eine vorteilhafte Verzahnung von Sensorzellen benach- barter Reihen, da dadurch unteranderem Platz gespart wird und somit eine Miniaturisierung der MEMS-Vorrichtung ermöglicht wird. Zudem wird z. B. eine erhöhte örtliche Sensitivität erreicht, da keine nicht-sensitive Grenze zwischen zwei Sensorreihen entsteht.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die MEMS-Vorrichtung eine Mehrzahl von Berüh- rungssensorelementen und Näherungssensorelementen auf, die in einer Ebene nebenei- nander angeordnet sind. Dadurch kann eine große Fläche zur Detektion von Berührungen und Objekten in der Nähe der MEMS-Vorrichtung realisiert werden. Dies ermöglicht, dass an mehreren Positionen der Ebene Berührungen und nahe Objekte delektiert werden kön- nen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können innerhalb einer Reihe die Berührungs- sensorelemente und Näherungssensorelemente immer abwechselnd angeordnet sein, um dadurch eine Berührungs- und Näherungsdetektion mit hoher örtlicher Auflösung zu reali- sieren. Diese Reihen können versetzt zueinander oder gleich nebeneinander angeordnet sein. Durch die versetzte Anordnung der Reihen kann eine hohe örtliche Auflösung realisiert werden. Werden die Reihen nicht versetzt zueinander angeordnet, so kann eine effektive sensitive Fläche der Berührungssensorelemente und/oder Näherungssensorelemente er- höht werden. Die Größe der jeweiligen Sensorelemente bzw. die effektive sensitive Fläche (z. B. für eine Berührungsdetektion und eine Näherungsdetektion separat) bestimmen die

Sensitivität. Bei Näherungssensorzellen (z. B. bei der Nutzung von CMUTs oder PMUTs; z. B. für Ultraschall) ist z.B. die Strukturbreite noch maßgeblich für die Ausbildung des Schallfeldes. Hierbei ist die Ausdehnung optional entsprechend der ausgesendeten Wel- lenlänge zu wählen. Typischerweise wird hier eine charakteristische Ausdehnung (von z. B. 0,5 bis 1,0 der Wellenlänge) gewählt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das zumindest eine Näherungssensorelement mindestens einen mikromechanischen Ultraschallwandler auf. Der mikromechanische Ult- raschallwandler kann eine Näherungssensorzelle des Näherungssensorelements darstel- len.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist der mikromechanische Ultraschallwandler als kapa- zitiver mikromechanischer Ultraschallwandler oder als piezoelektrischer mikromechani- scher Ultraschallwandler ausgebildet. Der kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler ist z. B. ausgebildet, um ein Ultraschallecho eines Objekts in der Nähe der Näherungs- sensorzelle kapazitiv zu detektieren. Der piezoelektrische mikromechanische Ultraschall- wandler ist z. B. ausgebildet, um ein Ultraschallecho eines Objekts in der Nähe der Nähe- rungssensorzelle piezoelektrisch zu detektieren. Die MEMS-Vorrichtung kann ausgelegt sein, um basierend auf dem detektierten Ultraschallecho einen Abstand des Objekts, eine Materialzusammensetzung des Objekts und/oder eine Oberflächenbeschaffenheit des Ob- jekts zu ermitteln.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist der kapazitive mikromechanische Ultraschall- wandler eine Ansteuerungsschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine bewegliche Elektrode des kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlers mittels einer elektrostatischen Kraft, zwischen der beweglichen Elektrode und einer festen Elektrode des kapazitiven mik- romechanischen Ultraschallwandlers anzuregen, um Ultraschall auszusenden. Zusätzlich weist der kapazitive mikromechanische Ultraschallwandler eine Ausleseschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Abstandsänderung (z. B. eine Kapazitätsänderung) zwischen der beweglichen Elektrode, die mittels eines Ultraschallechos, reflektiert von dem beabstande- ten Objekt, ausgelenkt wird, und der festen Elektrode auszulesen. Ausgelesen“ wird z. B. der Verschiebungsstrom der entsteht, wenn sich die Abstände der Elektroden ändern. Der piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler weist eine Ansteuerungsschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Deformation eines Schichtstapels, der eine piezoelektrische Schicht aufweist, des piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers zu kon- trollieren, um somit Ultraschall auszusenden. Ferner weist der piezoelektrische mikrome- chanische Ultraschallwandler eine Ausleseschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Defor- mation des Schichtstapels, basierend auf einem Ultraschallecho, reflektiert von dem beab- standeten Objekt, auszulesen. Der piezoelektrische mikromechanische Ultraschallwandler weist den Schichtstapel als schallaussendendes Element auf. Der Schichtstapel weist z. B. ein erstes Elektrodenmaterial, ein piezoelektrisches Material, und ein zweites Elektroden- material auf. Handelt es sich bei dem piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschall- wandler um einen keramischen Piezowandler, so kann der Schichtstapel eine Schichtab- folge mit einer ersten Elektrode (z. B. untere Elektrode), einer piezoelektrischen Schicht, die PZT-Material aufweist, und einer zweiten Elektrode (z. B. obere Elektrode) aufweisen. Bei dem keramischen Piezowandler handelt es sich um einen Dickenschwinger. In anderen Worten handelt es sich bei der Deformation dieses Schichtstapels um eine Auslenkung des Schichtstapels in Dickenrichtung der einzelnen Schichten. Weist der piezoelektrische mik- romechanische Ultraschallwandler piezoelektrische Dünn- bzw. Dickschichten auf, so kann der Schichtstapel analog zu dem Schichtstapel des keramischen Piezowandlers aufgebaut sein. In diesem Fall kann es sich ebenfalls um einen Dickenschwinger handeln. Handelt es sich bei dem piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandler um einen PMUT, so kann der Schichtstapel eine eingespannte Membran, mit einer Schichtfolge mit einer ersten Elektrode (z. B. untere Elektrode), einer piezoelektrischen Schicht mit Piezomaterial und einer zweiten Elektrode (z. B. obere Elektrode), darstellen. Bei dem PMUT handelt es sich um einen Membranschwinger. PMUT delektieren die Deformation des Schichtstapels (der Membran). Der PMUT ist kein sog. Dickenschwinger, bei dem eine Deformation in eine Richtung, zu einer Schallemission in dieselbe Richtung führt. Vielmehr ist die PMUT Memb- ran eingespannt (z.B. in einer x-y-Ebene). Die Ausdehnung in dieser Ebene wird daher verhindert und führt zu einer Deformation in z-Richtung.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, wird bei einem piezoelektrischen Dickenschwinger der sogenannte d33-Koeffizient des piezoelektrischen Materials genutzt: Ein elektrisches Feld in z-Richtung führt dabei direkt zu einer Ausdehnung in z-Richtung. Bei einem piezoelektri- schen Membranschwinger wird zum Beispiel der d31-Koeffizent des piezoelektrischen Ma- terials genutzt: Ein elektrisches Feld in z-Richtung führt dabei direkt zu einer Ausdehnung in der x-y-Ebene. Durch die Einspannung deformiert sich die Membran in z-Richtung.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das zumindest eine Berührungssensorelement mindestens eine mikromechanische Sensorstruktur auf. Die mikromechanische Sen- sorstruktur kann eine Berührungssensorzelle des Berührungssensorelements darstellen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die mikromechanische Sensorstruktur eine Aus- leseschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine geänderte Resonanzfrequenz, einer bewegli- chen Elektrode der mikromechanischen Sensorstruktur oder eines Schichtstapels der mik- romechanischen Sensorstruktur, auszulesen. Die geänderte Resonanzfrequenz beruht auf einer geänderten Last auf der beweglichen Elektrode der mikromechanischen Sensorstruk- tur oder auf einer geänderten Last auf dem Schichtstapel (142) der mikromechanischen Sensorstruktur durch eine Berührung. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die mikromechanische Sensorstruktur eine ka- pazitive mikromechanische Sensorstruktur oder eine piezoelektrische mikromechanische Sensorstruktur auf. Die kapazitive mikromechanische Sensorstruktur ist z. B. ausgebildet, um eine Berührung kapazitiv zu delektieren. Die piezoelektrische mikromechanische Sen- sorstruktur ist z. B. ausgebildet, um eine Berührung piezoelektrisch zu delektieren. Optional kann in der kapazitiven mikromechanischen Sensorstruktur oder in der piezoelektrischen mikromechanischen Sensorstruktur eine kapazitive bzw. eine piezoelektrische Antriebs- ZAuslesestruktur zum Einsatz kommen die als Ultraschallwandler dienen kann.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die kapazitive mikromechanische Sensorstruktur eine Ausleseschaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Abstandsänderung (z. B. eine Kapa- zitätsänderung) zwischen einer beweglichen Elektrode der kapazitiven mikromechanischen Sensorstruktur, und einer festen Elektrode der kapazitiven mikromechanischen Sen- sorstruktur auszulesen, wobei die bewegliche Elektrode mittels einer Berührung ausgelenkt wird, um die Abstandsänderung (z. B. eine Kapazitätsänderung) hervorzurufen. „Ausgele- sen“ wird z. B. der Verschiebungsstrom der entsteht, wenn sich die Abstände der Elektro- den ändern. Die piezoelektrische mikromechanische Sensorstruktur weist eine Auslese- schaltung auf, die ausgelegt ist, um eine Deformation eines Schichtstapels, der eine piezo- elektrische Schicht aulweist, der piezoelektrischen mikromechanischen Sensorstruktur auszulesen. Die Deformation des Schichtstapels beruht auf einer Berührung des Schichtstapels. Der Schichtstapel weist z. B. ein erstes Elektrodenmaterial, ein piezoelekt- risches Material, und ein zweites Elektrodenmaterial auf. Handelt es sich bei der piezoe- lektrischen mikromechanischen Sensorstruktur um einen keramischen Piezowandler, so kann der Schichtstapel eine Schichtabfolge mit einer ersten Elektrode (z. B. untere Elekt- rode), einer piezoelektrischen Schicht, die beispielsweise PZT-Materiai aufweist, und einer zweiten Elektrode (z. B. obere Elektrode) aufweisen. Weist die piezoelektrische mikrome- chanische Sensorstruktur piezoelektrische Dünn- bzw. Dickschichten auf, so kann der Schichtstapel analog zu dem Schichtstapel des keramischen Piezowandlers aufgebaut sein. Alternativ kann der Schichtstapel, der piezoelektrischen mikromechanischen Sen- sorstruktur, eine eingespannte Membran, mit einer Schichtfolge mit einer ersten Elektrode (z. B. untere Elektrode), einer piezoelektrischen Schicht mit Piezomaterial und einer zwei- ten Elektrode (z. B. obere Elektrode), aufweisen. Ein Schichtstapel kann weiterhin aus einer Vielzahl von alternierenden Elektroden und piezoelektrischen Materialien bestehen, wobei die erste Schicht und die letzte Schicht durch Elektroden gebildet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Berührungssensorele- ment ein Lastübertragungselement angeordnet. Dadurch kann eine Kraft einer Berührung optimiert auf das Berührungssensorelement übertragen werden. Mit dem Lastübertra- gungselement wird z. B. ermöglicht, dass nicht nur die Berührung alleine detektiert wird, sondern zusätzlich eine Messung einer durch die Berührung übertragenen Kraft und/oder eines durch die Berührung übertragenen Druckes durchgeführt werden kann. Das Lastüber- tragungselement kann über mehreren benachbarten Berührungssensorzellen angeordnet sein oder über einzelnen Berührungssensorzellen (ein Berührungssensorelement weist dann z. B. mehrere Lastübertragungselemente auf). Das Lastübertragungselement kann zudem als Schutzschicht dienen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist über dem zumindest einen Näherungssensorele- ment eine Schutzschicht angeordnet. Bei der Schutzschicht kann es sich um eine dünne Schicht handeln, um das zumindest eine Näherungssensorelement vor äußeren Einflüssen, wie Berührungen und Verschmutzungen zu schützen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Schutzschicht des Näherungssensorelements und das Lastübertragungselement des Berührungssensorelements identisch ausgebildet sein oder zumindest das gleiche Material und/oder die gleiche 3D-Form aufweisen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine durchgängige Universalschicht sowohl über den Berührungssensorelementen, als auch über den Näherungssensorelementen angeord- net, wobei die durchgängige Universalschicht über den Berührungssensorelementen als Lastübertragungselement wirkt und über den Näherungssensorelementen als Schutz- schicht wirkt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Näherungssensorele- ment eine oder die Schutzschicht und/oder über dem zumindest einen Berührungssenso- relement ein oder das Lastübertragungselement angeordnet, wobei das Lastübertragungs- element und/oder die Schutzschicht kubisch, quaderförmig, pyramidenförmig oder halbku- gelförmig ausgebildet sind. Die Vorteile dieser Formen liegen in einer erhöhten Kraftüber- tragung und damit einer anderen Sensitivität und in einer geringeren Beeinflussung benach- barter Berührungs- und/oder Näherungselemente. Ferner werden durch diese Ausgestal- tungen die Hafteigenschaften an der Sensoroberfläche unterschiedlich beeinflusst. Dies ist relevant für Anwendungen, bspw. in einem Robotergreifer zum sicheren/taktilen Greifen von Objekten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Näherungssensorele- ment eine oder die Schutzschicht und/oder über dem zumindest einen Berührungssenso- relement ein oder das Lastübertragungselement angeordnet, wobei das Lastübertragungs- element und/oder die Schutzschicht Polymermaterial, Elastomermaterial oder vergleichba- res Material aufweist. Diese Materialien weisen zum einen eine sehr gut Lastübertragung auf und sind robust gegenüber Umwelteinflüssen. Ferner sind diese Materialien geeignet um Ultraschallwellen zu leiten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Näherungssensorele- ment eine oder die Schutzschicht und über dem zumindest einen Berührungssensorele- ment ein oder das Lastübertragungselement angeordnet, wobei die Schutzschicht eine ge- ringere Dicke als das Lastübertragungselement aufweist. Dadurch sind die Näherungs- sensorelemente sehr gut von den Berührungssensorelementen getrennt und es entsteht ein zusätzlicher Schutz der Näherungssensorelemente, da z. B. eine Berührung dieser dadurch verhindert werden kann. Große Objekte werden beispielsweise von den erhöhten Lastübertragungselementen von den Näherungssensorelementen auf Abstand gehalten, wenn das Objekt z. B. zu groß ist, um in einen Zwischenraum zweier Lastübertragungsele- mente, die benachbart zu dem Näherungssensorelement angeordnet sind, zu passen. Durch die geringe Dicke der Schutzschicht wird zudem ermöglicht, dass Ultraschallwellen nur kaum oder gar nicht abgeschwächt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist über dem zumindest einen Berührungssensorele- ment eine Schutzschicht angeordnet und das Berührungssensorelement weist zumindest einen MEMS-Ultraschallwandler auf, um Schallwellen zu senden und/oder zu empfangen. Im Berührungsmodus können damit Informationen zum berührenden Objekt/ der Personen etc. ermittelt werden. Diese können sein: Topologie, 3D-Bilder des Objekts, Materialpara- meter zur Klassifizierung des Objekts.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist der Halbleiterchip ein flexibles Substrat auf. Dadurch wird ermöglicht die MEMS-Vorrichtung nicht nur planar in verschiedenen Anwen- dungen zu verwenden, sondern es wird zusätzlich ermöglicht, dass die MEMS-Vorrichtung sich an gewölbte oder unförmige Oberflächen anpassen kann.

Figurenkurzbeschreibung

Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug neh- mend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Hinsichtlich der dargestellten schema- tischen Figuren wird darauf hingewiesen, dass die dargestellten Funktionsblöcke sowohl als Elemente oder Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung als auch als entspre- chende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verstehen sind, und auch entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens davon abge- leitet werden können. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Aus- führungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung mit versiegeltem Näherungssensorelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen- den Erfindung;

Fig. 2b eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung mit belüftetem Nä- herungssensorelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen- den Erfindung; Fig. 2c eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung mit einer in einem Isolator eingebetteten Elektrode und versiegeltem Näherungssensorele- ment, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2d eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung mit einer in einem Isolator eingebetteten Elektrode und belüftetem Näherungssensorelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, die, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl von Berüh- rungssensorelementen und Näherungssensorelementen aufweist;

Fig. 3b ein schematischer Ausschnitt einer MEMS-Vorrichtung, die, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, eine Mehrzahl von Berüh- rungssensorelementen und Näherungssensorelementen aufweist;

Fig. 4a eine schematische Darstellung einer Verschaltung einer MEMS-Vorrichtung in einer ersten Ansicht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 4b eine schematische Darstellung einer Verschaltung einer MEMS-Vorrichtung in einer zweiten Ansicht, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegen- den Erfindung; Fig. 5a eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, bei der, gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, über zumindest einem Berührungssensorelement ein Lastübertragungselement angeordnet ist;

Fig. 5b eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, bei der, gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, über zumindest einem Näherungssensorelement eine Schutzschicht angeordnet ist;

Fig. 5c eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung, bei der, gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, zumindest ein Lastübertragungselement über zumindest einem Berührungssensorelement und zumindest eine Schutzschicht über zumindest einem Näherungssenso- relement dieselbe Dicke aufweisen;

Fig. 6a eine schematische Darstellung einer Ansteuerungsschaltung für ein Senso- relement einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6b eine schematische Darstellung einer Ansteuerungsschaltung, ohne Bias Tee, für ein Sensorelement einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7a eine schematische Darstellung einer Ausleseschaltung für ein Sensorele- ment einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vor- liegenden Erfindung;

Fig. 7b eine schematische Darstellung einer Ausleseschaltung, ohne Bias-Tee, für ein Sensorelement einer MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung; und Fig. 8 ein Blockdiagram eines Systemaufbaus einer MEMS-Vorrichtung, gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele gemäß den Figuren

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktions- gleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedli- chen Figuren mit den gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente un- tereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. FIG. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer MEMS-Vorrichtung 100, mit einem Berüh- rungssensorelement 120, das ausgebildet ist, um piezoelektrisch, kapazitiv, optisch oder magnetisch eine Berührung 124 zu detektieren, und mit zumindest einem Näherungssenso- relement 130, das ausgebildet ist, um ein Objekt 200, das zu dem Näherungssensorele- ment 130 beabstandet ist, mit Schall 191, wie z. B. Ultraschall und Hörschall, zu detektie- ren. Das zumindest eine Berührungssensorelement 120 und das zumindest eine Nähe- rungssensorelement 130 sind auf einem Halbleiterchip 110 integriert.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die MEMS-Vorrichtung 100 als System, MEMS- System, Sensormodul, MEMS-Sensormodul, integrierter Sensor oder integrierter Tast- und Abstandssensor bezeichnet werden. Basierend auf den hierin beschriebenen Merkmalen der MEMS-Vorrichtung 100 kann ein Verfahren zu seiner Herstellung abgeleitet werden. Im Folgenden können Berührungssensorelemente 120 auch als Tastsensorelemente und Nä- herungssensorelemente 130 auch als Abstandssensorelemente bezeichnet werden. In den Figuren 2a bis 2d wird jeweils eine MEMS-Vorrichtung 100 mit einem Berührungs- sensorelement 120 und einem Näherungssensorelement 130 dargestellt. Sowohl das Be- rührungssensorelement 120 als auch das Näherungssensorelement 130 sind auf einem Halbleiterchip 110 integriert. Der Halbleiterchip 110 weist z. B. einen Wafer 112 und einen Isolator 114 auf. Bei dem Isolator 114 kann es sich um einen Schichtstapel von Isolatoren handeln. Alternativ ist der Isolator 114 aus einer einzigen isolierenden Schicht gebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Isolator 114 in einem Bereich des Berüh- rungssensorelements 120 und/oder in einem Bereich des Näherungssensorelements 130 zumindest eine Ausnehmung 140 auf. Die Ausnehmung 140, zum Beispiel eine Ausspa- rung, wird an einer Oberfläche des Isolator 114, die von dem Wafer 112 abgewandt ist, gebildet. Die zumindest eine Ausnehmung 140 wird z. B. einseitig von einer Platte 142 begrenzt, wobei die Platte 142 alternativ als Membran oder bewegliche Platte bezeichnet werden kann. Die Platte 142 ist z. B. an ihren Enden mit dem Isolator 114 verbunden und zwischen diesen Enden schwebend über der Ausnehmung 140 angeordnet. Gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel, kann die Platte 142 als Schichtstapel ausgebildet sein und mehrere leitende und/oder nicht leitende Schichten aufweisen. Auch wenn in den Figuren 2a bis 2d alle Plat- ten 142 gleich dick (z. B. dieselbe Ausdehnung in z-Richtung; z. B. eine Ausdehnung senk- recht zu einer an die Platte 142 angrenzende Fläche des Isolators 114) dargestellt sind, kann die Platte 142 des Berührungssensorelements 120 eine andere Dicke aufweisen, als eine Dicke der Platte 142 des Näherungssensorelements 130. Gemäß einem Ausführungs- beispiel, ist die Ausnehmung 140 und/oder die Platte 142 zylindrisch, quaderförmig oder kubisch geformt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 140 des Berührungssensorele- ments 120 mittels der Platte 142 und des Isolators 114 luftdicht oder vakuumdicht ver- schlossen (z. B. luftdicht oder vakuumdicht versiegelt (vakuumversiegelt)), wie zum Bei- spiel in den Figuren 2a bis 2d dargestellt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausnehmung 140 des Näherungssensorele- ments 130 mittels der Platte 142 und des Isolators 114 luftdicht oder vakuumdicht ver- schlossen (z. B. luftdicht oder vakuumdicht versiegelt (vakuumversiegelt)) (siehe z. B. Fig. 2a oder Fig. 2c). Alternativ kann die Platte 142 des Näherungssensorelements 130 Öffnun- gen (z. B. Löcher) aufweisen, wodurch die Ausnehmung 140 belüftet bzw. entlüftet werden kann (siehe Fig. 2b oder Fig. 2d).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, ist auf der Platte 142 und/oder auf dem Isolator 114 des Berührungssensorelements 120 ein Lastübertragungselement 150 angeordnet. Das Lastübertragungselement 150 ist z. B. auf einer der Ausnehmung 140 abgewandten Seite der Platte 142 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann das Lastübertragungselement 150 z. B. auf einer Fläche des Isolators 114 angeordnet sein, auf der auch die Platte 142 angeordnet ist. Durch das Lastübertragungselement 150 wird eine Sensitivität des Berüh- rungssensorelements 120 erhöht. Das Lastübertragungselement 150 (z. B. ein Höcker- Elastomer) weist z. B. ein Elastomer-Material auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist das Lastübertragungselement 150 Merkmale und/oder Funktionalitäten des im Rah- men der Figuren 5a bis 5c beschriebenen Lastübertragungselements 150 auf. In anderen Worten zeigen die Figuren 2a bis 2d Variationen oder Zellkonfigurationen mit einer Darstellung eines Sensormoduls, bei dem jede Zelle, d.h. jedes Sensorelement 120/130, separat als Tast- oder Abstandssensor verwendet werden kann. Die Sensorelemente 120/130 können über ein physikalisches Wirkprinzip, wie z. B. elekt- rostatisch, piezoelektrisch, optisch, magnetisch, etc., gesteuert und ausgelesen werden. Dabei kann die MEMS-Vorrichtung Sensorelemente mit unterschiedlichem physikalischem Wirkprinzip aufweisen. Im Fall eines piezoelektrischen MEMS (z.B. PMUT) stellt die Platte 142, gemäß Fig. 2a oder

Fig. 2b, eine Schichtfolge von mindestens einem elektrisch leitfähigen Material, einem pie- zoelektrischen Material und einem weiteren elektrisch leitfähigen Material dar, d.h. die Platte 142 wird aus einem Schichtstaple aus mindestens einer Elektrode, einer piezoelektri- schen Schicht und einer Elektrode, in dieser Reihenfolge, gebildet. Zusätzliche Schichten können auch zwischen den eben erwähnten Schichten, wie zum Beispiel einer der Elektro- den und der piezoelektrischen Schicht, angeordnet sein. Unter dem piezoelektrischen MEMS kann z. B. ein piezoelektrischer mikromechanischer Ultraschallwandler (PMUT), z. B. im Falle des Näherungssensorelements 130, und/oder eine piezoelektrische mikro- mechanische Sensorstruktur, z. B. im Falle des Berührungssensorelements 120, verstan- den werden. Bei piezoelektrischen Berührungssensorelementen 120 wird eine Deformation der Platte 142 durch den piezoelektrischen Effekt in dem Schichtstapel ausgewertet. Bei piezoelektrischen Näherungssensorelementen 130 erfolgt ein Senden und Empfangen von Ultraschall durch den piezoelektrischen Effekt in dem Schichtstapel. Die Figuren 2c und 2d zeigen Ausführungsbeispiele eines kapazitiven MEMS. In diesem Fall ist z. B. unter der Ausnehmung 140, in dem Isolator 114 eine Schicht 144 aus elektrisch leitfähigen Material, z. B. eine feste Elektrode, integriert bzw. eingebettet. Der Bereich des Isolators 114 oberhalb der Schicht 144 aus elektrisch leitfähigem Material, z. B. der Bereich, der der Platte 142 zugewandt ist, kann strukturiert ausgeführt sein. So kann die Isolations- Schicht z. B. auch nur stellenweise die Elektrode 144 bedecken. Dadurch, dass die Schicht 144 zumindest teilweise mit einer Isolationsschicht des Isolators 114 bedeckt ist, kann ein Kurzschluss mit der beweglichen Platte 142 vermieden werden.

Die kapazitiven Sensorelemente 120/130 weisen zwei Elektroden, die Schicht 144 und die Platte 142 (z. B. eine Elektrode und gegebenenfalls Isolationsschichten), und dazwischen mindestens ein Dielektrikum auf. Bei kapazitiven Berührungssensorelementen 120 kann eine Deformation der Platte 142 durch die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Elektroden ausgewertet werden. Bei kapazitiven Näherungssensorelementen 130 kann ein Senden und Empfangen von Ultraschall durch die elektrostatische Wechselwirkung erfol- gen.

Unter dem kapazitiven MEMS kann z. B. ein kapazitiver mikromechanischer Ultraschall- wandler (CMUT), z. B. im Falle des Näherungssensorelements 130, und/oder eine kapazi- tive mikromechanische Sensorstruktur, z. B. im Falle des Berührungssensorelements 120, verstanden werden.

CMUTs sind vom Grundaufbau her MEMS-Strukturen, die aus zwei gegenüberliegenden Elektroden bestehen. Eine der Elektroden ist starr, z. B. die Schicht 144, die andere be- weglich, z. B. die Platte 142. Zwischen den beiden Elektroden befinden sich eine Isolier- schicht und ein z. B. bei Vakuum verschlossener Zwischenraum 140. CMUTs können so- wohl senden als auch empfangen, indem sie durch Verschiebung der beweglichen Elekt- rode 142 elektrische in akustische Energie umwandeln oder umgekehrt. Beim CMUT als Schallsender wird zwischen den beiden Elektroden, 142 ein elektrisches Potenzial aufge- baut, sodass eine elektrostatische Kraft die bewegliche Elektrode 142 (z. B. erste Elekt- rode) zur starren Elektrode 144 (z. B. zweite Elektrode) hin ablenkt. Durch diese Bewegung wird eine Schallwelle (z. B. eine Ultraschallwelle) erzeugt. Auf umgekehrte Weise können CMUTs auch als Empfänger fungieren, wenn ein akustisches Eingangssignal (z. B. eine Ultraschallwelle) auf die bewegliche Elektrode 142 einwirkt. Dies löst eine Bewegung der Elektrode 142 aus, wodurch wiederum zwischen den beiden Elektroden ein Strom fließt, z. B. ein Verschiebungsstrom. Dieser elektrische Strom kann gemessen und z. B. digital zu einem Bild für weitere Analysen verarbeitet werden.

Das Näherungssensorelement 130 der MEMS-Vorrichtung 100 weist z. B. mindestens ei- nen mikromechanischen Ultraschallwandler auf. Dabei kann es sich z. B. um einen kapazi- tiven mikromechanischen Ultraschallwandler oder einen piezoelektrischen mikromechani- sehen Ultraschallwandler handeln.

Näherungssensorelemente 130 und/oder Berührungssensorelemente 120, gemäß einer der Figuren 2a bis 2d, können eine Ansteuerschaltung 170, wie in Zusammenhang mit Fig. 6a oder Fig. 6b beschrieben, und eine Ausleseschaltung 180, wie in Zusammenhang mit den Figuren 7a und 7b beschrieben, aufweisen. Es sind aber auch alternative Ansteuerun- gen und Ausleseschaltungen denkbar. Bei einem Näherungssensorelement 130 wird die Platte 142 z. B. mittels der Ansteuer- schaltung in eine Sende-Schwingung versetzt um Ultraschall auszusenden. Ein von einem entfernten Objekt reflektiertes Ultraschall-Echo versetzt die Platte 142 in eine Empfangs- Schwingung und diese Empfangs-Schwingung wird von der Ausleseschaltung detektiert. Somit kann eine Entfernung des Objekts zu dem Näherungssensor z. B. mittels Ultraschall- Laufzeitmessungen ermittelt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Nähe- rungssensorelement 130 ausgebildet, um die Empfangs-Schwingung kapazitiv, piezoe- lektrisch, optisch oder magnetisch zu detektieren. Die Detektion der Empfangs-Schwingung kann z. B. wie im Folgenden beschrieben erfolgen (z. B. gleich oder ähnlich wie eine De- tektion einer Verbiegung der Platte 142, hervorgerufen durch eine Berührung).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Platte 142 des Berührungssensorelements 120 bei einer Berührung verbogen. Das Berührungssensorelement 120 weist z. B. eine Ausle- seschaltung auf, um diese Verbiegung zu detektieren. Anhand einer Stärke der Verbiegung kann z. B. eine Kraft der Berührung ermittelt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Berührungssensorelement 120 ausgebildet, um die Verbiegung kapazitiv, piezoe- lektrisch, optisch oder magnetisch zu detektieren. Eine Verbiegung der Platte 142 kann auf unterschiedlichste Weisen, wie unteranderem im Folgenden erläutert, detektiert werden. Die dargestellten Verfahren sollen allerdings nicht als limitierend angesehen werden, da durchaus auch andere Verfahren denkbar sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, bildet die Platte 142 und eine zusätzliche Elektrode (z. B. Gegenelektrode, z. B. zweite Elektrode) einen Kondensator. In diesem Fall stellt die

Platte 142 z. B. eine erste Elektrode dar oder weist eine erste Elektrode auf. Durch die Verbiegung der Platte 142 ändert sich eine Kapazität des Kondensators, die von der Aus- leseschaltung ausgelesen werden kann. In anderen Worten wird z. B. der Verschiebungs- strom der entsteht, wenn sich die Abstände der Elektroden ändern, ausgelesen bzw. es wird eine elektrostatische Wechselwirkung ausgewertet. Die zusätzliche Elektrode ist z. B. in dem Isolator 114 eingebettet, wie in den Figuren 2c und 2d als Schicht 144 dargestellt. Der Wafer 112 oder der Isolator 114 kann implantiert werden, um eine Elektrode im Wafersubstrat oder in dem Isolator 114 zu erzeugen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die Platte 142 einen Schichtstapel aus zumindest einer ersten Elektrode, einer piezoelektrischen Schicht und einer zweiten Elektrode auf. Die erste Elektrode und die zweite Elektrode sind zum Beispiel an zwei gegenüberliegende Seiten (z. B. auf einer Seite, die der Ausnehmung 140 zugewandt ist, und auf einer Seite, die von der Ausnehmung 140 abgewandt ist) der piezoelektrischen Schicht angeordnet. Durch die Verbiegung ändert sich eine elektrische Spannung zwischen den beiden Elekt- roden an der piezoelektrischen Schicht, die von der Ausleseschaltung ausgelesen werden kann. Im Falle eines Näherungssensorelements kann z. B. mittels der Ansteuerschaltung an die beiden Elektroden eine Spannung angelegt werden, um die Platte 142 in eine Sende- Schwingung zu versetzen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, sind in der Ausnehmung 140 oder in dem Isolator 114 (z. B. über eine Öffnung der Ausnehmung zugewandt) ein Laser und ein Detektor angeord- net. Der Laser ist auf die Platte 142 gerichtet und wird von dieser zu dem Detektor reflektiert. Somit wird eine optische Detektion der Verbiegung der Platte 142 ermöglicht. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Platte 142 und/oder das Substrat einen Dau- ermagneten oder mindestens einen Elektromagneten (z.B. eine flache Spule - s. Quelle [16] auf). Ein dynamisches Magnetfeld des Elektromagneten führt zu einer Kraftwirkung auf die Membran, welche bspw. einen Dauermagnet bzw. zweiter Elektromagneten beinhaltet, und damit zur Schallemission. Umgekehrt führt die Bewegung der Membran zu einem ver- änderten Magnetfeld in der Spule des Elektromagneten, welches eine entsprechende Wechselspannung induziert.

Altemativ kann die Membran aus magnetoresistiven bzw. magnetoelastischen Materialien bestehen. Eine Spulenanordnung unterhalb der Ausnehmung 140 oder an der Membran selbst kann ein variables Magnetfelderzeugen und damit (ähnlich zum piezoelektrischen Effekt) eine Deformation der Membran erzeugen bzw. umgekehrt mittels Induktion delek- tieren.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, handelt es sich bei der Berührungssensorzelle 122 um eine mikromechanische Sensorstruktur, die eine Ausleseschaltung aufweist, die ausgelegt ist, um eine geänderte Resonanzfrequenz, einer beweglichen Elektrode der mikromecha- nischen Sensorstruktur oder eines Schichtstapels der mikromechanischen Sensorstruktur auszulesen. Dabei beruht die geänderte Resonanzfrequenz auf einer geänderten Last auf der beweglichen Elektrode der mikromechanischen Sensorstruktur oder auf einer geänder- ten Last auf dem Schichtstapel der mikromechanischen Sensorstruktur durch eine Berüh- rung. Dabei kann die Platte 142 z. B. bei einer kapazitiven mikromechanischen Sen- sorstruktur die bewegliche Elektrode darstellen und bei einer piezoelektrischen mikrome- chanischen Sensorstruktur den Schichtstapel darstellen. Wie oben beschrieben kann die Platte bei anderen mikromechanischen Sensorstrukturen, wie einer Laserbasierten mikro- mechanischen Sensorstruktur oder einer magnetischen mikromechanischen Sensorstruk- tur auch anders ausgeführt sein, aber die jeweilige Ausleseschaltung kann ebenfalls aus- gelegt sein, um eine geänderte Resonanzfrequenz der Platte 142 auszulesen.

In den Figuren 3a bis 5c sind Berührungssensorelemente 120 mit einer Vielzahl von Berüh- rungssensorzellen 122 und Näherungssensorelemente 130 mit einer Vielzahl von Nähe- rungssensorzellen 132 schematisch dargestellt. Jede Berührungssensorzelle 122 kann z. B denselben oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen wie das in einer der Figuren 2a bis 2d beschriebene Berührungssensorelement 120 und jede Näherungssensorzelle 132 kann z. B denselben oder einen ähnlichen Aufbau aufweisen wie das in einer der Figuren 2a bis 2d beschriebene Näherungssensorelement 130. In anderen Worten kann das in einer der Figuren 2a bis 2d gezeigte Berührungssensorelement 120 auch eine Berührungssensor- zelle 120 (z. B. eine taktile Zelle) im Sinne der in den Figuren 3a bis 5c gezeigten MEMS- Vorrichtung 100 darstellen und das in einer der Figuren 2a bis 2d gezeigte Näherungs- sensorelement 130 kann auch eine Näherungssensorzelle 132 (z. B. eine Abstandszelle) im Sinne der in den Figuren 3a bis 5c gezeigten MEMS-Vorrichtung 100 darstellen. Alter- nativ kann es sich bei den Berührungssensorzellen 122 und/oder bei den Näherungs- sensorzellen 132 auch um andere bekannte Sensoren handeln.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird mittels der MEMS-Vorrichtung 100 ermöglicht, mehrere Tast- und Abstandssensorelemente (z. B. Berührungssensorelemente 120 und Näherungssensorelemente 130), z. B., auf Basis eines kapazitiven Wandlers, in einem ein- zigen Chip zu integrieren (siehe z. B. Fig. 3a bis Fig. 5c). Mittels der Sensorfusion können hochvolumige Informationen über Entfernung und Berührung erfasst und verarbeitet wer- den. Diese Vorteile können mit der hierin beschriebenen Technologie, den Vorrichtungen und Produktionsverfahren für ein auf einem Chip integriertes Abstands- und Tastsensor- system erreicht werden. Die Technologie zur Integration des integrierten Systems (z. B. die MEMS-Vorrichtung) auf Basis eines kapazitiven Wandlers kann variiert werden und man- che Beispiele umfassen einen Opfer-Freigabe-Prozess, Waferbonden („Wafer-Bonding“) oder auch andere Methoden. Es wird impliziert, dass jede andere Technologie, die zur Her- Stellung von derartigen Wandler, Sensoren und integrierten Sensoren verwendet wird, hier- mit ebenfalls impliziert wird. Das gesamte System (z. B. MEMS-Vorrichtung 100), separate Sensorelemente (z. B. Berührungssensorelemente 120 und/oder Näherungssensorele- mente 130), jede Wandlerzelle (z. B. Berührungssensorzellen 122 und/oder Näherungs- sensorzellen 132) usw. kann mit diskreter Elektronik, mit einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (appllcation specific integrated Circuit, ASIC) und sogar einer Kom- bination aus beidem betrieben werden (siehe z. B. Fig.4a oder Fig. 4b).

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird impliziert, dass jede Wandlerzelle (z. B. Berüh- rungssensorzellen 122 und/oder Näherungssensorzellen 132), jedes Wandlerelement (z. B. Berührungssensorelemente 120 und/oder Näherungssensorelemente 130), der ge- samte Wandler (z. B. MEMS-Vorrichtung 100) je nach Anordnungskonfiguration und An- triebsmodalität (z. B. Ansteuerschaltung) sowohl als Tast- als auch als Abstandssensor wir- ken kann. Je nach diesen unterschiedlichen Fähigkeiten können einige wenige Sensormo- dule verwendet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, gilt für die MEMS-Vorrichtung (z. B. ein Integriertes Abstands- und Tastsensormodul) zumindest eines der folgenden Merkmale:

I Jede Zelle (z. B. Berührungssensorzellen 122 und/oder Näherungssensorzellen 132) wird entweder als Tast- oder als Abstandssensor verwendet (z. B. betrieben oder angesteuert).

II. Abwechselnde Zellen werden entweder als Abstands- oder als Tastsensor verwen- det (z. B. betrieben oder angesteuert).

III. Ein Wandlerelement (das mehrere elektrisch gebündelte Zellen aufweist) kann als ein Tast- oder ein Abstandssensor verwendet werden (z. B. betrieben oder ange- steuert).

IV. Separate Tast- und Abstandssensorelemente können gemeinsam mechanisch dazu konfiguriert sein, das gesamte Sensormodul zu bilden.

V. Integrierte Herstellungsverfahren (Opfer-Freigabe-Technologie, Wafer-Bonding usw.) können vera/endet werden, um die Tast(Zelle oder Elemente)- und/oder Ab- stands(Zelle oder Elemente)-Sensormodule zum Bilden der gesamten Sensorbau- gruppe (z. B. MEMS-Vorrichtung 100) herzustellen. VI. Geometrische Strukturen (kubisch, rechteckig, pyramidenförmig usw.), die auf ei- nem oberen Tastsensor (Zellen oder Elemente) aus Materialien hergestellt sind (die alle weichen Materialien wie Polymer, Elastomer usw. und für derartige Strukturen und Anwendungen geeignetes Material beinhalten), die in der Lage sind, die taktile Last mit dem jeweiligen Sensor derselben (Zelle oder Element) zu koppeln, können als Taktile-Last-Höcker (z. B. Lastübertragungselemente) verwendet werden.

VII. Ein Abstandssensor (Zelle oder Elemente) kann entweder eine nackte Oberfläche aufweisen oder Strukturen (z. B. eine Schutzschicht), die geometrisch und material- mäßig den T aktile-Last-Höckem ähnlich sind, können zum Bedecken derselben ver- wendet werden, um sie vor mechanischen Einwirkungen oder Beschädigungen während des Betriebs zu schützen.

VIII. Kapazitive Wandler (die alle Arten wie CMUT, beinhalten) können in unterschiedli- cher Konfiguration als luftdicht versiegelt, entlüftet oder vakuumversiegelt verwen- det werden, je nach Anforderungen im Tast- oder Abstandsmodus. Dies impliziert z. B. die Integration von Immersions- und luftgestützten kapazitiven Wandlern auf einem einzigen Chip. Das hierin beschriebene integrierte Sensormodul, sozusagen die MEMS-Vorrichtung 100, weist zahlreiche Merkmale/Vorteile auf:

Miniaturisierung

Damit verbundene Ressourceneinsparung und Kostensenkung bei großen Stückzahlen

Integration von Elektronik (ADC, Signalverarbeitung usw.) möglich. Gestaltungsfreiheit und Skalierbarkeit der Größe.

Potenzielle Flexibilität ergibt sich sowohl aus der Perspektive der Geometrie als auch des Betriebs als:

• z. B. integrierte oder getrennte Herstellung von Sensoren (Tast- und Ab- standssensoren; Zellen und Elemente) aus flexiblen Substraten.

• z. B. Anordnung von separaten Sensoren (Zellen oder Baugruppe) auf ei- nem flexiblen Träger (z. B. flexibles Substrat).

• z. B. Verwendung eines Tastsensors, Abstandssensors (Elemente oder Zel- len) in einer getrennten oder aggregierten Konfiguration entweder einzeln oder durch Multiplexing. In den Figuren 3a bis 5c sind schematische Darstellungen von Konfigurationen dargestellt, bei denen gruppierte Wandlerzellen (z. B. Berührungssensorzellen 122 und/oder Nähe- rungssensorzellen 132) Sensorelemente (z. B. Berührungssensorelemente 120 und/oder Näherungssensorelemente 130) bilden und abwechselnde Elemente z. B. in einem Karo- muster angeordnet sind, um das vollständige Sensormodul (z. B. die MEMS-Vorrichtung) zu bilden. Die taktilen Elemente (Berührungssensorelemente 120) sind zum Beispiel mit einem Elastomer-Kontakthöcker (z. B. einem Lastübertragungselement) bedeckt (siehe z. B. Fig. 5a bis Fig. 5c). Die Abstandselemente (Näherungssensorelemente 130) können in diesem Zustand z. B. drei Konfigurationen aufweisen:

1. Nackte Oberfläche (siehe z. B. Fig. 5a)

2. Zum Schutz vor mechanischem Kontakt oder Beschädigung bedeckt (z. B. Schutzschicht):

2.1. Teildicke im Vergleich zur Taktile-Last-Höhe. (siehe z. B. Fig. 5b)

2.2. Gleiche Dicke im Vergleich zur Taktile-Last-Höhe. (siehe z. B. Fig. 5c)

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein System zur Test- und Abstandserfassung unter Verwendung eines integrierten Sensormoduls z. B. auf Basis ei- nes MEMS-Akustikwandlers. Insbesondere handelt es sich, z. B., um ein System, bei dem erstmals mehrere Tast- und Abstandssensorelemente integriert wurden, z. B., für eine In- tegration auf einer Roboterhand.

Durch die Sensorfusion der individuellen Systeme kann eine Erfassung und Verarbeitung einer hohen Informationsdichte, die mit einerzunehmenden Komplexität von Anwendungen erforderlich ist, erreicht werden.

Fig. 3a zeigt ein Elementlayout auf einem Chip. Der gesamte Chip (z. B. der Halbleiterchip) besteht, gemäß einem Ausführungsbeispiel, aus 8 taktilen (z. B. Berührungssensorele- mente 120) und 8 Abstandselementen (z. B. Näherungssensorelemente 130), die in einer Ebene nebeneinander angeordnet sind. Zur Verdeutlichung wurden das erste Berührungs- sensorelement 120i und das erste Näherungssensorelement 130i gestrichelt umrandet. Jedes Berührungssensorelement 120 weist z. B. eine Vielzahl von in einem zweidimensio- nalen Feld angeordneten Berührungssensorzellen 122 auf und jedes Näherungssensorel- ement 130 weist z. B. eine Vielzahl von in einem zweidimensionalen Feld angeordneten Näherungssensorzellen 132 auf. Die Berührungssensorzellen 122 und/oder die Nähe- rungssensorzellen 132 sind z. B rund ausgebildet. Ferner weist jedes Berührungssensorelement 120 und jedes Näherungssensorelement 130 Kontakte 160 und 162, d.h. Kontaktstellen oder Kontaktpads, auf. Der Kontakt 162 dient z. B. der Übertragung der Sendespannung bzw. der Detektion im Empfangspfad und der Kontakt 160 kann einen Erdanschluss, einen DC-Anschluss oder ähnliches darstellen. Ge- mäß einem Ausführungsbeispiel können die Kontaktstellen 160, die den Berührungssenso- relementen 120 zugeordnet sind und/oder die den Näherungssensorelementen 130 zuge- ordnet sind, auch zusammen ausgeführt werden. Optional kann diese Zusammenführung auch auf die Kontakte 162 angewandt werden. Eine vorteilhafte Verschaltung ist in Fig. 4a und Fig. 4b dargestellt (z. B. eine Parallelschaltung der Berührungssensorzellen 122 eines Berührungssensorelements 120 und eine Parallelschaltung der Näherungssensorzellen 132 eines Näherungssensorelements 130).

Auch wenn in den Figuren 3a bis 5c die Berührungssensorzellen 122 und die Näherungs- sensorzellen 132 als Kreise bzw. als Scheiben dargestellt sind, sind diese nicht darauf limi- tiert. Es ist ebenso möglich Sensorzellen mit anderen Formen in den Chip zu integrieren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel, handelt es sich bei den Berührungssensorzellen 122 und/oder den Näherungssensorzellen 132 um CMUT-Zellen und/oder PMUT-Zellen.

Durch den modularen Aufbau wird ermöglicht, dass je nach Anwendung eine Anzahl, ein Aufbau und/oder eine Anordnung der Berührungssensorelemente 120 und der Näherungs- sensorelemente 130 variiert werden kann. Gemäß dem in den Figuren 3a bis 5c dargestell- ten Aufbaus, weist das Berührungssensorelement 12039 Berührungssensorzellen 122 auf und jedes Näherungssensorelement 130 weist 14 Näherungssensorzellen 132 auf. Ferner sind aufeinanderfolgende Zellreihen z. B. zueinander versetzt angeordnet, um die Sensor- zellen möglichst platzsparend innerhalb eines Sensorelements anzuordnen. Benachbarten Reihen überlappen z. B. zumindest teilweise, ohne dass benachbarte Berührungssensor- zellen 122 und/oder benachbarte Näherungssensorzellen 132 überlappen.

In Fig. 3b ist ein Berührungssensorelement 120 und ein Näherungssensorelement 130, ge- mäß einem Ausführungsbeispiel, vergrößert dargestellt. Der in Fig. 3b dargestellte Aus- schnitt kann einen Ausschnitt der MEMS-Vorrichtung 100 aus Fig. 3a darstellen.

Fig. 4a und Fig. 4b zeigen eine mögliche Verschaltung von Sensorzellen (122, 132) inner- halb eines Sensorelements (120, 130). Dabei sind die Sensorzellen eines Sensorelements jeweils mit einem ersten Anschluss 160 und einem zweiten Anschluss 162 verbunden. Der erste Anschluss 160 stellt z. B. einen Bezugsanschluss oder Erdanschluss dar und der zweite Anschluss 162 stellt z. B. einen Signalanschluss (z. B. „bias terminal") oder einen positiven Anschluss dar. Es wird z. B. eine mögliche Zellverbindung für ein taktiles und ein Abstandselement über einen positiven und einen geerdeten Anschluss (z. B. „ground ter- minal") dargestellt. Andere Konfigurationen sind ebenfalls möglich. Diese Konfigurationen sind ein Beispiel, bei denen eine sehr geringe parasitäre Kapazität vorliegt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist der erste Anschluss 160 nicht für alle Sensorel- emente die gleiche Funktionsweise auf. Dasselbe gilt für den zweiten Anschluss 162. Die Kontaktpads (der erste Anschluss 160 und der zweite Anschluss 162) können für die ein- zelnen Elemente (z. B. für die einzelnen Sensorzellen 122, 132 und/oder für die einzelnen Berührungs- 120 und Näherungssensorelemente 130) unterschiedlich angesteuert bzw. ausgelesen werden. Praktisch kann jedes individuelle Sensorelement (in Fig. 3a sind bei- spielhaft 4 Berührungs- 120 ₁ -120 ₄ und 4 Näherungssensorelemente 130 ₁ -130 ₄ dargestellt) individuell angesteuert werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind erste Elektroden (z. B. angeordnet an dem Wafer 112) der Sensorzellen mit dem ersten Anschluss 160 verbunden und zweite Elektroden (z. B. die Platte 142) der Sensorzellen mit dem zweiten Anschluss 162 verbunden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann zwischen den beiden Anschlüssen 160, 162 eine Wechselspannung ängelegt werden, um eine bewegliche Elektrode (z. B. die erste Elekt- rode oder die zweite Elektrode) der Näherungssensorzellen 132 zum Schwingen anzure- gen und somit eine Ultraschall-Laufzeitmessung zu ermöglichen. Fig. 4a und Fig. 4b stellen z. B. Ausschnitte der MEMS-Vorrichtung 100 aus Fig. 3a dar.

Die Figuren 5a bis 5c zeigen zusätzliche unterschiedliche Ausführungen der MEMS- Vorrichtung 100 aus Fig. 3a mit einem Lastübertragungselement 150 und/oder einer Schutzschicht 152.

Die Lastübertragungselemente 150 und die Schutzschichten 152 sind in den Figuren 5a bis 5c als Quader ausgeformt. Über geeignete Abscheide und strukturierungsverfahren sind diese auch als Pyramiden oder Halbkugeln oder Ähnliches formbar. Optional kann eine „weitere“ Schutzschicht eingeführt werden. Diese kann als eine Art dünne Folie über den gesamten Chip bzw. nur über den Näherungssensor platziert werden. Diese Folie kann eine Strukturierung aufweisen. Der Vorteil ist, dass keine mechanische Wechselwirkung mit dem Näherungssensor entsteht und ein Schutz vor mechanischen Ein- wirkungen, Staub, Feuchtigkeit etc. bereitgestellt werden kann. In anderen Worten zeigt Fig. 5a Berührungssensorelemente 120, die z. B. mit Polymer (z. B. Lastübertragungselementen 150 oder Kontakthöcker) bedeckt sind und Näherungs- sensorelemente 130, die offen sind (nicht bedeckt). Optional kann die „weitere“ Schutz- schicht als eine Art dünne Folie über den gesamten Chip platziert werden. Dabei liegt die „weitere“ Schutzschicht z. B. auf den Lastübertragungselementen 150 auf und istfreischwe- bend über den Näherungssensorelementen 130 angeordnet. Dadurch entsteht keine me- chanische Wechselwirkung der „weiteren“ Schutzschicht mit dem Näherungssensorele- ment.

In anderen Worten zeigt Fig. 5b Berührungssensorelemente 120, die z. B. mit Polymer (z. B. Lastübertragungselementen oder Kontakthöcker) bedeckt sind und Näherungssenso- relemente 130, die teilweise zum Schutz bedeckt sind. Die jeweils über zwei benachbarten Näherungssensorelementen 130 angeordneten Schutzschichten 152 weisen eine gerin- gere Dicke auf als die über jeweils zwei benachbarten Berührungssensorelementen 120 angeordneten Lastübertragungselemente.

In anderen Worten zeigt Fig. 5c Berührungssensorelemente 120 und Näherungssensorel- emente 130, die z. B. vollständig mit Polymer bedeckt sind.

In Fig. 6a und Fig. 6b ist jeweils eine Ansteuerschaltung 170, d.h. eine Steuerkonfiguration zum Senden, exemplarisch für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandler (CMUT) als Näherungssensorzelle 132 für eine MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel, dargestellt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die Ansteuerschaltung 170 in Fig. 6a eine Sig- nalsteuerung 172, eine Signalquelle 174, eine DC-Quelle 176 und einen Bias-Tee 178 auf. Die Signalsteuerung 172, in Fig. 6a, kann ausgebildet sein, um die Signalquelle 174 und die DC-Quelle 176 zu regeln. Die beiden erzeugten Spannungen werden über das Bias- Tee 178 superpositioniert und an den Näherungssensor 132 übertragen. Dieser wandelt das elektrische Signal in Ultraschallwellen um. In Fig. 6b wird eine alternative Ansteuerschaltung 170 dargestellt. Die Ansteuerschaltung 170, in Fig. 6b, weist zum Beispiel eine Signalsteuerung 172, eine Signalquelle 174 und eine DC-Quelle 176 auf. Die Signalsteuerung 172 kann ausgebildet sein, um die Signal- quelle 174 und die DC-Quelle 176 zu regeln. Die beiden Spannungen werden über ver- schiedene elektrische Kontakte direkt am Näherungssensor 132 superpositioniert. Dieser wandelt das elektrische Signal in Ultraschallwellen um.

Für den Fall eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) als Näherungssensorzelle 132, entfällt die DC-Quelle 176 und das Bias-Tee 178 im Falle der in Fig. 6a gezeigten Konfiguration und entfällt die DC-Quelle 176 im Falle der in Fig. 6b gezeigten Konfiguration. In anderen Worten weist die Ansteuerschaltung 170 im Falle eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) als Näherungssensor- zelle 132 die Signalsteuerung 172 und die Signalquelle 174 auf. Das elektrische Signal der Signalquelle 174 wird direkt an den Näherungssensor 132 geleitet.

In Fig. 7a und Fig. 7b ist jeweils eine Ausleseschaltung 180, d.h. eine Steuerkonfiguration zum Empfangen, exemplarisch für einen kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwand- ler (CMUT) als Näherungssensorzelle 132 für eine MEMS-Vorrichtung, gemäß einem Aus- führungsbeispiel, dargestellt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, weist die Ausleseschaltung 180 in Fig. 7a eine Signal- verarbeitung 182, einen Verstärker 184, eine DC-Quelle 186 und einen Bias-Tee 188 auf. Ein von einer Ultraschallwelle verursachtes hochfrequentes elektrisches Signal des Nähe- rungssensors 132 wird über den Verstärker 184 verstärkt und an die Signalverarbeitung 182 überführt. Die Empfangssensitivität wird über den Verstärker 184 und die DC-Quelle

186 geregelt.

In Fig. 7b wird eine alternative Ausleseschaltung 180 dargestellt. Die Ausleseschaltung 180, in Fig. 7b, weist zum Beispiel eine Signalverarbeitung 182, einen Verstärker 184 und eine DC-Quelle 186 auf. Ein von einer Ultraschallwelle verursachtes hochfrequentes elektri- sches Signal des Näherungssensors 132 wird über einen Verstärker 184 verstärkt und an die Signalverarbeitung 182 überführt. Die Empfangssensitivität wird über den Verstärker 184 und die DC-Quelle 186 geregelt. Für den Fall eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) als Näherungssensorzelle 132, entfällt die DC-Quelle 186 und das Bias-Tee 188 im Falle der in Fig. 7a gezeigten Konfiguration und entfällt die DC-Quelle 186 im Falle der in Fig. 7b gezeigten Konfiguration. In anderen Worten weist die Ausleseschaltung 180 im Falle eines piezoelektrischen mikromechanischen Ultraschallwandlers (PMUT) als Näherungssensor- zelle 132 die Signalverarbeitung 182 und den Verstärker 184 auf. Das elektrische Signal des Näherungssensors 132 wird direkt an den Verstärker 184 geleitet.

Fig. 8 zeigt ein Blockdiagram eines Systemaufbaus einer MEMS-Vorrichtung 100 mit zu- mindest einem Berührungssensorelement 120 und zumindest einem Näherungssensorele- ment 130. Auf der linken Seite sind die Hauptmodule des Systems dargestellt und auf der rechten Seite ein Flussdiagramm des Systems.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel, kann zumindest eins oder auch jedes der Berührungs- sensorelemente 120 ₁ -120 _n mehrere Berührungssensorzellen aufweisen und zumindest eins oder auch jedes der Näherungssensorelement 130 ₁ -130 _m kann mehrere Näherungs- sensorzellen aufweisen. Der Index n ist eine natürliche Zahl und gibt die Anzahl unabhän- giger Näherungssensorelemente 130 an. Der Index m ist eine natürliche Zahl und gibt die Anzahl unabhängiger Berührungssensorelemente 130 an. Die Sensorelemente 130/120 und/oder Sensorzellen können Merkmale und/oder Funktionalitäten, wie sie in Zusammen- hang mit zumindest einer der Figuren 1 bis 7b beschrieben sind, aufweisen.

Über eine Ansteuerschaltung 170 ₁ , d.h. eine Steuerelektronik, der Näherungssensorele- mente 130, d.h. der Näherungs-Sensorik, werden elektrische Pulse 175 _Ni „Tx Ni" (i=1... n) an die Näherungssensorelemente 130 _i „Ni“ gesendet. Diese wandeln die elektrischen Sig- nale 175 in Ultraschallwellen 190 _Ni „pTx Ni“ um, welche anschließend mit der Umgebung wechselwirken. Die Antwort 192 auf die Gesamtheit der Signale 190 „pTx Ni“ wird durch das Sensorsystem erfasst. Hierbei erreichen Ultraschallsignale 192 _Nj „pRx Nj“ (j=1...n) das Sensorelement 130 „Nj“, welches die Ultraschallsignale 192 wiederum in elektrische Sig- nale 183 _Nj „RX Nj" wandelt und an eine Ausleseschaltung 180 ₁ , d.h. an die Steuerelektronik, überführt. Das j-te Empfangselement kann dabei ebenfalls Antwortsignale 192 _i induziert vom i-ten Sendeelemente 130 _i (für i≠j) empfangen. Mittels einer geeigneten Signalverarbei- tung werden die Signale aufbereitet und einer Visualisierung überführt.

Die Steuerung der Berührungssensorik 120 erfolgt analog. Im Fall eines passiven Berüh- rungselements 120 _i werden durch elektrische Pulse 175 _Bi „Tx Bi“ (i=1...n) Messzustände des Berührungssensorelements 120 _i „Bi" eingestellt und ein physikalischer Sendepuls 190 _Bi „pTx Bi" entfällt. Ein physikalischer Empfangspuls 192 _Bj „pRx Bj“ (j=1...n) beschreibt me- chanische Kräfte, die auf den Sensor 120 _j „Bj" wirken.

Im Fall eines aktiven Berührungssensors 120 kann dieser ebenfalls Ultraschallwellen 190 _Bi „pTx Bi“ senden (analog zu dem Näherungssensor 130). Als aktiver Berührungssensor 120 kann der Berührungssensor 120 in einem Näherungssensormodus betrieben werden.

Somit können die Näherungssensorelemente 130 und optional die Berührungssensorele- mente 120 mit einem elektrischen Sendepuls 175 angesteuert werden, worauf die Senso- relemente 130/120 einen physikalischen Sendepuls 190 (z.B. Ultraschall, Elektrostatik, Magnetismus, Optik) an die Umgebung aussenden. Sowohl die Näherungssensorelemente 130 als auch die Berührungssensorelemente 120 können einen physikalischen Empfangs- puls 192 (z.B. Ultraschall, Elektrostatik, Magnetismus, Optik) empfangen und in einen elektrischen Empfangspuls 183 umwandeln.

Die einzelnen Sensorelemente 130 „Ni“ bzw. 120 „Bi“ können elektrisch gruppiert werden, um bspw. das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen. Die Berührungssensorelemente 120 sind zum Beispiel ausgebildet, um in einem Näherungssensormodus als Näherungssenso- relement betrieben zu werden und/oder die Näherungssensorelemente 130 sind ausgebil- det, um in einem Berührungssensormodus als Berührungssensorelement betrieben zu wer- den. Dadurch können sowohl Näherungssensorelemente 130 als auch Berührungssenso- relemente 120 zu einem großen Näherungssensor gruppiert werden, wobei dabei sowohl die Näherungssensorelemente 130 als auch die Berührungssensorelemente 120 in dem Näherungssensormodus betrieben werden. Umgekehrt können auch Näherungssensorel- emente 130 und Berührungssensorelemente 120 zu einem großen Berührungssensor gruppiert werden, wobei dabei sowohl die Näherungssensorelemente 130 als auch die Be- rührungssensorelemente 120 in dem Berührungssensormodus betrieben werden.

Die Module „Signalverarbeitung", d.h. Datenverarbeitung, und „Visualisierung" können die Informationen beider Sensordomänen „Näherungssensorik“ und „Berührungssensorik“ kombinieren.

Das System 100 kann Informationen an einen externen Regelkreis übergeben, um aktiv in die Wechselwirkung Sensorsystem und Umgebung einzugreifen (bspw. in einem Roboter- greifer den Greifabstand ändern). Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfah- rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein ent- sprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrens- schritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfah- rensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hard- ware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Compu- ter oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispie- len können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Er- findung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte odereines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart Zusammenwir- ken können oder Zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Des- halb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.

Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmier- baren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.

Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerpro- grammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode da- hingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm- produkt auf einem Computer abläuft.

Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger ge- speichert sein. Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen- lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin be- schriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ab- läuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträ- ger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren auf-ge- zeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Me- dium sind typischerweise gegenständlich und/oder nichtvergänglich bzw. nicht-vorüberge- hend.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Daten- strom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durch- führen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, trans- feriert zu werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfigu- riert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerpro- gramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumin- dest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vor- richtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (bei- spielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzu- führen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell ersetzbare Hard- ware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung ei- ner Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.

Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschrie- benen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Com- puterprogramm) implementiert sein.

Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hard- ware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.

Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden. Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Vari- ationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten ein- leuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz- umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsen- tiert wurden, beschränkt sei.