Die vorliegende Erfindung betrifft eine MEMS-Sensor-Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren für eine MEMS-Sensor-Vorrichtung.

Stand der Technik

Derzeit kommerziell erhältliche MEMS -Mikrofone basieren üblicherweise auf einem kapazitiven Messverfahren. Beispielsweise ist aus der DE 10 2014 212 340 AI ein derartiges MEMS-Mikrofon bekannt, welches ein Membranelement und ein Gegenelektrodenelement umfasst. Gerät das Membranelement aufgrund von Schallwellen in Schwingung, so ändert sich der Abstand zwischen

Membranelement und Gegenelektrodenelement, wodurch sich die Kapazität zwischen Membranelement und Gegenelektrodenelement verändert. Diese sich verändernde Kapazität kann gemessen und dadurch die Schwingung bestimmt werden.

Um Schallsignale präzise zu erfassen, wie dies etwa zur Spracherkennung benötigt wird, muss das Signal -Rausch- Verhältnis möglichst hoch gehalten werden. Bei hoher Sensitivität des MEMS-Mikrofons, d.h. bei hoher Elastizität der Membran, können hierbei die Anforderungen an einen an das MEMS- Mikrofon angeschlossenen Vorverstärker reduziert werden, womit ein niedrigerer Stromverbrauch des Vorverstärkers einhergeht. Hohe Sensitivität aufgrund hoher Elastizität impliziert jedoch andererseits eine geringere Bandbreite. Eine hohe Bandbreite wird j edoch insbesondere zum Erfassen von Musik benötigt.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung schafft eine MEMS-Sensor-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für eine MEMS-

Sensor-Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.

Die Erfindung schafft demnach eine MEMS-Sensor-Vorrichtung mit einem Substrat und einer an dem Substrat eingespannten Membraneinrichtung, welche bewegbar ist. Unter„bewegbar" kann insbesondere verstanden werden, dass die Membraneinrichtung durch Schallwellen in Schwingung bringbar ist. Die MEMS- Sensor- Vorrichtung umfasst weiter mindestens eine an dem Substrat angeordneten Gegenelektrode, mindestens eine an dem Substrat angeordneten

Anschlagseinrichtung, und eine Steuervorrichtung, welche ausgebildet ist,

zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der

Membraneinrichtung in einem ersten Schwingungsmodus eine erste Spannung anzulegen und in einem zweiten Schwingungsmodus eine zweite Spannung

anzulegen, sodass in dem ersten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung von der Membraneinrichtung beabstandet ist, sodass in dem zweiten

Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung berührt;

und wobei eine Elastizität der Membraneinrichtung in dem ersten

Schwingungsmodus höher ist als die Elastizität der Membraneinrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus.

Unter„hoher bzw. niedriger Elastizität" der Membraneinrichtung wird hierbei eine hohe bzw. niedrige Steifigkeit der Membraneinrichtung verstanden.

Die MEMS-Sensor- Vorrichtung ist vorzugsweise eine MEMS-Mikrofon- Einrichtung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die MEMS-Sensor- Vorrichtung ein Beschleunigungssensor.

Die Erfindung schafft weiter ein Herstellungsverfahren für eine MEMS-Sensor- Vorrichtung, mit einem ersten Verfahrensschritt des Einspannens einer

Membraneinrichtung an einem Substrat, wobei die Membraneinrichtung bewegbar ist. Weiter umfasst das Herstellungsverfahren das Ausbilden von mindestens einer

Gegenelektrode an dem Substrat, das Anordnen von mindestens einer

Anschlagseinrichtung an dem Substrat, und das Ausbilden einer Steuervorrichtung, welche ausgebildet wird, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung in einem ersten Schwingungsmodus eine erste Spannung anzulegen und in einem zweiten Schwingungsmodus eine zweite Spannung anzulegen. In dem ersten Schwingungsmodus ist hierbei die Anschlagseinrichtung von der Membraneinrichtung beabstandet und in dem zweiten Schwingungsmodus berührt die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung, wobei eine Elastizität der

Membraneinrichtung in dem ersten Schwingungsmodus höher ist als die Elastizität der Membraneinrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Vorteile der Erfindung

Im ersten Schwingungsmodus weist die Membraneinrichtung eine hohe Elastizität auf. Die Anforderungen und damit der Stromverbrauch eines an die MEMS- Sensor- Vorrichtung angeschlossenen Vorverstärkers kann daher reduziert werden, um ein vorgegebenes Signal -Rausch- Verhältnis zu erhalten. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung zeichnet sich also in diesem ersten Schwingungsmodus durch einen geringen Stromverbrauch aus. Die Bandbreite der MEMS-Sensor- Vorrichtung ist jedoch aufgrund der hohen Elastizität der Membraneinrichtung eher gering. Der erste Schwingungsmodus eignet sich daher beispielsweise für einen

„Aufwachmodus" in welchem die MEMS-Sensor- Vorrichtung

Hintergrundgeräusche erfasst. Sensordaten, welche hohe Anforderungen an die Präzision und Bandbreite stellen, wie etwa Musik oder Sprache, werden in diesem ersten Schwingungsmodus durch die Resonanzerhöhung der MEMS-Sensor- Vorrichtung nicht über die gesamte mögliche Bandbreite verarbeitet.

Umgekehrt zeichnet sich die MEMS-Sensor- Vorrichtung in dem zweiten

Schwingungsmodus durch eine geringere Elastizität und damit durch eine geringere Sensitivität aus. Die Anforderungen an den Vorverstärker, um ein vorgegebenes Signal -Rausch- Verhältnis zu erhalten, sind dadurch höher als in dem ersten Schwingungsmodus. Vorteilhafterweise ist jedoch in dem zweiten Schwingungsmodus die Bandbreite, welche durch die Membraneinrichtung erfasst werden kann, deutlich gegenüber dem ersten Schwingungsmodus erhöht. Werden höhere Anforderungen an die Bandbreite gestellt, so kann die MEMS-Sensor- Vorrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus betrieben werden, wodurch eine deutlich erhöhte Bandbreite zur Verfügung steht. Dadurch ist die MEMS-Sensor- Vorrichtung im zweiten Schwingungsmodus insbesondere zum Erfassen von Musik oder zur Spracherkennung geeignet.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Membraneinrichtung in einem Randbereich mindestens ein federartiges Element. In dem ersten

Schwingungsmodus ist dadurch die Elastizität der Membraneinrichtung hauptsächlich durch die Elastizität des federartigen Elements gegeben. In dem zweiten Schwingungsmodus berührt die Anschlagseinrichtung die

Membraneinrichtung, wodurch das federartige Element der Membraneinrichtung im Wesentlichen fixiert wird. In dem zweiten Schwingungsmodus trägt dieses federartige Element dadurch nicht mehr oder zumindest kaum noch zur

Schwingung der Membranvorrichtung bei und die Elastizität der

Membraneinrichtung ist geringer als in dem ersten Schwingungsmodus.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung besteht die mindestens eine

Anschlagseinrichtung zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material. Die Anschlagseinrichtung beeinflusst also beim Berühren der Membraneinrichtung nicht die elektrischen Eigenschaften der Membraneinrichtung. Die

Anschlagseinrichtung kann insbesondere zum Verringern eines effektiv zur Schwingung zur Verfügung stehenden Radius der Membraneinrichtung dienen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die MEMS-Sensor- Vorrichtung eine Abdeckvorrichtung, welche die Membraneinrichtung zumindest teilweise überspannt, wobei die Gegenelektrode durch zumindest einen Teil der Abdeckvorrichtung gebildet ist, und wobei die mindestens eine Anschlagseinrichtung an der Abdeckvorrichtung angeordnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die Membraneinrichtung in einem Innenbereich mindestens ein weiteres federartiges Element, wobei in dem zweiten Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung in einem Bereich zwischen dem mindestens einen federartigen Element im Randbereich und dem mindestens einen federartigen Element im Innenbereich berührt. Der Innenbereich bezeichnet hierbei einen Bereich der Membraneinrichtung, welcher näher am Zentrum der Membraneinrichtung liegt als der Randbereich der Membraneinrichtung.

Vorzugsweise ist hierbei die Elastizität des federartigen Elements im Randbereich höher als die Elastizität des federartigen Elements im Innenbereich. Im ersten

Schwingungsmodus kann daher das federartige Element im Innenbereich vernachlässigt werden und die Elastizität der Membraneinrichtung ist vorwiegend durch die Elastizität des federartigen Elements im Randbereich gegeben. Im zweiten Schwingungsmodus berührt jedoch die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung in einem Bereich zwischen dem federartigen Element im Randbereich und dem federartigen Element im Innenbereich, wodurch das federartige Element im Randbereich fixiert wird. Das federartige Element im Randbereich trägt daher nicht mehr zur Schwingung der Membraneinrichtung bei. Die Elastizität der Membraneinrichtung ist daher im zweiten Schwingungsmodus vorwiegend durch das federartige Element im Innenbereich bestimmt. Die Elastizität der Membraneinrichtung ist daher im zweiten

Schwingungsmodus geringer als im ersten Schwingungsmodus.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die mindestens eine Anschlagseinrichtung durch die mindestens eine Gegenelektrode gebildet. Durch Anlegen der zweiten

Spannung durch die Steuervorrichtung entsteht eine anziehende Kraft zwischen der Membraneinrichtung und der Gegenelektrode, wodurch sich Membraneinrichtung und Gegenelektrode berühren. Die angelegte erste bzw. zweite Spannung dient somit als Steuerspannung. Vorzugsweise ist die Gegenelektrode hierbei federförmig ausgebildet. Dadurch, dass die Gegenelektrode die Membraneinrichtung berührt, trägt diese ebenfalls zur Elastizität der Membraneinrichtung bei. Durch geeignete Wahl der Elastizität der Gegenelektrode kann hierbei insbesondere die Elastizität im zweiten Schwingungsmodus und damit die Bandbreite der MEMS-Sensor- Vorrichtung im zweiten Schwingungsmodus genau eingestellt werden. Weiter kann eine zusätzliche Spannung zwischen die Membraneinrichtung und eine weitere Gegenelektrode angelegt werden, um die Schwingungen der Membraneinrichtung zu messen.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die MEMS-Sensor- Vorrichtung eine Sensorvorrichtung, welche mit der Steuervorrichtung gekoppelt ist und ausgebildet ist, eine Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung zu detektieren, wobei die

Steuervorrichtung ausgebildet ist, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung die zweite Spannung anzulegen, falls eine von der Sensorvorrichtung detektierte Schwingungsamplitude der

Membraneinrichtung über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Der Schwellenwert kann hierbei auch frequenzabhängig sein und/oder in vorgegebenen Frequenzbändern liegen, welche beispielsweise durch Filterbänke definiert sein können. Die

Steuervorrichtung kann weiter ausgebildet sein, zwischen der mindestens einen

Gegenelektrode und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung die erste

Spannung anzulegen, falls eine von der Sensorvorrichtung detektierte

Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung unter dem vorgegebenen

Schwellenwert liegt. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung kann somit in einem ersten Schwingungsmodus betrieben werden, falls die Schwingungsamplitude der

Membraneinrichtung unter dem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung kann somit bei hoher Sensitivität und damit geringem Stromverbrauch Hintergrundgeräusche erfassen. Dies entspricht einem„Aufwachmodus", in welchem die MEMS-Sensor- Vorrichtung Hintergrundgeräusche wahrnehmen kann, jedoch nicht zum Erfassen von Signalen ausgebildet ist.

Ist die von der Sensorvorrichtung detektierte Schwingungsamplitude jedoch größer als der vorgegebene Schwellenwert, so legt die Steuervorrichtung die zweite Spannung zwischen Gegenelektrode und Membraneinrichtung an. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung geht dadurch in den zweiten Schwingungsmodus über. Dieser zweite

Schwingungsmodus zeichnet sich durch einen höheren Stromverbrauch, jedoch auch eine höhere Bandbreite und dadurch eine höhere Genauigkeit aus. Mit anderen Worten wird die MEMS-Sensor- Vorrichtung somit automatisch aktiviert, d.h. in einen

Betriebszustand versetzt, wenn ein die Membranvorrichtung treffender Schall über einem durch den vorgegebenen Schwellenwert definierten Rauschniveau liegt und dadurch die Membraneinrichtung zu Schwingungen anregt, welche über dem

vorgegebenen Schwellenwert liegen. Die erfindungsgemäße MEMS-Sensor- Vorrichtung kombiniert somit einerseits große Bandbreite und hohe Präzision mit andererseits niedrigem Stromverbrauch im„Aufwachmodus".

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung umfasst die MEMS-Sensor- Vorrichtung eine Magnetvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld anzulegen, wobei die Elastizität der Membraneinrichtung durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-

Vorrichtung in einem ersten Schwingungsmodus gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; Figur 2 eine schematische Draufsicht auf eine Membraneinrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;

Figur 3 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor- Vorrichtung in einem zweiten Schwingungsmodus gemäß der ersten Ausführungsform;

Figur 4 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-

Vorrichtung in einem ersten Schwingungsmodus gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 5 eine schematische Draufsicht auf eine Membraneinrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform; Figur 6 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-

Vorrichtung in einem zweiten Schwingungsmodus gemäß der zweiten Ausführungsform;

Figur 7 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor- Vorrichtung in einem ersten Schwingungsmodus gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Figur 8 eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor-

Vorrichtung in einem zweiten Schwingungsmodus gemäß der dritten Ausführungsform; und

Figur 9 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens für eine MEMS-Sensor- Vorrichtung. In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen

- sofern nichts anderes angegeben ist - mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll insbesondere nicht, sofern nichts anderes angegeben ist, eine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Des Weiteren können verschiedene Ausführungsformen, soweit nichts anderes angegeben ist, beliebig miteinander kombiniert werden.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor- Vorrichtung 100 in einem ersten Schwingungsmodus gemäß einer ersten

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung 100 ist als eine MEMS-Mikrofon- Vorrichtung ausgebildet. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung 100 umfasst hierbei ein Substrat 101, vorzugsweise ein

Halbleitersubstrat, insbesondere ein Siliziumsubstrat. An dem Substrat 101 ist eine Membraneinrichtung 105 eingespannt.

Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Membraneinrichtung 105 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Membraneinrichtung 105 ist hierbei kreisförmig ausgebildet und umfasst ein Membranelement 107 sowie vier federartige Elemente 106a bis 106d, welche in einem Randbereich der

Membraneinrichtung 105 angeordnet sind, und über welche die

Membraneinrichtung 105 in dem Substrat eingespannt ist. Die Elastizität, d.h. die Steifigkeit der Membraneinrichtung 105, ist hierbei vorwiegend durch die Elastizität bzw. den Elastizitätsmodul der federartigen Elemente 106a bis 106d bestimmt. Ein Innendurchmesser d ₂ der Membraneinrichtung 105 ist definiert durch einen minimalen Abstand zweier federartiger Elemente 106a bis 106d durch einen Mittelpunkt der Membraneinrichtung 105.

Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. So kann die

Membraneinrichtung 105 eine beliebige Anzahl von federartigen Elementen umfassen. Weiter kann die Membraneinrichtung 105 eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere kann die Membraneinrichtung 105 rechteckig sein oder die Form eines beliebigen Polygons aufweisen.

Weiter ist auf dem Substrat 101 eine Abdeckvorrichtung 102 angeordnet, welche die Membraneinrichtung 105 überspannt. Die Abdeckvorrichtung 102 weist hierbei Schallöffnungen bzw. Perforierungen 103 auf, welche zum Durchlassen von Schallwellen ausgebildet sind. An einer der Membraneinrichtung 105 zugewandten Unterseite 102a der Abdeckvorrichtung 102 ist eine

Anschlagseinrichtung 104 ausgebildet. Die Anschlagseinrichtung 104 ist hierbei kreisringförmig, mit einem Außenradius di, welcher kleiner oder gleich groß wie der Innendurchmesser d ₂ der Membraneinrichtung 105 ist. Die

Anschlagseinrichtung 104 besteht hierbei aus einem elektrisch isolierenden Material.

Weiter umfasst die MEMS-Sensor- Vorrichtung 100 eine Steuervorrichtung 109, welche ausgebildet ist, zwischen der Abdeckvorrichtung 102, welche als

Gegenelektrode 108 fungiert, und der Membraneinrichtung 105 eine Spannung anzulegen. Legt die Steuervorrichtung 109 hierbei eine erste Spannung an, welche insbesondere gleich Null sein kann, so ist die Anschlagseinrichtung 104 von der Membraneinrichtung 105 beabstandet, wie in Figur 1 gezeigt. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung befindet sich in einem ersten Schwingungsmodus. Die Elastizität der Membraneinrichtung 105 ist hierbei vorwiegend durch die Elastizität der federartigen Elemente 106a bis 106d bestimmt.

Legt die Steuervorrichtung 109 eine zweite Spannung an, welche höher als die erste Spannung ist, so befindet sich die MEMS-Sensor- Vorrichtung 100 in einem zweiten Schwingungsmodus, welcher in Figur 3 illustriert ist. Die angelegte zweite Spannung erzeugt hierbei eine anziehende Kraft auf die

Membraneinrichtung 105 und lenkt diese in Richtung der Gegenelektrode 108 aus, bis die Membraneinrichtung 105 die Anschlagseinrichtung 104 berührt. Da der Außenradius di der Anschlagseinrichtung 104 kleiner oder gleich groß wie der Innenradius d ₂ der Membraneinrichtung 105 ist, berührt die Anschlagseinrichtung 104 die Membraneinrichtung 105 in einem Bereich innerhalb der federartigen Elemente 106a bis 106d, das heißt innerhalb des Innenradius d ₂ der

Membraneinrichtung 105. Die federartigen Elemente 106a bis 106d werden im Wesentlichen fixiert und tragen nicht länger zur Elastizität der

Membraneinrichtung 105 bei. Die Elastizität bzw. das Elastizitätsmodul der Membraneinrichtung 105 ist nun durch die Elastizität des Membranelements 107 gegeben. Die Elastizität der Membraneinrichtung 105 ist also in dem ersten Schwingungsmodus, wie in Figur 1 illustriert, höher als die Elastizität der Membraneinrichtung 105 in dem zweiten Schwingungsmodus, wie in Figur 3 illustriert. Vorzugsweise ist die Verbindung zwischen der Anschlagseinrichtung

104 und der Membraneinrichtung 105 im zweiten Schwingungsmodus luftdicht.

Die MEMS-Sensor- Vorrichtung 100 umfasst weiter eine Sensorvorrichtung 110, welche mit der Steuervorrichtung 109 gekoppelt ist. Die Sensorvorrichtung 110 ist ausgebildet, eine Schwingungsamplitude einer Schwingung der

Membraneinrichtung 105 zu detektieren. Beispielsweise kann die

Steuervorrichtung 109 eine Kapazitätsänderung zwischen der Gegenelektrode 108 und der Membraneinrichtung 105 messen und anhand der Kapazitätsänderung eine Schwingungsamplitude bestimmen. Die Sensorvorrichtung 110 ist

ausgebildet, die detektierte Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung 105 an die Steuervorrichtung 109 zu übermitteln. Liegt die von der Sensorvorrichtung 110 detektierte Schwingungsamplitude über einem vorgegebenen Schwellenwert, so ist die Steuervorrichtung 109 ausgebildet, zwischen der Gegenelektrode 108 und der Membraneinrichtung 105 die zweite Spannung anzulegen, welche höher als die erste Spannung ist. Liegt umgekehrt die detektierte Schwingungsamplitude unterhalb des vorgegebenen Schwellenwerts, so ist die Steuervorrichtung

ausgebildet, zwischen der Gegenelektrode 108 und der Membraneinrichtung 105 die erste Spannung anzulegen. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung 100 befindet sich in diesem Fall im ersten Schwingungsmodus.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann eine Elastizität der Membraneinrichtung

105 zusätzlich durch Magnetostriktion verändert werden. Vorzugsweise umfasst die MEMS-Sensor- Vorrichtung 100 hierzu eine Magnetvorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld an die Membraneinrichtung 105 anzulegen, wobei die Elastizität der Membraneinrichtung 105 durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist. Vorzugsweise wird die Elastizität der

Membraneinrichtung 105 hierbei derart durch Magnetostriktion verändert, dass die Elastizität in dem zweiten Schwingungsmodus gegenüber der Elastizität in dem ersten Schwingungsmodus verringert wird.

Figur 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer MEMS-Sensor- Vorrichtung 400 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Form und Gestalt der Membraneinrichtung 401. Die Membraneinrichtung 401 ist in Figur 5 illustriert. Die Membraneinrichtung 401 umfasst hierbei ein äußeres Membranelement 403 in einem Randbereich der Membraneinrichtung 401, ein inneres Membranelement 405 in einem Innenbereich der Membraneinrichtung 401 und vier federartige Elemente 402a bis 402d in einem Randbereich der Membraneinrichtung 401. Die Membraneinrichtung 401 umfasst weiter vier federartige Elemente 404a bis 404d in einem Innenbereich der

Membraneinrichtung 401 in einem Abstand ds von den federartigen Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401. Ein erster

Innenradius d ₃ der Membraneinrichtung 401, welcher den minimalen Abstand zweier federartiger Elemente 402a bis 402d im Randbereich der

Membraneinrichtung 401, gemessen durch einen Mittelpunkt der

Membraneinrichtung 401, bezeichnet, ist hierbei größer als ein zweiter

Innenradius d ₄ der Membraneinrichtung 401, welcher einen minimalen Abstand zweier federartiger Elemente 404a bis 404d im Innenbereich der

Membraneinrichtung 401 bezeichnet, wiederum gemessen durch einen

Mittelpunkt der Membraneinrichtung 401.

In dem in Figur 4 gezeigten ersten Schwingungsmodus der MEMS-Sensor- Vorrichtung 400 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung legt die Steuervorrichtung eine erste Spannung, insbesondere eine Spannung gleich null, zwischen der Gegenelektrode 108 und der Membraneinrichtung 401 an, wobei die Membraneinrichtung 401 von der Anschlagseinrichtung 104 beabstandet ist.

In dem in Figur 6 illustrierten zweiten Schwingungsmodus der MEMS-Sensor- Vorrichtung 400 legt die Steuervorrichtung 109 eine zweite Spannung höher als die erste Spannung an, wodurch eine Kraft auf die Membraneinrichtung 401 in Richtung der Gegenelektrode 108 ausgeübt wird. Die Membraneinrichtung 401 berührt hierbei die Anschlagseinrichtung 104. Der Außenradius di der

Anschlagseinrichtung 104 ist hierbei derart gewählt, dass in dem zweiten

Schwingungsmodus die Anschlagseinrichtung 104 die Membraneinrichtung 401 in einem Bereich 403 zwischen den federartigen Elementen 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401 und den federartigen Elemente 404a bis 404d im Innenbereich der Membraneinrichtung 401 berührt. Die federartigen Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401 weisen vorzugsweise eine höhere Elastizität, d.h. eine höhere Steifigkeit, als die federartigen Elemente 404a bis 404d im Innenbereich der Membraneinrichtung 401 auf. Im in Figur 4 gezeigten ersten

Schwingungsmodus tragen dadurch hauptsächlich die federartigen Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401 zur Elastizität der Membraneinrichtung 401 bei.

Im zweiten Schwingungsmodus sind die federartigen Elemente 402a bis 402d im Randbereich der Membraneinrichtung 401 im Wesentlichen fixiert, wodurch die Elastizität der Membraneinrichtung 401 im Wesentlichen durch die Elastizität der federartigen Elemente 404a bis 404d im Innenbereich der Membraneinrichtung 401 gegeben ist. Dadurch ist die Elastizität der Membraneinrichtung 401 im zweiten Schwingungsmodus niedriger als im ersten Schwingungsmodus.

Die MEMS-Sensor- Vorrichtung 400 kann wiederum eine Magnetvorrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld an die

Membraneinrichtung 105 anzulegen, wobei die Elastizität der

Membraneinrichtung durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist.

Figur 7 zeigt eine Querschnittsansicht gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform weist die MEMS-Sensor- Vorrichtung 700 gemäß der dritten Ausführungsform keine kreisringförmige Anschlagseinrichtung auf, welche an der Abdeckvorrichtung 102 angeordnet ist. Im Gegensatz zur ersten und zweiten Ausführungsform weist die MEMS-Sensor- Vorrichtung 700 Gegenelektroden 704a und 704b auf, welche aus einem zumindest teilweise elektrisch leitenden Material gefertigt sind und an dem Substrat 101 angeordnet sind.

Weiter unterscheidet sich die dritte Ausführungsform von den ersten und zweiten Ausführungsformen in Form und Gestalt der Membraneinrichtung 701. Die Membraneinrichtung 701 gemäß der dritten Ausführungsform umfasst ein Membranelement 702, sowie ein erstes federartiges Element 703a und ein zweites federartiges Element 703b, welche in einem Randbereich der

Membraneinrichtung 701 an dem Membranelement 702 angeordnet sind. Die Membraneinrichtung 701 ist mittels der ersten und zweiten federartigen Elemente 703a und 703b an dem Substrat 101 eingespannt. Die erste Gegenelektrode 704a und die zweite Gegenelektrode 704b sind parallel zu dem ersten federartigen Element 703a und dem zweiten federartigen Element 703b oberhalb der

Membraneinrichtung 701 in Richtung der Abdeckvorrichtung 102 angeordnet. Die Membraneinrichtung 701 kann eine beliebige Form aufweisen. So kann die

Membraneinrichtung 701 insbesondere kreisförmig oder rechteckig ausgebildet sein. Auch Anzahl und Form der federartigen Elemente können beliebig gewählt werden.

Die erste Gegenelektrode 704a und die zweite Gegenelektrode 704b bilden eine erste Kopplungseinrichtung 704a und eine zweite Kopplungseinrichtung 704b. Die Steuervorrichtung 109 ist ausgebildet, eine Spannung zwischen der ersten Gegenelektrode 704a und dem ersten federartigen Element 703a sowie zwischen der zweiten Gegenelektrode 704b und dem zweiten federartigen Element 703b anzulegen.

Legt die Steuervorrichtung 109 eine erste Spannung, insbesondere eine Spannung gleich null, zwischen der ersten Gegenelektrode 704a und dem ersten federartigen Element 703a sowie zwischen der zweiten Gegenelektrode 704b und dem zweiten federartigen Element 703b an, so wirkt keine oder nur eine geringe Kraft von der ersten und zweiten Gegenelektrode 704a und 704b auf das erste bzw. zweite federartige Element 703a bzw. 703b, und die erste und zweite Gegenelektrode 704a und 704b sind von der Membraneinrichtung 701 beabstandet, wie in Figur 7 illustriert.

Legt die Steuereinrichtung 109 eine zweite Spannung höher als die erste

Spannung zwischen der ersten und zweiten Gegenelektrode 704a und 704b an dem ersten bzw. zweiten federartigen Element 703a bzw. 703 d an, so entsteht eine Kraft zwischen der ersten bzw. zweiten Gegenelektrode 704a bzw. 704b und der Membraneinrichtung 701, wodurch die erste bzw. zweite Gegenelektrode 704a bzw. 704d die Membraneinrichtung 701 berührt. Die MEMS-Sensor- Vorrichtung 700 befindet sich in dem in Figur 8 illustrierten zweiten Schwingungsmodus.

Im ersten Schwingungsmodus ist die Elastizität, d.h. das Elastizitätsmodul der Membraneinrichtung 701, vorwiegend durch die Elastizität des ersten bzw. zweiten federartigen Elements 703a bzw. 703b gegeben, und im zweiten

Schwingungsmodus ist die Elastizität der Membraneinrichtung 701 sowohl durch die Elastizität des ersten und zweiten federartigen Elements 703a und 703b als auch durch die Elastizität der ersten und zweiten Gegenelektrode 704a und 704b bestimmt.

Insbesondere ist die Elastizität der Membraneinrichtung 701 in dem ersten Schwingungsmodus höher als die Elastizität der Membraneinrichtung 701 in dem zweiten Schwingungsmodus.

Die zwischen die erste Gegenelektrode 704a und das erste federartige Eleemnt 703a bzw. zwischen die zweite Gegenelektrode 704b und das zweite federartige Element 703b angelegte Spannung dient als Steuerspannung, wobei durch Änderung der Steuerspannung die Elastizität der Membraneinrichtung 701 verändert werden kann. Weiter dient die Abdeckung 102 als eine zusätzliche Gegenelektrode 108. Durch Anlegen einer Spannung zwischen die

Gegenelektrode 108 und die Membraneinrichtung 701 können die Schwingungen der Membraneinrichtung 701 gemessen werden und dadurch Mikrofon- Sensordaten erzeugt werden.

Die MEMS-Sensor- Vorrichtung 700 kann wiederum eine Magnetvorrichtung aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, ein äußeres Magnetfeld an die

Membraneinrichtung 105 anzulegen, wobei die Elastizität der

Membraneinrichtung durch Änderung des angelegten äußeren Magnetfelds einstellbar ist.

Die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. So kann sowohl die Anzahl als auch die Lage der federartigen Elemente und/oder Gegenelektroden unterschiedlich sein. Figur 9 zeigt ein Flussdiagramm eines Herstellungsverfahrens für eine MEMS- Sensor- Vorrichtung, insbesondere eine der oben beschriebenen

Ausführungsformen.

In einem ersten Verfahrensschritt Sl wird eine Membraneinrichtung an einem Substrat 101 eingespannt, wobei die Membraneinrichtung 701 bewegbar bzw. durch Schallwellen in Schwingung bringbar ist. Die Membraneinrichtung kann insbesondere eine Vielzahl von federartigen Elementen umfassen. Die federartigen Elemente können beispielsweise durch Ätzen, insbesondere durch Trenchätzen strukturiert werden.

In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird mindestens eine Gegenelektrode an dem Substrat ausgebildet. Die Gegenelektrode kann insbesondere Bestandteil einer Abdeckvorrichtung 102 sein, welche die Membraneinrichtung zumindest teilweise überspannt.

In einem dritten Verfahrensschritt S3 wird mindestens eine Anschlagseinrichtung an dem Substrat ausgebildet. Die Anschlagseinrichtung kann sich insbesondere an der Abdeckvorrichtung 102 befinden. Die Anschlagseinrichtung kann aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein.

Die Anschlagseinrichtung kann jedoch auch durch die mindestens eine

Gegenelektrode gebildet werden.

In einem vierten Verfahrensschritt S4 wird eine Steuervorrichtung 109 ausgebildet, welche dazu ausgebildet wird, zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung eine

Spannung anzulegen.

In einem ersten Schwingungsmodus, in welchem die Steuervorrichtung zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der

Membraneinrichtung eine erste Spannung, insbesondere eine Spannung gleich null, anlegt, ist die Anschlagseinrichtung von der Membraneinrichtung beabstandet. In einem zweiten Schwingungsmodus, in welchem die Steuervorrichtung zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und zumindest einem Teil der Membraneinrichtung eine von der ersten Spannung unterschiedenen zweite Spannung, insbesondere eine zweite Spannung, welche höher als die erste Spannung ist, anlegt, berührt die Anschlagseinrichtung die Membraneinrichtung. Die Elastizität der Membraneinrichtung ist hierbei in dem ersten

Schwingungsmodus höher als die Elastizität der Membraneinrichtung in dem zweiten Schwingungsmodus.

Vorzugsweise wird weiter eine Sensorvorrichtung 110 ausgebildet, welche mit der Steuervorrichtung 109 gekoppelt ist. Die Sensorvorrichtung ist hierbei

ausgebildet, eine Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung zu detektieren. Die Steuervorrichtung legt hierbei eine zweite Spannung zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung an, falls die Sensorvorrichtung eine Schwingungsamplitude der Membraneinrichtung detektiert, welche größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist. Ist die von der Sensorvorrichtung 110 detektierte Schwingungsamplitude kleiner als der vorgegebene Schwellenwert, oder detektiert die Sensorvorrichtung 110 keine Schwingung der Membraneinrichtung, so legt die Steuervorrichtung eine erste Spannung zwischen der mindestens einen Gegenelektrode und mindestens einem Teil der Membraneinrichtung an, insbesondere eine Spannung gleich null. In diesem Fall befindet sich die MEMS-Sensor- Vorrichtung in dem ersten

Schwingungsmodus.