STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Die Erfindung betrifft einen kapazitiven Wandler und ein Herstellungsverfahren für einen entsprechenden kapazitiven Wandler.The invention relates to a capacitive transducer and a manufacturing method for a corresponding capacitive transducer.
Viele mikromechanische Bauteile wie z.B. Mikropumpen, Mikroventile, Stellglieder, Drucksensoren, Mikrophone, Ultraschallwandler oder Relais enthalten einen als Aktor oder Sensor betriebenen kapazitiven Wandler, bei dem nahezu planparallele Elektrodenpaare eine Relativbewegung senkrecht zu ihrer Oberfläche ausführen, wobei sich eine zwischen ihnen gebildete elektrische Kapazität ändert.Many micromechanical components such as e.g. Micropumps, microvalves, actuators, pressure sensors, microphones, ultrasonic transducers or relays include a capacitive transducer operated as an actuator or sensor, in which nearly plane-parallel electrode pairs make a relative movement perpendicular to their surface, changing an electrical capacitance formed between them.
Die im Aktorbetrieb eines derartigen Wandlers bei vorgegebener maximaler Ansteuerspannung erreichbaren elektrostatischen Kräfte und Drehmomente sind proportional zum Verhältnis der Kapazitätsänderung des Elektrodenpaars zum Auslenkungsweg bzw. Auslenkungswinkel des Wandlers. Im Sensorbetrieb ist das erreichbare Signal-Rauschverhältnis umso größer, je größer das Verhältnis der Kapazitätsänderung des Elektrodenpaars zum Auslenkungsweg bzw. Auslenkungswinkel des Wandlers ist.The achievable in the actuator operation of such a converter for a given maximum drive voltage electrostatic forces and torques are proportional to the ratio of the capacitance change of the electrode pair to the deflection or deflection angle of the transducer. In sensor operation, the greater the ratio of the capacitance change of the electrode pair to the deflection path or deflection angle of the transducer, the greater the achievable signal-to-noise ratio.
Eine Anordnung der Elektroden in geringem Abstand voneinander, um eine große Kapazitätsänderung pro Änderung des Elektrodenabstands zu erreichen, beschränkt jedoch die maximale Auslenkung des Wandlers. Eine laterale Vergrößerung der Elektroden, um das gleiche Ziel zu erreichen, führt zur unerwünschten Vergrößerung des mikromechanischen Bauelements.However, placing the electrodes a small distance apart to achieve a large capacitance change per electrode gap change limits the maximum deflection of the transducer. Lateral enlargement of the electrodes in order to achieve the same objective leads to undesired enlargement of the micromechanical component.
Die Druckschrift US 2004/0056742 A1 beschreibt eine elektrostatische Vorrichtung mit einer flexiblen Elektrode, welche eine Mehrzahl zweiter Elektroden umfasst. Durch eine elektrische Ladung bewirkt die zweite Elektrode ein Verbiegen der ersten Elektrode.The publication US 2004/0056742 A1 describes an electrostatic device with a flexible electrode comprising a plurality of second electrodes. By an electrical charge causes the second electrode bending of the first electrode.
Die Druckschrift US 2002/0008922 A1 beschreibt einen Aktuator und Mikrospiegel. Der Mikrospiegel ist optisch flach und umfasst eine tensile Membran, wodurch eine hohe Resonanzfrequenz für die Membran erzielbar ist.The publication US 2002/0008922 A1 describes an actuator and micromirror. The micromirror is optically flat and comprises a tensile membrane, whereby a high resonance frequency for the membrane can be achieved.
Die Druckschrift US 2007/0103264 A1 beschreibt einen Mikroaktuator und ein Herstellungsverfahren für diesen. Der Aktuator weist einen weiten Bewegungsbereich auf, ohne dabei in Kontakt mit einem Substrat zu kommen. Zur Bewegung benötigt der Aktuator nur eine geringe elektrische Spannung.The publication US 2007/0103264 A1 describes a microactuator and a manufacturing method for this. The actuator has a wide range of motion without coming into contact with a substrate. To move the actuator requires only a low voltage.
Die Druckschrift US 2006/0203319 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Elektrodenpaares. Die Elektroden werden aus einem Substrat mit einer ersten und zweiten leitfähigen Schicht und einem Isolator hergestellt. Die Elektroden werden als Kammelektroden (comb-teeth) ausgeformt.The publication US 2006/0203319 A1 describes a method for producing a pair of electrodes. The electrodes are made from a substrate having first and second conductive layers and an insulator. The electrodes are shaped as comb-teeth.
VORTEILE DER ERFINDUNGADVANTAGES OF THE INVENTION
Die Erfindung schafft einen kapazitiven Wandler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven Wandlers mit den Merkmalen des Anspruchs 9.The invention provides a capacitive transducer with the features of claim 1 and a method for producing a capacitive transducer with the features of claim 9.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Idee, eine erste Plattenelektrode entlang einer ihrer Kanten auf einer Membran anzuordnen, so dass die inhärente Biegsamkeit der die Plattenelektrode tragenden Membran es ermöglicht, die Plattenelektrode innerhalb der von ihr selbst aufgespannten Ebene zu verkippen. Beispielsweise ist die erste Plattenelektrode unter Auslenkung der Membran um eine Achse verkippbar, die wesentlich senkrecht auf ihrer Oberfläche steht, so dass sie während des Verkippens die durch ihre Ausgangsstellung definierte erste Ebene nicht wesentlich verlässt. Der Bewegungsablauf der ersten Plattenelektrode in der ersten Ebene während des Verkippens braucht dabei keiner reinen Rotation zu entsprechen, sondern kann z.B. eine Kombination aus Rotations- und Translationsbewegungen in der ersten Ebene sein, die einer durch eine Aufhängung der Membran bestimmten Bahn folgen.The present invention is based on the idea of arranging a first plate electrode along one of its edges on a membrane so that the inherent flexibility of the membrane carrying the plate electrode makes it possible to tilt the plate electrode within the plane defined by itself. By way of example, the first plate electrode can be tilted by deflecting the membrane about an axis which is essentially perpendicular to its surface, so that it does not substantially leave the first plane defined by its initial position during tilting. The sequence of movement of the first plate electrode in the first plane during tilting need not correspond to pure rotation, but may e.g. be a combination of rotational and translational movements in the first plane, which follow a path determined by a suspension of the membrane.
Eine zweite Plattenelektrode ist derart in einer zur ersten Ebene wesentlich parallelen zweiten Ebene verlaufend angeordnet, dass sich beim Verkippen der ersten Plattenelektrode die erste und zweite Plattenelektrode überlappen, wobei es zur Änderung einer Überlappfläche der ersten und zweiten Plattenelektrode kommt. Beispielsweise können sich die erste und zweite Plattenelektrode bereits in der Ausgangsstellung, in der die erste Plattenelektrode gegenüber der zweiten Plattenelektrode unverkippt ist, teilweise überlappen, oder aber derart versetzt angeordnet sein, dass sie sich in der Ausgangsstellung kaum oder nicht im streng geometrischen Sinne überlappen, jedoch so dicht beieinander angeordnet sind, dass sie schon durch geringes Verkippen der ersten Plattenelektrode in eine Überlappung gebracht werden, deren Überlappfläche mit wachsender Verkippung größer wird.A second plate electrode is disposed so as to extend in a second plane substantially parallel to the first plane such that when the first plate electrode is tilted, the first and second plate electrodes overlap, thereby changing an overlap area of the first and second plate electrodes. For example, the first and second plate electrode may already partially overlap in the starting position, in which the first plate electrode is not tilted relative to the second plate electrode, or may be staggered such that they overlap scarcely or not strictly geometrically in the starting position, However, they are arranged so close to each other that they are already brought by slight tilting of the first plate electrode in an overlap, the overlap area becomes larger with increasing tilt.
Dadurch, dass die Verkippung mit einer Änderung der Überlappfläche einhergeht ist, ändert sich auch eine elektrische Kapazität zwischen den Plattenelektroden. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Plattenelektroden entsteht somit ein Drehmoment, das in Richtung einer größeren Verkippung der ersten Plattenelektrode wirkt. Dass die Verkippung in der Ebene der ersten Plattenelektrode erfolgt, ermöglicht, die erste und zweite Ebene in einem geringen Abstand voneinander vorzusehen und damit eine große Kapazitätsänderung pro Auslenkwinkel zu erreichen, ohne einen maximalen Auslenkwinkel zu beschränken. Der erfindungsgemäße Wandler ermöglicht daher im Aktorbetrieb große Drehmomente und Kräfte bei großen Auslenkungen, sowie im Sensorbetrieb ein großes Signal-Rausch-Verhältnis.Due to the fact that the tilting is accompanied by a change in the overlap area, an electrical capacitance between the plate electrodes also changes. Upon application of an electrical voltage between the plate electrodes thus creates a torque which acts in the direction of a larger tilt of the first plate electrode. That the tilting takes place in the plane of the first plate electrode allows the first and second planes at a small distance from each other provide and thus to achieve a large change in capacity per deflection angle, without limiting a maximum deflection angle. The converter according to the invention therefore enables large torques and forces for large deflections in actuator operation, as well as a large signal-to-noise ratio in sensor operation.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung schneidet die erste Ebene die Membran unter einem wesentlich rechten Winkel. Dies hat den Vorteil, dass die Membran mit der Verkippung der ersten Plattenelektrode in der ersten Ebene wesentlich senkrecht zur Membranoberfläche ausgelenkt wird, was bei hoher Beweglichkeit der ersten Plattenelektrode eine einfache und robuste Aufhängung der Membran z.B. in einem Rahmen, sowie eine wirksame Ankopplung an senkrecht zur Membranoberfläche wirkende Kräfte wie die Druckkraft eines Fluidums ermöglicht.According to a preferred embodiment, the first plane intersects the membrane at a substantially right angle. This has the advantage that the membrane with the tilting of the first plate electrode in the first plane is deflected substantially perpendicular to the membrane surface, which with high mobility of the first plate electrode, a simple and robust suspension of the membrane e.g. in a frame, as well as an effective coupling to acting perpendicular to the membrane surface forces such as the pressure force of a fluid allows.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung übt die Membran eine elastische Rückstellkraft auf die erste Plattenelektrode aus, die der Verkippung entgegenwirkt. Die elastische Rückstellkraft ermöglicht im Aktorbetrieb, Drehmomente oder Kräfte wahlweise in Richtung der Verkippung oder entgegen der Richtung der Verkippung auszuüben, indem durch geeignete Ansteuerung der Plattenelektroden eine in Richtung der Verkippung wirkende elektrostatische Kraft erzeugt wird, die kleiner bzw. größer als die Rückstellkraft ist. Ist nämlich die elektrostatische Kraft größer als die Rückstellkraft, überwiegt die elektrostatische Kraft, so dass der Aktor eine Gesamtkraft in Richtung der Verkippung ausübt. Ist die elektrostatische Kraft dagegen kleiner als die Rückstellkraft, überwiegt die Rückstellkraft, so dass der Aktor eine Gesamtkraft entgegen der Richtung der Verkippung ausübt.According to a preferred embodiment, the membrane exerts an elastic restoring force on the first plate electrode, which counteracts the tilting. The elastic restoring force makes it possible, in actuator operation, to exert torques or forces selectively in the direction of tilting or counter to the direction of tilting by generating, by suitable control of the plate electrodes, an electrostatic force acting in the direction of the tilt, which is smaller or larger than the restoring force. Namely, if the electrostatic force is greater than the restoring force, the electrostatic force predominates, so that the actuator exerts a total force in the direction of tilting. On the other hand, if the electrostatic force is smaller than the restoring force, the restoring force predominates, so that the actuator exerts a total force counter to the direction of the tilting.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die zweite Plattenelektrode entlang einer ihrer Kanten auf der Membran angeordnet, so dass sie in der zweiten Ebene verkippbar ist. Dadurch, dass beide Plattenelektroden auf der Membran angeordnet sind, ist ein derartiger Wandler besonders kostengünstig und mit hoher Präzision der Anordnung der Elektroden zueinander herzustellen. Beide Plattenelektroden sind z.B. auf die gleiche Weise in einem einzigen Arbeitsvorgang herstellbar. Die Verkippbarkeit beider Plattenelektroden ermöglicht zudem, die Änderung der Überlappfläche bei gleicher Auslenkung der Membran wesentlich zu verdoppeln, verglichen mit einem Wandler, bei dem nur die erste Plattenelektrode verkippbar ist.According to a preferred development, the second plate electrode is arranged along one of its edges on the membrane, so that it can be tilted in the second plane. The fact that both plate electrodes are arranged on the membrane, such a converter is particularly inexpensive and with high precision of the arrangement of the electrodes to each other to produce. Both plate electrodes are e.g. produced in the same way in a single operation. The tiltability of both plate electrodes also makes it possible to substantially double the change in the overlap area at the same deflection of the membrane, compared to a converter in which only the first plate electrode is tiltable.
Gemäß einer anderen Weiterbildung ist weiterhin ein Rahmen vorgesehen, gegenüber dem ein Randabschnitt der Membran und die zweite Plattenelektrode fixiert sind. Dies ermöglicht, Drehmomente oder Kräfte an einem außerhalb der Membran liegenden Angriffspunkt auszuüben, der ebenfalls gegenüber dem Rahmen fixiert ist. Es sind besonders präzise absolute, d.h. gegenüber dem fixen Rahmen definierte Auslenkungen erreichbar. Vorzugsweise ist zwischen einer der Membran zugewandten Kante der zweiten Plattenelektrode und der Membran eine Aussparung gebildet. Hierdurch kann die Membran in Richtung der fixierten zweiten Plattenelektrode ausgelenkt werden, ohne mit dieser zu kollidieren, was wiederum einen größeren Auslenkungsbereich der Verkippung der ersten Plattenelektrode ermöglicht.According to another embodiment, a frame is further provided, against which an edge portion of the membrane and the second plate electrode are fixed. This makes it possible to exert torques or forces at an out-of-membrane point of attack, which is also fixed relative to the frame. It is particularly precise absolute, i. Deflections defined relative to the fixed frame can be achieved. Preferably, a recess is formed between an edge of the second plate electrode facing the membrane and the membrane. As a result, the membrane can be deflected in the direction of the fixed second plate electrode, without colliding with it, which in turn allows a larger deflection range of the tilting of the first plate electrode.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist neben der ersten Plattenelektrode eine Durchgangsnut in der Membran gebildet. Dies erhöht die Beweglichkeit der ersten Plattenelektrode, so dass eine größere Verkippung der ersten Plattenelektrode bei gleicher angreifender elektrostatischer oder - im Falle des Sensorbetriebs - äußerer Kraft erreichbar ist. Vorzugsweise verläuft die Durchgangsnut parallel zur Kante der ersten Plattenelektrode.According to a preferred development, a through-groove is formed in the membrane in addition to the first plate electrode. This increases the mobility of the first plate electrode, so that a larger tilt of the first plate electrode can be achieved with the same attacking electrostatic or - in the case of sensor operation - external force. Preferably, the passage groove is parallel to the edge of the first plate electrode.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung sind eine Vielzahl zueinander paralleler erster Plattenelektroden und eine Vielzahl zueinander paralleler zweiter Plattenelektroden vorgesehen. Dies ist vorteilhaft, da so die Summe der Änderungen der Überlappflächen aller benachbarten ersten und zweiten Plattenelektroden bei gleicher Auslenkung eine entsprechend erhöhte insgesamte Änderung der Überlappflächen ergibt, so dass sich z.B. im Aktorbetrieb höhere Aktordrehmomente und -kräfte erzielen lassen. Durch die parallele Anordnung der Plattenelektroden wird wenig Bauraum benötigt.According to a preferred development, a plurality of mutually parallel first plate electrodes and a plurality of mutually parallel second plate electrodes are provided. This is advantageous since the sum of the changes in the overlap areas of all adjacent first and second plate electrodes with the same deflection results in a correspondingly increased overall change in the overlap areas, so that e.g. achieve higher actuator torques and forces in actuator operation. Due to the parallel arrangement of the plate electrodes little space is needed.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist weiterhin mindestens eine dritte Plattenelektrode vorgesehen, die entlang einer zur ersten Ebene wesentlich parallelen dritten Ebene angeordnet ist. Die erste Plattenelektrode ist in der ersten Ebene weiterhin auf eine solche Weise verkippbar, dass beim Verkippen auf die genannte Weise die erste und dritte Plattenelektrode einander überlappen und eine Überlappfläche der ersten und dritten Plattenelektrode sich ändert. Dies ermöglicht vorteilhaft größere Auslenkungen und Drehmomente. Beispielsweise können im Aktorbetrieb die erste, zweite und dritte Plattenelektrode derart angesteuert werden, dass die erste Plattenelektrode zunächst in Richtung der zweiten Plattenelektrode und anschließend in Richtung der dritten Plattenelektrode verkippt wird, so dass die erste Plattenelektrode dabei zwischen einer mit der zweiten Plattenelektrode überlappten Anfangsstellung und einer mit der dritten Plattenelektrode überlappten Endstellung insgesamt einen großen Auslenkungsbereich überstreicht.According to a preferred development, at least one third plate electrode is further provided, which is arranged along a third plane substantially parallel to the first plane. The first plate electrode is further tiltable in the first plane in such a manner that, when tilted in the aforementioned manner, the first and third plate electrodes overlap each other and an overlapping area of the first and third plate electrodes changes. This advantageously allows larger deflections and torques. For example, in the actuator operation, the first, second and third plate electrode can be driven such that the first plate electrode is first tilted in the direction of the second plate electrode and then in the direction of the third plate electrode, so that the first plate electrode between an overlapped with the second plate electrode initial position and an overlapped with the third plate electrode end position sweeps a total of a large deflection range.
Gemäß einem Verfahren zur Herstellung des kapazitiven Wandlers wird auf einem Substratwafer eine Membranschicht ausgebildet, die eine Ätzstoppschicht aufweist. Auf der der Membranschicht abgewandten Seite des Substratwafers wird eine Maskenschicht ausgebildet. Die Maskenschicht wird strukturiert, um einen Bereich der ersten und einen Bereich der zweiten Plattenelektrode zu maskieren. Anschließend wird der Substratwafer anisotrop durch die Maskenschicht bis zur Ätzstoppschicht geätzt. Dadurch, dass die Plattenelektroden aus dem Substrat gebildet werden, weisen sie eine wesentlich größere Höhe als die Dicke der Membran auf, so dass große Überlappflächen und Hebellängen mit entsprechend großen Drehmomenten ermöglicht werden. Vorzugsweise wird durch isotropes Ätzen des Substratwafers mindestens eine Aussparung zwischen mindestens einer der Plattenelektroden und der Membranschicht gebildet, was eine hohe Beweglichkeit der Membranschicht und der Plattenelektroden einander gegenüber ermöglicht.According to a method for producing the capacitive transducer, a membrane layer having an etching stop layer is formed on a substrate wafer. On the membrane layer opposite side of the substrate wafer, a mask layer is formed. The mask layer is patterned to mask a portion of the first and a portion of the second plate electrode. Subsequently, the substrate wafer is anisotropically etched through the mask layer to the etch stop layer. The fact that the plate electrodes are formed from the substrate, they have a much greater height than the thickness of the membrane, so that large overlap surfaces and lever lengths are made possible with correspondingly large torques. Preferably, at least one recess is formed between at least one of the plate electrodes and the membrane layer by isotropic etching of the substrate wafer, allowing high mobility of the membrane layer and the plate electrodes opposite each other.
Figurenlistelist of figures
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausfiihrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:
- 1A eine Perspektivansicht eines kapazitiven Wandlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 1B eine Draufsicht auf den Wandler aus 1A;
- 2A-H ein Herstellungsverfahren für einen kapazitiven Wandler gemäß einer Ausführungsform;
- 3A-C Seitenansichten eines kapazitiven Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform, in unterschiedlichen Auslenkungszuständen;
- 4A-C Seitenansichten eines kapazitiven Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform, in unterschiedlichen Auslenkungszuständen;
- 5A eine Draufsicht auf einen kapazitiven Wandler gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 5B eine Querschnittsansicht des Wandlers aus 5A;
- 6 eine Querschnittsansicht eines gekapselten kapazitiven Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 7A-C Querschnittsansichten einer Mikrospiegelvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform, in unterschiedlichen Auslenkungszuständen;
- 8 eine Querschnittsansicht eines gekapselten kapazitiven Wandlers gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 9A-B Draufsichten auf je einen kapazitiven Wandler, gemäß je einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
The invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments given in the schematic figures of the drawings. It shows: - 1A a perspective view of a capacitive transducer according to an embodiment of the invention;
- 1B a plan view of the converter 1A ;
- 2A-H a manufacturing method for a capacitive transducer according to an embodiment;
- 3A-C Side views of a capacitive transducer according to another embodiment, in different Auslenkungszuständen;
- 4A-C Side views of a capacitive transducer according to another embodiment, in different Auslenkungszuständen;
- 5A a plan view of a capacitive transducer according to another embodiment;
- 5B a cross-sectional view of the converter 5A ;
- 6 a cross-sectional view of an encapsulated capacitive transducer according to another embodiment;
- 7A-C Cross-sectional views of a micromirror device according to another embodiment, in different deflection states;
- 8th a cross-sectional view of an encapsulated capacitive transducer according to another embodiment; and
- 9A-B Top views of a respective capacitive transducer, according to a further embodiment of the invention.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELEDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS
In allen Figuren der Zeichnungen sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente - sofern nichts Anderes angegeben ist - mit gleichen Bezugszeichen versehen worden.In all figures of the drawings, identical or functionally identical elements - unless otherwise stated - have been provided with the same reference numerals.
1A zeigt eine Perspektivansicht einer Ausführungsform des kapazitiven Wandlers. 1B zeigt eine Draufsicht auf die Ausführungsform. Der kapazitive Wandler umfasst eine elastisch federnde Membran 100, die aus einer elektrisch isolierenden Schicht 116 und einer mechanische Stabilität verleihenden Deckschicht 118 zusammengesetzt ist und z.B. insgesamt eine Dicke von wenigen Mikrometern aufweist. Beispielsweise ist die Deckschicht 118 aus einem Halbleitermaterial wie Silizium und die isolierende Schicht 116 aus einem nichtleitenden Oxidmaterial wie Siliziumoxid gebildet. 1A shows a perspective view of an embodiment of the capacitive transducer. 1B shows a plan view of the embodiment. The capacitive transducer comprises an elastically resilient membrane 100 consisting of an electrically insulating layer 116 and a mechanical stability-imparting topcoat 118 is composed and has, for example, a total thickness of a few micrometers. For example, the cover layer 118 made of a semiconductor material such as silicon and the insulating layer 116 formed of a non-conductive oxide material such as silicon oxide.
Auf der isolierenden Schicht 116 sind ein erster 124 und ein zweiter 126 Elektrodenblock angeordnet, die aus einem leitfähigen Substratwerkstoff wie z.B. dotiertem Silizium bestehen. Jeder Elektrodenblock 124, 126 umfasst eine quaderförmige, auf der Membran 100 aufrecht stehende und in einer ersten Raumrichtung 132 entlang der Membran 100 verlaufende Abstützung 130. Die Abstützungen 130 der beiden Elektrodenblöcke 124, 126 sind in der ersten Raumrichtung 132 gegeneinander verschoben parallel auf der Membran 100 angeordnet und kehren einander jeweils eine Elektrodenabstützfläche 134, 136 zu. An der Elektrodenabstützfläche 134 des ersten Elektrodenblocks 124 ist eine Vielzahl von ersten Plattenelektroden 102, 102', 102" gebildet, die sich von der Elektrodenabstützfläche 134 in Richtung des zweiten Elektrodenblocks 126 bis zu einer in der Mitte zwischen den Abstützflächen 134, 136 der Elektrodenblöcke 124, 126 verlaufenden Grenzlinie 122 erstrecken. Jede der ersten Plattenelektroden 102, 102', 102" verläuft entlang einer jeweiligen ersten Ebene 112, 112', 112", die auf der ersten Raumrichtung 132 senkrecht steht. Die ersten Plattenelektroden 102, 102', 102" können zusätzlich mit ihrer entlang der Membran 100 verlaufenden unteren Kante 104 auf der Membran 100 befestigt sein.On the insulating layer 116 are a first 124 and a second one 126 Electrode block arranged, which consist of a conductive substrate material such as doped silicon. Each electrode block 124 . 126 includes a cuboid, on the membrane 100 upright and in a first spatial direction 132 along the membrane 100 extending support 130 , The supports 130 of the two electrode blocks 124 . 126 are in the first spatial direction 132 shifted against each other in parallel on the membrane 100 arranged and each return an electrode support surface 134 . 136 to. At the electrode support surface 134 of the first electrode block 124 is a plurality of first plate electrodes 102 . 102 ' . 102 ' formed, extending from the electrode support surface 134 in the direction of the second electrode block 126 up to one in the middle between the support surfaces 134 . 136 of the electrode blocks 124 . 126 extending borderline 122 extend. Each of the first plate electrodes 102 . 102 ' . 102 ' runs along a respective first level 112 . 112 ' . 112 ' in the first spatial direction 132 is vertical. The first plate electrodes 102 . 102 ' . 102 ' can additionally with their along the membrane 100 running lower edge 104 on the membrane 100 be attached.
An der Abstützfläche 136 der zum zweiten Elektrodenblock 126 gehörenden Abstützung 130 sind analog eine Vielzahl von zweiten Plattenelektroden 106, 106', 106" gebildet, die sich bis zur Grenzlinie 122 in Richtung des ersten Elektrodenblocks 124 erstrecken und optional mit ihrer auf der Membran 100 verlaufenden unteren Kante 110 an der Membran 100 befestigt sein können. Jede der zweiten Plattenelektroden 106, 106', 106" verläuft entlang einer entsprechenden zweiten Ebene 114, 114', 114", die senkrecht auf der ersten Raumrichtung 132 steht. Die ersten 112, 112', 112" und zweiten 114, 114', 114" Ebenen bilden insgesamt eine Schar paralleler, äquidistanter Ebenen, in der jeweils eine erste 112, 112', 112" und eine zweite 114, 114', 114" Ebene einander in einem Abstand abwechseln, der größer als die Dicke der ersten und zweiten Plattenelektroden 102, 106 ist.At the support surface 136 the second electrode block 126 belonging support 130 are analogous to a plurality of second plate electrodes 106 . 106 ' . 106 ' formed, stretching to the limit line 122 in the direction of the first electrode block 124 extend and optionally with their on the membrane 100 running lower edge 110 on the membrane 100 can be attached. Each of the second plate electrodes 106 . 106 ' . 106 ' runs along a corresponding second level 114 . 114 ' . 114 ' perpendicular to the first spatial direction 132 stands. The first 112 . 112 ' . 112 ' and second 114 . 114 ' . 114 ' On the whole, levels form a group of parallel, equidistant levels, each with a first level 112 . 112 ' . 112 ' and a second 114 . 114 ' . 114 ' Layer alternate at a distance greater than the thickness of the first and second plate electrodes 102 . 106 is.
Auf der in Elektrodenblöcken 124, 126 abgewandten Seite der Membran 100 sind zwei Leiterbahnen 120 mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (z.B. aus Metall oder dotiertem Silizium) angeordnet, die jeweils vom Rand der Membran 100 bis zu einem unter dem ersten bzw. zweiten Elektrodenblock 124, 126 die Membran 100 durchstoßenden Kontaktstöpsel 138 verlaufen. Zwischen der metallischen Leiterbahn 120 und der Deckschicht 118 können weitere, z.B. isolierende Schichten vorgesehen sein. Jeder der Leiterbahnen 120 stellt eine elektrische Verbindung zu einem der Elektrodenblöcke 124, 126 bereit, wobei die ersten Plattenelektroden 102, 102', 102" über die Abstützung 130 des ersten Elektrodenblocks 124 miteinander elektrisch verbunden sind, wie auch die zweiten Plattenelektroden 106, 106', 106" über die Abstützung 130 des zweiten Elektrodenblocks 126 untereinander elektrisch verbunden sind. Beide Elektrodenblöcke 124, 126 sind einander gegenüber durch die isolierende Schicht 116 elektrisch isoliert.On the in electrode blocks 124 . 126 opposite side of the membrane 100 are two tracks 120 arranged with high electrical conductivity (eg of metal or doped silicon), each from the edge of the membrane 100 to one below the first and second electrode blocks, respectively 124 . 126 the membrane 100 piercing contact plug 138 extend. Between the metallic trace 120 and the topcoat 118 it is possible to provide further, eg insulating layers. Each of the tracks 120 provides an electrical connection to one of the electrode blocks 124 . 126 ready, with the first plate electrodes 102 . 102 ' . 102 ' via the support 130 of the first electrode block 124 electrically connected to each other, as well as the second plate electrodes 106 . 106 ' . 106 ' about the support 130 of the second electrode block 126 are electrically connected to each other. Both electrode blocks 124 . 126 are opposite each other through the insulating layer 116 electrically isolated.
Die auf der Membran 100 befestigten Elektrodenblöcke 124, 126 versteifen jeweils einen unter ihnen liegenden Bereich der Membran 100, wobei sich die versteifenden Wirkung auch auf die zwischen benachbarten Plattenelektroden 102, 102' eines Elektrodenträgers 124, 126 liegenden Membranabschnitte 140 erstreckt. Entlang der geraden Grenzlinie 122 zwischen den durch den ersten Elektrodenblock 124 und durch den zweiten Elektrodenblock 126 versteiften Bereichen ist die Membran 100 jedoch unversteift. Die beiden Elektrodenblöcke 124, 126 sind daher unter Verbiegen der Membran 100 entlang der Grenzlinie 122 zueinander verkippbar. Bei Verkippung der Elektrodenblöcke 124, 126 aufeinander zu kommt es zu einer teilweisen Überlappung der ersten 102, 102'. 102" und zweiten 106, 106', 106" Plattenelektroden, wobei sich die Fläche der Überlappung mit fortschreitenden Verkippung um die Biegelinie 122 der Membran 100 vergrößert. Die sich derart teilweise überlappenden ersten 102, 102', 102" und zweiten 106, 106', 106" Plattenelektroden bilden einen Plattenkondensator, dessen Kapazität sich mit zunehmender Verkippung vergrößert. Diese elektrische Kapazität kann z.B. im Betrieb des Wandlers als Sensor durch eine an die Leiterbahnen 120 angeschlossene Messschaltung bestimmt und daraus auf den Auslenkwinkel der um die Grenzlinie 122 verbogenen Membran 100 geschlossen werden. Die nutzbare Kapazitätsänderung pro Auslenkwinkel der Membran 100 kann nach Bedarf durch Vorsehen weiterer erster 102 und zweiter 106 Plattenelektroden an den entsprechend zu verlängernden Elektrodenblöcken 124, 126 auf kleinem Bauraum vergrößert werden.The on the membrane 100 attached electrode blocks 124 . 126 each stiffen a lying below them area of the membrane 100 wherein the stiffening effect also on the between adjacent plate electrodes 102 . 102 ' an electrode carrier 124 . 126 lying membrane sections 140 extends. Along the straight border line 122 between through the first electrode block 124 and through the second electrode block 126 Stiffened areas is the membrane 100 however unstiffened. The two electrode blocks 124 . 126 are therefore bending the membrane 100 along the borderline 122 tilted to each other. With tilting of the electrode blocks 124 . 126 there is a partial overlap of the first 102 . 102 ' , 102 ' and second 106 . 106 ' . 106 ' Plate electrodes, wherein the surface of the overlap with progressive tilt around the bending line 122 the membrane 100 increased. The first partially overlapping 102 . 102 ' . 102 ' and second 106 . 106 ' . 106 ' Plate electrodes form a plate capacitor whose capacitance increases with increasing tilt. This electrical capacity can, for example, in the operation of the transducer as a sensor by a to the interconnects 120 connected measuring circuit determines and therefrom on the deflection angle of the around the boundary line 122 bent membrane 100 getting closed. The usable capacity change per deflection angle of the membrane 100 can, if necessary, by providing further first 102 and second 106 Plate electrodes on the appropriately to be extended electrode blocks 124 . 126 be enlarged in a small space.
In alternativen Ausführungsformen können die ersten 102, 102', 102" und/oder zweiten 106, 106', 106" Plattenelektroden auch geringfügig über die Grenzlinie 122 hinausragen. Vorzugsweise sind die jeweiligen unteren Kanten 104, 110 der Plattenelektroden 102, 102', 102", 106, 106', 106" nur soweit auf der Membran 100 befestigt, dass die Biegsamkeit der Membran 100 zwischen den Elektrodenblöcken 124, 126 und damit die Beweglichkeit der Elektrodenblöcke 124, 126 erhalten bleibt.In alternative embodiments, the first 102 . 102 ' . 102 ' and / or second 106 . 106 ' . 106 ' Plate electrodes also slightly above the borderline 122 protrude. Preferably, the respective lower edges 104 . 110 the plate electrodes 102 . 102 ' . 102 ' . 106 . 106 ' . 106 ' only so far on the membrane 100 attached that the flexibility of the membrane 100 between the electrode blocks 124 . 126 and thus the mobility of the electrode blocks 124 . 126 preserved.
Legt man an die Leiterbahnen 120 eine elektrische Spannung an, so entsteht zwischen den Elektrodenblöcken 124, 126 eine Kraft, die die ersten 102, 102', 102" und zweiten 106, 106', 106" Plattenelektroden ineinander zieht und so ein an den zu beiden Seiten der Grenzlinie 122 liegenden versteiften Membranbereichen angreifendes Drehmoment ausübt, das diese entlang der Grenzlinie 122 gegeneinander verbiegt. Je nach Elastizität der Membran 100 wirkt der Verbiegung eine mehr oder weniger starke elastische Rückstellkraft entgegen, so dass sich durch Variieren der an den Leiterbahnen 120 anliegenden elektrischen Spannung der Verkippungswinkel der Elektrodenblöcke 124, 126 gegeneinander und damit der Biegewinkel der Membran 100 entlang der Grenzlinie 122 geeignet steuern lässt. Die in einem derartigen Betrieb des kapazitiven Wandlers als Aktor erzielbaren Drehmomente lassen sich nach Bedarf erhöhen, indem man die sich gegenüberstehenden Plattenelektroden 102, 106 vermehrt. Durch Vergrößern der Fläche jeder einzelnen Plattelektrode 102, 106 kann zudem der maximale Verkippungswinkel der Elektrodenblöcke 124, 126 gegeneinander vergrößert werden.Laying on the tracks 120 an electrical voltage, so arises between the electrode blocks 124 . 126 a force, the first 102 . 102 ' . 102 ' and second 106 . 106 ' . 106 ' Plate electrodes draws into each other and so on to both sides of the boundary line 122 lying stiffened membrane areas acting torque exerts these along the boundary line 122 bends against each other. Depending on the elasticity of the membrane 100 the bending counteracts a more or less strong elastic restoring force, so that by varying the on the conductor tracks 120 voltage applied to the tilt angle of the electrode blocks 124 . 126 against each other and thus the bending angle of the membrane 100 along the borderline 122 can be controlled appropriately. The torques that can be achieved as an actuator in such an operation of the capacitive transducer can be increased as needed by using the opposing plate electrodes 102 . 106 increased. By enlarging the area of each flat electrode 102 . 106 In addition, the maximum tilt angle of the electrode blocks 124 . 126 be increased against each other.
Die 2A-H zeigen Schritte einer Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für einen kapazitiven Wandler, wie z.B. den in 1A-D gezeigten Wandler. 2A zeigt einen ausschnitthaften Querschnitt durch einen Substratwafer 200, der als Ausgangspunkt für das Herstellungsverfahren dient. Der Substratwafer ist aus einem geeigneten Substrat wie z.B. Silizium gebildet und weist je nach beabsichtigter Anwendung eine Dicke von etwa 50 bis 700 µm auf. Das Substrat kann zur Erhöhung der Leitfähigkeit dotiert sein.The 2A-H show steps of an embodiment of a manufacturing method for a capacitive transducer, such as those in 1A-D shown converter. 2A shows a fragmentary cross section through a substrate wafer 200 , which serves as a starting point for the manufacturing process. The substrate wafer is formed from a suitable substrate, such as silicon, and has a thickness of about, depending on the intended application 50 to 700 on. The substrate may be doped to increase conductivity.
In einem in 2B dargestellten Schritt wird an einer Seite des Substratwafers 200 eine isolierende Schicht 116 ausgebildet, z.B. durch thermisches Oxidieren des aus dotiertem Silizium bestehenden Wafers. In einem in 2C dargestellten Schritt wird auf der isolierenden Schicht 116 eine dünne Deckschicht 113 aus einem elastischen Werkstoff wie z.B. kristallinem Silizium aufgebracht. Dies kann durch sogenanntes Bonden eines zweiten Siliziumwafers and die isolierende Schicht 116 und nachfolgendes Abtragen bis auf wenige Mikrometer geschehen. Die in 2C gezeigte Struktur entspricht einem sogenannten SOI-Wafer, so dass zu ihrer Herstellung auch andere bekannte Verfahren wie z.B. die SIMOX-Technik oder die Abscheidung einer polykristallinen Siliziumschicht verwendet werden können.In an in 2 B The step shown is on one side of the substrate wafer 200 a insulating layer 116 formed, for example by thermal oxidation of the existing doped silicon wafer. In an in 2C The step shown is on the insulating layer 116 a thin topcoat 113 made of an elastic material such as crystalline silicon. This can be done by so-called bonding of a second silicon wafer to the insulating layer 116 and subsequent ablation done to a few microns. In the 2C The structure shown corresponds to a so-called SOI wafer, so that other known methods such as the SIMOX technique or the deposition of a polycrystalline silicon layer can be used for their preparation.
In 2D wurde die in 2C gezeigte SOI-Struktur umgedreht und an der der isolierenden Schicht 116 abgewandten Seite des Substratwafers 200 eine Maskenschicht 202 aufgebracht. Diese Maskenschicht wird anschließend wie in 2e gezeigt mit bekannten lithographischen Verfahren derart strukturiert, dass auf der Oberfläche des Substratwafers 200 Bereiche der Maskenschicht 202 verbleiben, die den Umrissformen zweier Elektrodenblöcke 204, 206 entsprechen, z.B. Umrissen wie den in 1B gezeigten.In 2D was the in 2C shown SOI structure reversed and at the insulating layer 116 opposite side of the substrate wafer 200 a mask layer 202 applied. This mask layer is then as in 2e shown patterned by known lithographic methods such that on the surface of the substrate wafer 200 Areas of the mask layer 202 remain the outline of two electrode blocks 204 . 206 correspond, eg outlines like those in 1B shown.
2F zeigt das Ergebnis eines weiteren Schritts, in dem in den nicht durch die Maskenschicht 202 abgedeckten Bereichen des Substratwafers 200 das Substratmaterial durch anisotropes Ätzen entfernt wurde. Die Ätzung erfolgt dabei mit einem für das Substratmaterial selektiven Verfahren, so dass die isolierende Schicht 116 als Ätzstoppschicht 116 wirkt und eine durchgängige, die Ätzstoppschicht 116 und die Deckschicht 118 umfassenden Membran 100 verbleibt. Nach Entfernung der Reste der Maskenschicht 202 wird der in 2G gezeigte Zustand erreicht, in dem ein aus den leitfähigen Substratmaterial bestehender erster Elektrodenblock 124 mit einer ersten Plattenelektrode 102 einem aus demselben Material bestehenden zweiten Elektrodenblock 126 mit einer zweiten Plattenelektrode 106 auf der isolierenden Schicht 116 der Membran 100 gegenüber steht. 2F shows the result of a further step, in which not through the mask layer 202 covered areas of the substrate wafer 200 the substrate material was removed by anisotropic etching. The etching is carried out with a selective process for the substrate material, so that the insulating layer 116 as an etch stop layer 116 acts and a consistent, the etch stop layer 116 and the topcoat 118 comprehensive membrane 100 remains. After removal of the remnants of the mask layer 202 will the in 2G achieved state in which a consisting of the conductive substrate material first electrode block 124 with a first plate electrode 102 a second electrode block made of the same material 126 with a second plate electrode 106 on the insulating layer 116 the membrane 100 opposite.
2H zeigt die in 2G gezeigte Struktur mit zusätzlich auf Seiten der Deckschicht 118 aufgebrachten Leiterbahnen 120, die die Elektrodenblöcke 124 und 126 über Kontaktstöpsel 138 kontaktieren. Die Ausbildung der Leiterbahnen 120 und Kontaktstöpsel 138 kann z.B. auch in dem in 2C gezeigten Stadium erfolgen, was den Vorteil hat, dass die in 2D-G gezeigte Freilegung der fragilen Membran 100 erst gegen Ende des Herstellungsverfahrens erfolgt. Weiterhin können z.B. in dem in 2C gezeigten Stadium mit in der Halbleitertechnik üblichen Prozessen C-MOSkompatible Schaltungselemente für anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, piezoresistive Elemente usw. erzeugt werden. Zu diesem Zweck können auf der Deckschicht 118 weitere Ätzstopp- und Substratschichten angeordnet und mit geeigneten Verfahren strukturiert werden, bevor wie in den 2D-G gezeigt die Freilegung der Elektrodenblöcke 124, 126 erfolgt. 2H shows the in 2G shown structure with additionally on the side of the cover layer 118 applied conductor tracks 120 holding the electrode blocks 124 and 126 via contact plugs 138 to contact. The training of the tracks 120 and contact plugs 138 can also be found in the in 2C stage, which has the advantage that the in 2D G shown exposure of the fragile membrane 100 only at the end of the manufacturing process. Furthermore, for example, in the in 2C C-MOS-compatible circuit elements for application-specific integrated circuits, piezoresistive elements, etc., are produced using processes common in semiconductor technology. For this purpose may be on the topcoat 118 further Ätzstopp- and substrate layers are arranged and patterned with suitable methods before, as in the 2D G shown the exposure of the electrode blocks 124 . 126 he follows.
3A zeigt eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines kapazitiven Wandlers, der wie der in 1A-B gezeigte Wandler einen ersten 124 und einen zweiten 126 Elektrodenblock aufweist. Diese sind so wie die Elektrodenblöcke 124, 126 in der Ausführungsform von 1A-B geformt und in der gleichen Weise relativ zueinander auf einer isolierenden Schicht 116 angeordnet. Die beiden Elektrodenblöcke 124, 126 tragen an den jeweils dem anderen Block zugekehrten Seiten eine erste 102 bzw. zweite 106 Plattenelektrode, die in unterschiedlichen, parallel zueinander und zur Zeichenebene verlaufenden Ebenen angeordnet sind. Im Unterschied zur Ausführungsform von 1A-B ist in der Mitte zwischen den Elektrodenblöcken 124, 126 durch Ätzen ein Teil der isolierenden Schicht 116 entfernt, so dass die unteren Kanten 104, 110 der Plattenelektroden 102, 106 an einander zugewandten Ecken freigestellt sind. Es verbleibt ein freigestellter Bereich 122, in dem die Membran 100 nur von der Deckschicht 118 gebildet wird. 3A shows a schematic side view of another embodiment of a capacitive transducer, which like the in 1A-B shown converter a first 124 and a second 126 Having electrode block. These are like the electrode blocks 124 . 126 in the embodiment of 1A-B shaped and in the same way relative to each other on an insulating layer 116 arranged. The two electrode blocks 124 . 126 carry on the respectively the other block facing pages a first 102 or second 106 Plate electrode, which are arranged in different, parallel to each other and to the plane extending planes. In contrast to the embodiment of 1A-B is in the middle between the electrode blocks 124 . 126 by etching a part of the insulating layer 116 removed, leaving the bottom edges 104 . 110 the plate electrodes 102 . 106 are released at mutually facing corners. There remains an exempted area 122 in which the membrane 100 only from the topcoat 118 is formed.
Die Membran 100 ist beidseitig an einem Randabschnitt 308 mit einem aus den Substrat 200 gebildeten feststehenden Rahmen 302 verbunden. An der Innenseite des Rahmens 302 sind fest mit dem Rahmen verbundene Plattenelektroden 306, 306' ausgebildet, die den bereits in 1A-B gezeigten, an den Außenseiten der Elektrodenblöcke 124, 126 gebildeten weiteren Plattenelektroden 304 bzw. 304' gegenüberstehen und in zu diesen parallelen Ebenen verlaufen.The membrane 100 is on both sides on a border section 308 with one out of the substrate 200 formed fixed framework 302 connected. On the inside of the frame 302 are firmly connected to the frame plate electrodes 306 . 306 ' who already trained in 1A-B shown on the outsides of the electrode blocks 124 . 126 formed further plate electrodes 304 respectively. 304 ' face each other and run in parallel planes.
3B zeigt den kapazitiven Wandler aus 3A im Betrieb als Aktor, in einem Auslenkungszustand, in dem an die Elektrodenblöcke 124, 126 unterschiedliche elektrische Potenziale angelegt wurden. Die dadurch hervorgerufene elektrostatische Kraft zwischen dem ersten 124 und zweiten 126 Elektrodenblock, die die Plattenelektroden 102, 106 derart ineinander zieht, dass sie sich in einem Überlappbereich 300 überlappen, führt dabei zu der gezeigten Verkippung der Elektrodenblöcke 124, 126 gegeneinander und Auslenkung der Membran 100 nach unten. Der elektrostatischen Kraft entgegen wirken elastische Rückstellkräfte, die durch die Verbiegung und Längendehnung der Membran 100 in den freigestellten Bereichen 122, 122', 122" entstehen. Durch Vergrößern der freigestellten Bereiche 122, 122', 122" kann die Rückstellkraft verringert werden. 3B shows the capacitive transducer 3A in operation as an actuator, in a deflection state in which the electrode blocks 124 . 126 different electrical potentials were created. The resulting electrostatic force between the first 124 and second 126 Electrode block containing the plate electrodes 102 . 106 in such a way that they are in an overlap area 300 overlap, this leads to the tilting of the electrode blocks shown 124 . 126 against each other and deflection of the membrane 100 downward. The electrostatic force counteract elastic restoring forces caused by the bending and elongation of the membrane 100 in the released areas 122 . 122 ' . 122 ' arise. By enlarging the cropped areas 122 . 122 ' . 122 ' the restoring force can be reduced.
3C zeigt den kapazitiven Wandler aus 3A in einem weiteren Auslenkzustand, in dem an den ersten 124 und zweiten 126 Elektrodenblock ein gleiches elektrostatisches Potenzial, sowie an den Rahmen 302 ein von diesem abweichendes elektrostatisches Potenzial angelegt wurden. Die Potenzialdifferenz zwischen dem ersten Elektrodenblock 124 und dem Rahmen 302 ist Ursache einer elektrostatischen Kraft, die die dem Rahmen 302 zugewandte Plattenelektrode 304 in Überlappung 300' mit der ihr versetzt gegenüberliegenden Plattenelektrode 306 des Rahmens 302 bringt. Analog ist die Potenzialdifferenz zwischen dem zweiten Elektrodenblock 126 und dem Rahmen 302 Ursache einer weiteren elektrostatischen Kraft, die die dem Rahmen 302 gegenüberliegende Plattenelektrode 304' des zweiten Elektrodenblocks in Überlappung 300" mit der dieser versetzt gegenüberliegenden Plattenelektrode 306' des Rahmens 302 bringt. Insgesamt resultiert die gezeigte Auslenkung der Membran 100 nach oben. 3C shows the capacitive transducer 3A in a further deflection state, in which at the first 124 and second 126 Electrode block on same electrostatic potential, as well as to the frame 302 a deviating from this electrostatic potential were applied. The potential difference between the first electrode block 124 and the frame 302 is the cause of an electrostatic force affecting the frame 302 facing plate electrode 304 in overlap 300 ' with the plate electrode opposite it 306 of the frame 302 brings. Analog is the potential difference between the second electrode block 126 and the frame 302 Cause of another electrostatic force affecting the frame 302 opposite plate electrode 304 ' of the second electrode block in overlap 300 ' with the offset plate electrode opposite thereto 306 ' of the frame 302 brings. Overall, the deflection of the membrane shown results 100 up.
4A zeigt eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des kapazitiven Wandlers. Auf einer Membran 100 sind sechs Elektrodenblöcke 124, 126, 404, 406, 408, 410 in Reihe angeordnet, von denen jeder wie die in 1A-B gezeigten Elektrodenblöcke 124, 126 geformt ist. Die Elektrodenblöcke 124, 126, 404, 406, 408, 410 sind voneinander durch eine Isolationsschicht 116 elektrisch isoliert und können über nicht gezeigte Leiterbahnen mit unterschiedlichen elektrischen Potenzialen angesteuert werden. An den einander zugewandten Seiten der Elektrodenblöcke 124, 126, 404, 406, 408, 410 sind jeweils Plattenelektroden 102, 106 gebildet, die in zueinander und zur Zeichenebene parallelen Ebenen verlaufen, wie in 1A-B für zwei Elektrodenblöcke 124, 126 gezeigt. Die Reihe der Elektrodenblöcke 124, 126, 404, 406, 408, 410 hat in dem gezeigten Ruhezustand eine Gesamtlänge L. 4A shows a schematic side view of another embodiment of the capacitive transducer. On a membrane 100 are six electrode blocks 124 . 126 . 404 . 406 . 408 . 410 arranged in series, each of which like the one in 1A-B shown electrode blocks 124 126 is shaped. The electrode blocks 124 . 126 . 404 . 406 . 408 . 410 are separated from each other by an insulating layer 116 electrically isolated and can be controlled via non-illustrated interconnects with different electrical potentials. On the mutually facing sides of the electrode blocks 124 . 126 . 404 . 406 . 408 . 410 are each plate electrodes 102 . 106 formed in parallel to each other and to the plane parallel planes, as in 1A-B for two electrode blocks 124, 126 shown. The row of electrode blocks 124 . 126 . 404 . 406 . 408 , 410 has a total length L in the rest state shown.
4B zeigt den kapazitiven Wandler aus 4A im Betrieb als Aktor, in einem Auslenkungszustand, in dem zwischen den ersten beiden Elektrodenblöcken 124, 126, dem dritten und vierten Elektrodenblock 404, 406 und dem fünften und sechsten Elektrodenblock 408, 410 jeweils elektrische Spannungen angelegt wurden, während sich der zweite und dritte Elektrodenblock 126, 404 sowie der vierte und fünfte Elektrodenblock 406 jeweils miteinander kurzgeschlossen sind. Bei angenommener Zugbelastung des Wandlers in der Längenrichtung L führen die hervorgerufenen elektrostatischen Kräfte zu der gezeigten paarweisen Verkippung der jeweils auf unterschiedlichem Potenzial liegenden Paare benachbarter Elektrodenblöcke ineinander, unter Überlappung 300 der entsprechenden Plattenelektroden. Im Ergebnis verkürzt sich die Gesamtlänge L des Wandlers um eine Differenz ΔL, sodass der als Aktor betriebene Wandler zum Erzeugen von Kräften und Bewegungen parallel zur Membran 100 verwendet werden kann. Vorzugsweise wird die gezeigte Anordnung an geeigneten Führungspunkten 416, 414 wie zwischen dem zweiten 126 und dritten 404 Elektrodenblock bzw. dem vierten 406 und fünften 408 Elektrodenblock derart gelagert oder geführt, dass das die Führungspunkte 416, 414 eine Bewegung parallel zur Längenrichtung L, jedoch nicht senkrecht dazu ausführen können. 4B shows the capacitive transducer 4A in operation as an actuator, in a deflection state in which between the first two electrode blocks 124, 126, the third and fourth electrode blocks 404 . 406 and the fifth and sixth electrode blocks 408 . 410 each electrical voltages were applied while the second and third electrode blocks 126 . 404 and the fourth and fifth electrode blocks 406 each shorted to each other. Assuming tensile stress of the transducer in the length direction L, the induced electrostatic forces lead to the shown pairwise tilting of each lying at different potential pairs of adjacent electrode blocks into each other, with overlap 300 the corresponding plate electrodes. As a result, the total length L of the transducer is shortened by a difference ΔL, so that the operated as an actuator transducer for generating forces and movements parallel to the membrane 100 can be used. Preferably, the arrangement shown is at suitable guide points 416 . 414 as between the second 126 and third 404 Electrode block or the fourth 406 and fifth 408 Electrode block stored or guided such that the leading points 416 . 414 can perform a movement parallel to the length direction L, but not perpendicular thereto.
4C zeigt den kapazitiven Wandler aus 4A in einem anderen Auslenkungszustand, in dem zwischen benachbarten der Elektrodenblöcke 124, 126, 404, 406, 408, 410 jeweils elektrische Spannungen angelegt wurden. Beispielsweise liegen die Elektrodenblöcke 124, 126, 404, 406, 408, 410 abwechselnd auf einem ersten 124, 404, 408 und einem zweiten 126, 406, 410 elektrischen Potenzial. Die dadurch hervorgerufenen elektrostatischen Kräfte führen bei Abwesenheit äußerer Kräfte zu der gezeigten paarweisen Verkippung benachbarter Elektrodenblöcke 124, 126, 404, 406, 408, 410 ineinander. Wird z.B. die Membran 100 im Bereich des ersten Elektrodenblocks 124 fixiert, resultiert im Bereich des sechsten Elektrodenblocks 410 eine Auslenkung h der Membran 100 senkrecht der von ihr im Ruhezustand eingenommenen Ebene 412, sodass der Wandler auch zum Erzeugen von Kräften und Bewegungen senkrecht zur Membran 100 verwendet werden kann. 4C shows the capacitive transducer 4A in another deflection state in which between adjacent ones of the electrode blocks 124 . 126 . 404 . 406 . 408 . 410 each electrical voltages were applied. For example, the electrode blocks are located 124 . 126 . 404 . 406 . 408 , 410 alternately on a first 124 . 404 . 408 and a second one 126 . 406 . 410 electrical potential. The resulting electrostatic forces lead in the absence of external forces to the shown pairwise tilting of adjacent electrode blocks 124 . 126 . 404 . 406 . 408 . 410 each other. If, for example, the membrane 100 in the region of the first electrode block 124 fixed results in the area of the sixth electrode block 410 a deflection h of the membrane 100 perpendicular to the plane occupied by her at rest 412 so that the transducer is also used to generate forces and movements perpendicular to the membrane 100 can be used.
5A zeigt eine schematische Draufsicht auf eine-weitere Ausführungsform eines kapazitiven Wandlers. 5B zeigt eine Querschnittsansicht des Wandlers aus 5A in einem ausgelenkten Zustand. In einem ringförmigen Rahmen 302 innerhalb eines Substratwafers 200 ist eine kreisförmige Membran 100 aufgespannt. Entlang dem Rahmen 302 sind jeweils in radialer Richtung 500 aufgereiht Elektrodenblöcke 124, 126 auf der Membran 100 angeordnet, wobei ein zentraler Bereich der Membran 100 freigelegt ist. An den einander zugewandten Seiten des jeweils inneren 126 und äußeren 124 Elektrodenblocks sind bei gegenseitiger Verkippung der Blöcke 124, 126 ineinandergreifende Plattenelektroden 102, 106 ausgebildet, analog zu 1A-B. An der dem Rahmen 302 zugewandten Seite des äußeren Elektrodenblocks 124 und der Innenseite des Rahmens 302 sind bei Verkippung des äußeren Elektrodenblocks 124 zum Rahmen 302 hin ineinandergreifende Plattenelektroden 304, 306 ausgebildet, analog zur Ausführungsform von 3A. Legt man z.B. an den Rahmen 302 und den Ring der inneren Elektrodenblöcke 126 ein Massepotenzial und an den Ring der äußeren Elektrodenblöcke 126 ein von diesem abweichendes Potenzial an, ergibt sich eine Auslenkung h des zentralen Bereichs 502 der Membran 100 aus von ihr im Ruhezustand eingenommenen Ebene 412. Ein derartiger Wandler kann z.B. für eine Mikropumpe, als Schallgeber oder als Drucksensor verwendet werden, wobei die geschlossene Membran eine Kapselung gegen aggressive Fluida ermöglicht. Der Wandler kann einen einfachen Selbsttest ausführen, wenn z.B. jede zweite der Reihen von Elektrodenblöcken 124, 126 entlang dem Umfang des Rahmens 302 mit elektrischer Spannung beaufschlagt wird, während die verbleibenden Reihen der Elektrodenblöcke 124, 126 mit einer Detektorschaltung verbunden sind. 5A shows a schematic plan view of a further embodiment of a capacitive transducer. 5B shows a cross-sectional view of the converter 5A in a deflected state. In an annular frame 302 within a substrate wafer 200 is a circular membrane 100 clamped. Along the frame 302 are each in the radial direction 500 lined up electrode blocks 124 . 126 on the membrane 100 arranged, wherein a central region of the membrane 100 is exposed. On the mutually facing sides of the respective inner 126 and outer 124 electrode blocks are at mutual tilting of the blocks 124 . 126 interlocking plate electrodes 102 . 106 trained, analogous to 1A-B , At the frame 302 facing side of the outer electrode block 124 and the inside of the frame 302 are at tilting of the outer electrode block 124 to the frame 302 interlocking plate electrodes 304 . 306 formed, analogous to the embodiment of 3A , For example, put it on the frame 302 and the ring of internal electrode blocks 126 a ground potential and to the ring of outer electrode blocks 126 a deviating from this potential, there is a deflection h of the central area 502 the membrane 100 from the level taken by her at rest 412 , Such a converter can be used for example for a micropump, as a sound generator or as a pressure sensor, wherein the closed membrane allows encapsulation against aggressive fluids. The converter can perform a simple self-test if, for example, every other of the rows of electrodes blocks 124 . 126 along the circumference of the frame 302 is energized while the remaining rows of the electrode blocks 124 . 126 are connected to a detector circuit.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines gekapselten kapazitiven Wandlers. Eine Membran 100 ist durch eine Isolationsschicht 116 isoliert in einem aus einem Substratwafer 200 gebildeten Rahmen 302 aufgehängt. Im Zentrum der Membran 100 ist auf der Membran 100 ein Elektrodenblock 124 mit senkrecht zur Membranebene stehenden ersten Plattenelektroden 102 angeordnet. An einer Seite des Rahmens 302 sind zu den Ebenen der Plattenelektroden 102 parallel verlaufende zweite Plattenelektroden 106 derart gebildet, dass die ersten Plattenelektroden 102 die zweiten Plattenelektroden 106 berührungslos kämmen, wenn der Elektrodenblock 124 in Richtung der zweiten Plattenelektroden 106 verkippt wird. In einem dem Elektrodenblock 124 benachbarten Bereich 602 ist die Isolationsschicht 116 zwischen der Membran 100 und einer Unterkante 110 der zweiten Plattenelektroden 116 entfernt, so dass die Membran 100 sich bei Verkippen des Elektrodenblocks 124 in Richtung der zweiten Plattenelektroden 126 frei nach unten bewegen kann. An der der Membran 100 abgewandten Oberseite des Substratwafers 200 ist ein z.B. aus Glas bestehender Deckwafer 600 mittels eines Fügemittels 604 wie z.B. Sealglas befestigt, das einen Innenbereich 606 des Wandlers dicht kapselt und gleichzeitig den Deckwafer soweit vom Substratwafer 200 beabstandet, dass die Verkippung des Elektrodenblocks 124 nicht behindert ist. 6 shows a cross-sectional view of an embodiment of an encapsulated capacitive transducer. A membrane 100 is through an insulation layer 116 isolated in one of a substrate wafer 200 formed frame 302 suspended. In the center of the membrane 100 is on the membrane 100 an electrode block 124 with perpendicular to the diaphragm plane first plate electrodes 102 arranged. On one side of the frame 302 are to the levels of the plate electrodes 102 parallel second plate electrodes 106 formed such that the first plate electrodes 102 the second plate electrodes 106 Combing contactlessly when the electrode block 124 in the direction of the second plate electrodes 106 is tilted. In a the electrode block 124 adjacent area 602 is the insulation layer 116 between the membrane 100 and a lower edge 110 the second plate electrodes 116 removed, leaving the membrane 100 when tilting the electrode block 124 in the direction of the second plate electrodes 126 can move freely down. At the membrane 100 remote top side of the substrate wafer 200 is an existing example of glass cover wafer 600 by means of a joining agent 604 such as Sealglas attached to the interior 606 of the transducer tightly encapsulates and at the same time the cover wafer so far from the substrate wafer 200 spaced that the tilting of the electrode block 124 is not handicapped.
An der Außenseite der Membran 100 ist gegenüber dem Elektrodenblock 124 ein durch diesen versteifter Flächenabschnitt 706 durch eine dünne Metallisierung verspiegelt. Eine derartige Mikrospiegelvorrichtung kann z.B. in Laser-Projektionssystemen zur Ablenkung eines Laserstrahls 704 verwendet werden. Die gegenüber Kratzern und Abdrücken besonders empfindliche spiegelnde Metallisierung 706 kann bei der Herstellung des Wandlers in einem letzten Verfahrensschritt und auch nach äußerer nasschemischer Reinigung in einem Tauchbad aufgebracht werden, sodass das Risiko einer Beschädigung minimal ist.On the outside of the membrane 100 is opposite to the electrode block 124 a stiffened by this surface section 706 mirrored by a thin metallization. Such a micromirror device can eg in laser projection systems for deflecting a laser beam 704 be used. The especially sensitive to scratches and impressions reflective metallization 706 can be applied during the manufacture of the converter in a final process step and also after external wet chemical cleaning in a dip, so that the risk of damage is minimal.
7A-C zeigt Querschnittsansichten einer weiteren gekapselten Mikrospiegelvorrichtung, in einem Ruhezustand bzw. zwei unterschiedlichen Auslenkungszuständen. Im Unterschied zur Ausführungsform aus 6 ist neben dem die ersten Plattenelektroden 102 tragenden Block 124 ein weiterer Elektrodenblock 714 mit dritten Plattenelektroden 700 auf der Membran 100 angeordnet. Die Elektrodenblöcke 124, 700 sind unter Bildung einer Überlappfläche 708 der ersten und dritten Plattenelektroden 102, 700 in Richtung aufeinander verkippbar, wie in 7B gezeigt, wenn zwischen den Elektrodenblöcken 124, 700 eine elektrische Spannung angelegt wird. An der dem weiteren Elektrodenblock 714 gegenüberliegenden Seite des Rahmens sind vierte Plattenelektroden 702 gebildet, die sich bei Verkippen des weiteren Elektrodenblocks 700 in Richtung der Rahmenseite mit den dritten Plattenelektroden 700 überlappen 710. Wird an die beweglichen Elektrodenblöcke 124, 700 ein erstes Potenzial und an beide Rahmenseiten 302 ein von diesem abweichendes zweites Potenzial angelegt, so kippen die Elektrodenblöcke 124, 700 voneinander weg, wie in 7C gezeigt. Auf diese Weise kann die vorliegende Mikrospiegelvorrichtung das Laserlicht 704 in einem großen Winkelbereich ablenken. Um die Bewegung der Membran 100 und der Elektrodenblöcke 102, 700 nicht zu behindern, sind an der Unterseite des Deckwafers 600 eine Vertiefung, sowie zwischen der Membran 100 und den unbeweglichen zweiten und vierten Plattenelektroden 106, 702 Aussparungen 712 gebildet, z.B. mittels eines isotropen Ätzschritts nach anisotroper Strukturierung der Plattenelektroden 102, 106, 700, 702. 7A-C shows cross-sectional views of another encapsulated micromirror device, in a rest state or two different deflection states. In contrast to the embodiment of 6 is next to the first plate electrodes 102 carrying block 124 another electrode block 714 with third plate electrodes 700 on the membrane 100 arranged. The electrode blocks 124 . 700 are to form an overlap area 708 the first and third plate electrodes 102 . 700 tilted towards each other, as in 7B shown when between the electrode blocks 124 . 700 an electrical voltage is applied. At the other electrode block 714 opposite side of the frame are fourth plate electrodes 702 formed when tilting the other electrode block 700 toward the frame side with the third plate electrodes 700 overlap 710 , Will be attached to the movable electrode blocks 124 . 700 a first potential and both sides of the frame 302 applied to this deviating second potential, so tilt the electrode blocks 124 . 700 away from each other, as in 7C shown. In this way, the present micromirror device can laser light 704 distract in a large angle range. To the movement of the membrane 100 and the electrode blocks 102 . 700 not obstructing are at the bottom of the deckwafer 600 a depression, as well as between the membrane 100 and the stationary second and fourth plate electrodes 106 . 702 recesses 712 formed, for example by means of an isotropic etching step after anisotropic structuring of the plate electrodes 102 . 106 . 700 . 702 ,
Eine weitere gekapselte Mikrospiegelvorrichtung in Querschnittsansicht zeigt 8. In dieser Ausführungsform ist im Unterschied zur Ausführungsform von 7A-C zwischen beidseitigen rahmengebundenen 302 zweiten und dritten Plattenelektroden 106, 700 ein einzelner beweglicher Elektrodenblock 124 mit ersten Plattenelektroden 102 angeordnet, die sowohl die zweiten 106 als auch die dritten 700 Plattenelektroden in jeder Auslenkung überlappen 300, 708. An der Innenseite des Deckwafers 600 ist ein keilförmiger Vorsprung 800 gebildet, der Flächenelektroden 802 trägt, über die eine elektrostatische Anziehungskraft auf den beweglichen Elektrodenblock 124 ausgeübt werden kann, die diesen unter Vergrößerung der Überlappflächen 300, 708 der Plattenelektroden 102, 106, 700 weiter verkippen. Im Betrieb können die Flächen- 802 und Plattenelektroden 102, 106, 700 koordiniert z.B. so angesteuert werden, dass sich ihre Wirkungen ergänzen. 8 zeigt weiterhin beispielhaft Kontaktierungsmöglichkeiten 120, 804 für die Elektroden 102, 106, 700, 802.Another encapsulated micromirror device in cross-sectional view shows 8th , In this embodiment, in contrast to the embodiment of 7A-C between two-sided frame-bound 302 second and third plate electrodes 106 . 700 a single movable electrode block 124 with first plate electrodes 102 arranged, both the second 106 as well as the third 700 Overlap plate electrodes in each deflection 300 . 708 , On the inside of the deckwafer 600 is a wedge-shaped projection 800 formed, the surface electrodes 802 carries over which an electrostatic attraction on the movable electrode block 124 can be exercised, these under enlargement of the overlapping areas 300 . 708 the plate electrodes 102 . 106 . 700 continue to tilt. During operation, the area 802 and plate electrodes 102 . 106 . 700 coordinated, for example, be controlled so that their effects complement each other. 8th shows further examples of contacting possibilities 120 . 804 for the electrodes 102 . 106 . 700 . 802 ,
9A-B zeigen Draufsichten auf je einen kapazitiven Wandler gemäß weiteren Ausführungsformen. Der Wandler aus 9A weist eine in einem Rahmen 302 eingespannte Membran 100 auf, die zwei bewegliche Elektrodenblöcke 124, 126 mit Plattenelektroden 102, 106 trägt. Seitlich der Elektrodenblöcke 124, 126 sind parallel zu den Plattenelektroden 102, 106 verlaufende Nuten 900 in die Membran 100 geätzt, die eine hohe Beweglichkeit der Elektrodenblöcke 124, 126 zulassen. Der Wandler aus 9B weist einen einzelnen beweglichen 124 Elektrodenblock 124 auf. An allen vier Seiten des Elektrodenblocks 124 sind Nuten 900, 902, 904 in die Membran 100 geätzt, wobei an zwei Enden 906 einer einem festen Elektrodenblock 106 gegenüberliegenden Seite den beweglichen Block 124 tragende Stege 906 verbleiben. 9A-B show plan views of a respective capacitive transducer according to further embodiments. The converter off 9A has one in a frame 302 clamped membrane 100 on, the two movable electrode blocks 124 . 126 with plate electrodes 102 . 106 wearing. Side of the electrode blocks 124 . 126 are parallel to the plate electrodes 102 . 106 running grooves 900 in the membrane 100 etched, the high mobility of the electrode blocks 124 . 126 allow. The converter off 9B has a single moving one 124 electrode block 124 on. On all four sides of the electrode block 124 are grooves 900 . 902 . 904 in the membrane 100 etched, with two ends 906 a fixed electrode block 106 opposite side of the movable block 124 carrying webs 906 remain.
