DE102010029284A1

DE102010029284A1 - MEMS-Bauelement

Info

Publication number: DE102010029284A1
Application number: DE201010029284
Authority: DE
Inventors: Mohsin Nawaz; Mihail Sararoiu; Florian Schoen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-05-25
Publication date: 2011-01-13
Also published as: US8115573B2; US20100301967A1; US9083308B2; US20120105173A1

Abstract

Ein System und ein Verfahren für ein mikroelektromechanisches System (MEMS) sind offenbart. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel weist eine erste Ankerregion, eine Schwingungs-MEMS-Struktur, die an der ersten Ankerregion befestigt ist, eine erste Elektrode benachbart zu der Schwingungs-MEMS-Struktur und eine zweite Elektrode benachbart zu der Schwingungs-MEMS-Struktur auf, wobei die Schwingungs-MEMS-Struktur zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren aus Resonatorbauelementen und insbesondere auf ein System und ein Verfahren für MEMS-Resonatorbauelemente (MEMS = microelectromechanical system = mikroelektromechanisches System).
Ein Resonator ist ein Bauelement, das ein resonantes Verhalten zeigt, d. h. bei einigen Frequenzen mit einer größeren Amplitude schwingt als bei anderen Frequenzen. Ein Resonator oszilliert üblicherweise bei spezifischen Frequenzen, da seine Eigenschaften und Abmessungen ein ganzzahliges Mehrfaches der Wellenlänge bei diesen Frequenzen sind. Resonatoren können verwendet werden, um Wellen spezifischer Frequenzen zu erzeugen oder um spezifische Frequenzen von einem Signal auszuwählen.
Bei einigen Anwendungen ist es wünschenswert, einen Quarzkristall durch einen MEMS-Resonator zu ersetzen. Zum Beispiel wurden Versuche unternommen, Hochfrequenz-MEMS-Bauelemente (HF-MEMS-Bauelemente) für Zeitgebungsanwendungen einzuführen. Im Vergleich zu Quarzkristallen können MEMS-Resonatoren eine reduzierte Größe sowie eine verbesserte Integration mit einem Oszillator oder anwendungsspezifischen, integrierten Schaltungen (ASIC; application specific integrated circuits) liefern, wodurch reduzierte Gesamtsystemkosten geliefert werden.
Um Anwendungsspezifikationen zu erfüllen, muss ein MEMS-Resonatorbauelement häufig mehrere Charakteristika gleichzeitig aufweisen. Diese Charakteristika können Hochfrequenzstabilität, niedrige Versorgungsspannung, niedrige Impedanz, was niedrigen Leistungsverbrauch unterstützt, niedriges Phasenrauschen und schnelles Hochfahrverhalten umfassen. Um eine hohe Kompatibilität für unterschiedliche Anwendungen zu erreichen, ist es erwünscht, eine variable Resonatrfrequenz zu haben, die durch den Entwurf und nicht durch eine Prozessänderung skalierbar ist. Die Verhaltensparameter der Resonatoren hängen von dem Prozesskonzept ab, wie z. B. von Materialien, Prozessstabilität und zu einem großen Ausmaß von dem Resonatorentwurf selbst.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikroelektromechanisches System, ein Verfahren zum Einstellen einer Resonanzfrequenz eines mikroelektromechanischen Systems, ein Verfahren zum Herstellen eines Resonatorbauelements und ein Verfahren zum Einstellen einer Resonanzfrequenz eines Resonators mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein mikroelektromechanisches System (MEMS; microelectromechanical system) offenbart. Das MEMS umfasst eine erste Ankerregion, eine schwingende MEMS-Struktur, die an der ersten Ankerregion befestigt ist, eine erste Elektrode benachbart zu der schwingenden MEMS-Struktur und eine zweite Elektrode benachbart zu der schwingenden MEMS-Struktur. Die schwingende MEMS-Struktur ist zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet.
Gemäß einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Einstellen einer Resonanzfrequenz eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS) offenbart. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines MEMS-Resonators, der ein Resonatorelement, eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, wobei das Resonatorelement zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ferner das Anlegen einer ersten Vorspannung an das Resonatorelement und die erste Elektrode und das Anlegen einer zweiten Vorspannung an die zweite Elektrode, wobei die zweite Vorspannung unabhängig von der ersten Vorspannung ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel eines MEMS-Resonators mit zwei Ankerregionen;
2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines MEMS-Resonators mit zwei Ankerregionen;
3 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels eines MEMS-Resonators; und
4 ein Ausführungsbeispiel eines MEMS-Resonators mit einer Ankerregion.
Die Herstellung und Verwendung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele wird nachfolgend detailliert erörtert. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare, erfinderische Konzepte liefert, die in einer großen Vielzahl von spezifischen Kontexten verkörpert sein können. Die spezifischen Ausführungsbeispiele, die erörtert werden, sind nur darstellend für spezifische Weisen, die Erfindung herzustellen und zu verwenden, und schränken den Schutzbereich der Erfindung nicht ein.
Die vorliegende Erfindung wird im Hinblick auf bevorzugte Ausführungsbeispiele in einem spezifischen Kontext beschrieben, d. h. in MEMS-Resonatorbauelementen. Die Erfindung kann auch an wiederum andere Ausführungsbeispiele angewendet werden, wie z. B. Resonatorbauelemente. Andere Anwendungen sind ebenfalls vorgesehen.
Genauigkeit ist eines der Hauptthemen bei der MEMS-Technik. Geringe Prozessabweichungen (z. B. Lithographie) können zu leicht verändertem, mechanischem Verhalten führen. Für Resonatoranwendungen von MEMS-Bauelementen wird die Resonanzfrequenz (f) durch die sich bewegende Masse (m) und die Steifigkeit (k) des Resonators bestimmt:
Geringe Prozessabweichungen können entweder zu einer leicht veränderten Masse oder einer leicht veränderten Steifigkeit oder zu beidem führen. Daher wird sich auch die Resonanzfrequenz (f) leicht ändern:
Herkömmliche Verfahren liefern aktive oder passive Trimming-(Abgleichs- bzw. Feinabstimmungs-)Techniken, um die Resonanzfrequenz (f) eines Resonatorbauelements einzustellen.
Bei passiven Abgleichtechniken werden die Resonatorbauelemente direkt nach einem Waferebenentest abgeglichen. Zwei Techniken wurden vorgeschlagen: eine Aufbringungstechnik und eine Laserabgleichstechnik. Beide Verändern die Masse des Resonators und daher die Resonanzfrequenz. Ein wesentlicher Nachteil der Aufbringungstechnik ist, dass sie nur mit Bauelementen verwendet werden kann, die nicht abgedichtet sind, d. h. wo das Bauelement selbst direkt zugreifbar ist. Im Gegensatz dazu ist ein Laserabgleich an abgedichtete Resonatoren anwendbar. Laserabgleichtechniken erfordern jedoch mehrere Test- und Durchlaufzyklen, was die Herstellung kostspielig macht.
Die meisten, üblicherweise verwendeten Abgleichtechniken sind aktive Abgleichtechniken. Eine aktive Abgleichtechnik verwendet eine Phasenregelschleife (PLL; phase locked loop). Eine PLL ist ein aktives System und trägt zum Rauschen bei, was wiederum einen negativen Einfluss auf das Rauschverhalten des Resonatorsystems hat.
Eine andere aktive Abgleichtechnik ist das Erwärmen des Resonatorbauelements. Das Erwärmen des Bauelements jedoch, um die Materialeigenschaften zu ändern, erfordert viel Leistung und ist daher nicht wünschenswert.
Eine wiederum weitere aktive Abgleichtechnik ist Vorspannungsabgleich, was einen Effekt verwendet, der elektrische Federerweichung (electrical spring softening) genannt wird. Die elektrische Federerweichung führt zu einer Verschiebung bei der Resonanzfrequenz durch Anlegen einer Vorspannung (V_Bias). Die elektrische Federerweichung (k_elec) hängt von einer Vorspannung (V_Bias) ab, die zwischen einer Elektrode und einem Resonator angelegt ist. Die elektrische Federerweichung (k_elec) wird weiter durch eine Abstandsdistanz (d) und einen Bereich (A) zwischen den beiden beeinflusst.
Der Einfluss der elektrischen Federerweichung auf die Resonanzfrequenz (f) kann wie folgt beschrieben werden:
Verhaltensparameter, wie z. B. Qualitätsfaktor und Bewegungswiderstand, hängen stark von der elektromechanischen Kopplung (η) ab. Der elektromechanische Kopplungsfaktor (η) selbst hängt von einer Kapazität (C) zwischen der Elektrode und dem Resonator, einem Abstand (d) zwischen den beiden und einer angelegten Vorspannung (V_Bias) ab.
Große Werte der Vorspannung (V_Bias) können die anderen Verhaltensparameter wesentlich beeinflussen. Um einen solchen wesentlichen Einfluss auf diese Parameter zu vermeiden, kann die Verwendung der Vorspannung (V_Bias), um die Resonanzfrequenz (f) einzustellen, auf einen Abgleichsbereich von kleinen Werten von mehreren zehn bis einigen hundert Teilen pro Million (ppm; Parts per million) begrenzt sein. Das elektrische und Qualitäts Verhalten des Resonatorbauelements kann jedoch mit abnehmender Vorspannung (V_Bias) ungenügend sein.
Ferner, da die Resonanzfrequenz (f) abhängig von der Vorspannung (V_Bias) ist, kann jegliches Amplitudenrauschen der Vorspannungsversorgung direkt in ein Phasenrauschen innerhalb des Resonators des MEMS-Bauelements übersetzt werden. Dies kann eine wesentliche Auswirkung auf die Ausgangsfrequenz von HF-MEMS-Anwendungen auf hoher Ebene haben, wie z. B. GSM, UMTS oder WCDMA.
Um mehr Freiheit beim Einstellen der Resonanzfrequenz (f) zu geben, wird ein zusätzliches, elektrisches Feld an das Resonatorbauelement angelegt. Das zusätzliche, elektrische Feld wird z. B. durch eine zusätzliche Elektrode eingeführt. Alternativ können das zusätzliche elektrische Feld oder die zusätzlichen elektrischen Felder durch eine Mehrzahl von zusätzlichen Elektroden eingeführt werden. Das oder die zusätzlichen elektrischen Felder oder die zusätzliche(n) Elektrode(n) liefern einen zusätzlichen Freiheitsgrad z. B. beim Einstellen der Resonatorbauelemente und insbesondere der Resonanzfrequenzen der MEMS-Resonatoren. Das oder die zusätzlichen elektrischen Felder oder die eine oder mehreren zusätzlichen Elektroden können bei anderen Ausführungsbeispielen andere Verhaltensparameter nur auf sehr begrenzte Weise beeinflussen.
Daher kann eine zusätzliche elektrische Steifigkeit (k_trim) zu der Resonanzfrequenzgleichung hinzugefügt werden und die Gleichung kann folgendermaßen geschrieben werden:
Schließlich können Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Frequenzabstimmung während der Lebensdauer des MEMS-Bauelements garantieren.
Bezug nehmend nun auf 1 ist eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines MEMS-Bauelements 100 gezeigt. Das MEMS-Bauelement 100 umfasst eine Schwingungsstruktur oder ein Resonatorelement, üblicherweise eine Resonatorelektrode 101, eine erste Elektrode oder Treiberelektrode 102 und eine zweite Elektrode oder externe Elektrode 103. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das MEMS-Bauelement 100 ein Geklemmt-Geklemmt-Strahlresonator (CC Beam; clamped-clamped beam), wobei der Strahl oder die Resonatorelektrode 101 an dem Substrat an der Oberseite 104 und der Unterseite 105 verankert ist.
Das MEMS-Bauelement 100 kann aus Silizium hergestellt sein, wobei das bewegliche Teil, d. h. die Resonatorelektrode 101, Polysilizium aufweisen kann. Alternativ umfasst das MEMS-Bauelement 100 eine monokristallinen Siliziumschicht, wie z. B. ein Silizium-auf-Isolator-Substrat (SOI-Substrat; silicon an insulator). Ein solches Resonatorbauelement profitiert von gut definierten, monokristallinen Materialeigenschaften. Das MEMS-Bauelement 100 kann auf anderen Materialien basieren als reinem Silizium, z. B. auf Silizium-Germanium (SiGe).
Unterschiedliche Entwürfe können unterschiedliche Verhaltensparameter adressieren. Zum Beispiel weisen Schwingungsstrukturen oder Resonatorelemente, wie z. B. Strahl- bzw. Balken-Strukturen, die in einem Biegemodus arbeiten, eine relativ geringe mechanische Federkonstante auf und können daher eine niedrige Impedanz bei niedriger Versorgungsspannung erreichen. Andere Entwürfe können in einem Pure-Breath-Mode oder einem akustischen Volumenmodus (bulk acoustic mode) arbeiten und können größere mechanische Federkonstanten im Vergleich zu dem Biegebalkenentwurf (flexural beam) aufweisen.
Eine Möglichkeit, Resonatorbauelementparameter zu optimieren, wie z. B. gutes Phasenrauschen, niedrige Impedanz, niedrige Vorspannung, ist mit einem akustischen Volumenmodusentwurf zu beginnen und diesen für eine niedrige Vorspannung und niedrige Impedanz zu optimieren. Resonatorabstandsbreite, mechanische Federkonstante und Resonatorbereich können abgeändert werden, um diese Ergebnisse zu erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann eine gewünschte Resonanzfrequenz (f) eingestellt werden durch Anlegen einer Gleichvorspannung (V_DC) (DC = direct current = Gleichstrom) über die Resonatorelektrode 101 und die Treiberelektrode 102. V_DC ist auch verantwortlich für die elektromechanische Kopplung (η) und hat daher eine Wirkung auf andere wichtige Parameter, wie z. B. Qualitätsfaktor und Bewegungswiderstand.
Um die Frequenz weiter hin zu der gewünschten Resonanzfrequenz (f) abzustimmen, kann eine zusätzliche Abgleichspannung (V_trim) an die externe Elektrode 103 angelegt werden. Die Gleichstrompotentialdifferenz zwischen der Resonatorelektrode 101 und der externen Elektrode 103 ist V_trim – V_DC. Durch Abändern von ausschließlich V_trim kann die Potentialdifferenz zwischen der externen Elektrode 103 und der Resonatorelektrode 101 variieren, wohingegen die Potentialdifferenz zwischen der Treiberelektrode 102 und der Resonatorelektrode 101 (V_DC) konstant bleiben kann.
Da die Potentialdifferenz zwischen der Resonatorelektrode 101 und der Treiberelektrode 102 praktisch unbeeinflusst durch die Abänderung des Potentials der externen Elektrode 103 verbleiben kann, kann der elektromechanische Kopplungsfaktor (η) ebenfalls praktisch unbeeinflusst durch die Potentialänderung der externen Elektrode 103 bleiben.
Das Abgleichen der Resonanzfrequenz (f) durch Variieren bzw. Ändern des Potentials einer externen Elektrode 103 kann nur einen sehr eingeschränkten nachteiligen Effekt auf die Verhaltensparameter haben. Ein Abgleichen in einem Bereich von wenigen zehn Teilen pro Million (ppm) kann mit einer sehr unwesentlichen Wirkung auf die anderen Verhaltensparameter möglich sein und ein Abgleichen in einem größeren Bereich kann nur eine eingeschränkte Wirkung auf diese Parameter haben.
Wenn V_trim entweder größer ist als V_DC oder kleiner ist als V_DC, wird eine Anziehungskraft F_ext 110 auf die Resonatorelektrode 101 erzeugt, die die Resonatorelektrode 101 hin zu der externen Elektrode 103 zieht. Die Anziehungskraft F_ext 110 reduziert die Wirkung der elektrischen Kraft F_el 112, die Kraft zwischen der Resonatorelektrode 101 und der Treiberelektrode 102. Die Differenz bei den Potentialen V_trim – V_DC hat daher eine Wirkung auf die Kapazität C_e 120 zwischen der Resonatorelektrode 101 und der externen Elektrode 103, und die Kapazität C_o 122 zwischen der Resonatorelektrode 101 und der Treiberelektrode 102. Zum Beispiel kann die Anziehungskraft F_ext 110 die Kapazität C_e 120 erhöhen und kann gleichzeitig die Kapazität C_o 122 reduzieren.
Das MEMS-Bauelement 100 kann betrieben werden durch Anlegen eines AC-Spannungssignals (V_AC) (AC = alternating current = Wechselstrom) an der Treiberelektrode 102 und durch Erfassen desselben an der Resonatorelektrode 101. Wenn die Frequenz des AC-Spannungssignals mit der Resonanzfrequenz der Resonatorelektrode 101 übereinstimmt, wird die Impedanz des Wegs reduziert und somit wird ein größeres Signal an der Resonatorelektrode 101 erfasst.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Temperaturkoeffizient zweiter Ordnung der Resonanzfrequenz durch die vorgeschlagene Abgleichtechnik kompensiert werden, insbesondere durch Anlegen einer Abgleichspannung (V_trim) über die externe Elektrode 103. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Anlegen der vorgeschlagenen Abgleichtechnik mit der Verwendung einer Oxidfülltechnik kombiniert werden, die in einer verwandten Patentanmeldung beschrieben ist, Serien-Nr. 12/187,443, „Passive Temperature Compensation of Silicon MEMS Devices”, und die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die Oxidfülltechnik kann den Temperaturkoeffizienten erster Ordnung der Resonanzfrequenz kompensieren, während die vorgeschlagene Spannungsabgleichstechnik den Temperaturkoeffizienten zweiter Ordnung der Resonanzfrequenz kompensieren kann.
Die Kombination von beiden Techniken kann die Driftresonanzfrequenz in einem exemplarischen Temperaturbereich von –10°C bis 95°C von ungefähr 2.000 ppm (0,2% Drift) auf 0,8 ppm (8 e – 5%) reduzieren, was sie geeignet z. B. für GSM-Anwendungen macht.
Die Abgleichspannung (V_trim) kann ferner von einer Temperatur abhängen. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Abhängigkeit von der Temperatur relativ identisch zu der einer Bandabstandsspannungsreferenzquelle von ungefähr 1,25 V. Das Verwenden der Bandabstandsreferenzspannung als Quelle macht die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindungen wünschenswert für rauschempfindliche Anwendungen, wie z. B. GSM.
2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels eines MEMS-Bauelements in der Form eines Platten-MEMS-Resonatorbauelements. Das MEMS-Resonatorbauelement 200 ist ein Beispiel eines CC-Beam-Resonators. 2 zeigt eine CC-Beam- oder erste bewegliche Plattenelektrode 201, eine zweite Elektrode oder Treiberelektrode 202 und eine dritte Elektrode oder externe Elektrode 203. Die bewegbare Plattenelektrode 201 ist über die Ankerregionen 205, 207 an dem Substrat 220 befestigt. Die zweite Elektrode oder Treiberelektrode 202 ist auf dem Substrat 220 platziert und die dritte Elektrode oder externe Elektrode 203 ist über die Ankerregionen 205–211 an dem Substrat 220 befestigt.
Das Anlegen einer Gleichvorspannung (V_DC) über die erste bewegbare Plattenelektrode 201 und die Treiberelektrode 202 zieht die erste bewegbare Plattenelektrode 201 hin zu der Treiberelektrode 202, was zu einer elektrostatischen Kraft F_el 212 führt. Die elektrostatische Kraft F_el 212 bewegt die erste, bewegbare Plattenelektrode 201 hin zu der Treiberelektrode 202, bis ein Equilibrium zwischen der Federkraft und der elektrostatischen Kraft F_el 212 erreicht ist, was zu einer Federkonstante (k_elec) führt.
Das Anlegen einer positiven oder negativen Abgleichspannung (V_trim) an die externe Elektrode 203 bewegt die erste, bewegbare Plattenelektrode 201 hin zu der externen Elektrode 203, was zu einer Anziehungskraft F_ext 210 führt und daher zu einer zusätzlichen Federkonstante (k_trim), was die Wirkung der elektrostatischen Kraft F_el 212 reduziert.
3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines MEMS-Bauelements in der Form eines radförmigen MEMS-Resonatorbauelements. Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Bauelement 300 eine Radmasse 301 auf, die als eine Resonatorelektrode funktioniert. Die Radmasse 301 ist von der Treiberelektrode 302 durch einen Abstand 306 beabstandet. die Radmasse 301 ist bei einem Ausführungsbeispiel rund, obwohl andere Formen und Konfigurationen möglich sind. Zum Beispiel kann der Resonator bei Ausführungsbeispielen einen Umfang aufweisen, eine Peripherie mit zumindest einem Abschnitt, der einen Radius aufweist, oder eine andere Form.
Die Treiberelektrode 302 und der Abstand 306 erstrecken sich entlang eines Umfangs des MEMS-Resonatorbauelements 300. Die Treiberelektrode 302 kann eine Einzelelektrode aufweisen, kann aber alternativ eine Mehrzahl von Elektroden aufweisen. Das MEMS-Resonatorbauelement 300 weist auch eine Ankerregion 307 auf, die mit der Radmasse 302 durch eine Mehrzahl von Strahl- bzw. Balkenelektroden 308 gekoppelt ist. Während das Resonatorbauelement 300 acht Strahlenelemente 308 aufweist, kann die Anzahl, Platzierung und Konfiguration bei anderen Ausführungsbeispielen variieren. Eine Mehrzahl von Aperturen bzw. Öffnungen 309 sind in der Ankerregion 307 gebildet und die Ankerregion 307 ist mit einem Substrat durch einen Ankerabschnitt 304 gekoppelt. Die Anzahl, Konfiguration und Platzierung der Aperturen 309 kann bei anderen Ausführungsbeispielen variieren. Das MEMS-Resonatorbauelement 300 weist ferner eine oder mehrere externe Elektroden 303 auf.
Die Treiberelektrode 302 liefert einen großen Elektrodenbereich, und die Radmasse 301 ist konfiguriert, um sich in einem Radial-Breathing- oder Längs-Modus zu schwingen oder zu vibrieren, was zu einer großen, mechanischen Federkonstante in der Lage ist.
Die externen Elektroden 303 liefern ebenfalls einen großen Elektrodenbereich, um die Radmasse 301 effizient abzustimmen. Die externen Elektroden 303 können elektrisch individuell oder in jeglicher Konfiguration in Kontakt sein, z. B. Gruppieren der externen Elektroden 303 in zwei, vier oder acht Elemente.
Das Anlegen einer Vorspannung (V_Bias) über die Radmasse 301 und die Treiberelektrode 302 zieht die Radmasse 301 hin zu der Treiberelektrode 302, was zu einer elektrostatischen Kraft F_el führt. Die elektrostatische Kraft F_el bewegt die Radmasse 301 hin zu der Treiberelektrode 302, bis ein erstes Equilibrium zwischen der Federkraft und der elektrostatischen Kraft F_el erreicht ist, was zu einer Federkonstante (k_elec) führt.
Das Anlegen einer positiven Abgleichspannung (V_trim) an die eine oder die mehreren externen Elektroden 303 bewegt die Radmasse 301 hin zu der externen Elektrode 303, was zu einer zusätzlichen Federkonstante (k_trim) führt, was die Wirkung der elektrostatischen Kraft F_el reduziert.
4 stellt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines MEMS-Resonatorbauelements dar. 4 zeigt ein MEMS-Bauelement 400 mit nur einer Ankerregion, z. B. nur ein Teil der Schwingungsstruktur ist fest. Dieselben Bezugszeichen werden bei diesem Ausführungsbeispiel für dieselben oder ähnliche Elemente des Ausführungsbeispiels von 1 verwendet.
Das MEMS-Resonatorbauelement 400 umfasst eine Schwingungsstruktur oder ein Resonatorelement, üblicherweise eine Resonatorelektrode 401, eine erste Elektrode oder Treiberelektrode 402 und eine zweite Elektrode oder externe Elektrode 403. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Resonatorelektrode 401 an dem Substrat an dem Boden 405 verankert mit einem freien Ende.
Eine gewünschte Resonanzfrequenz (f) kann auf ähnliche Weise eingestellt werden, wie für die CC-Beam-Anordnung aus 1 beschrieben wurde. Um eine gewünschte Resonanzfrequenz (f) einzustellen, kann eine Gleichvorspannung (V_DC) über die Resonatorelektrode 401 und die Treiberelektrode 402 eingestellt werden. Um die Frequenz weiter hin zu der gewünschten Resonanzfrequenz (f) abzustimmen, kann eine zusätzliche Abgleichspannung (V_trim) an die externe Elektrode 403 angelegt sein. Die Gleichstrom-Potentialdifferenz zwischen der Resonatorelektrode 401 und der externen Elektrode 403 ist V_trim – V_DC. Durch Verändern von nur V_trim kann die Potentialdifferenz zwischen der externen Elektrode 403 und der Resonatorelektrode 401 variieren, wohingegen die Potentialdifferenz zwischen der Treiberelektrode 402 und der Resonatorelektrode 401 (V_DC) konstant bleiben kann.
Wenn V_trim entweder größer ist als V_DC oder kleiner ist als V_DC, wird eine Anziehungskraft F_ext 410 auf die Resonatorelektrode 401 erzeugt, was die Resonatorelektrode 401 hin zu der externen Elektrode 403 zieht. Die Anziehungskraft F_ext 410 reduziert die Wirkung der elektrischen Kraft F_el 412, die Kraft zwischen der Resonatorelektrode 401 und der Treiberelektrode 402. Die Differenz bei den Potentialen V_trim – V_DC hat daher eine Wirkung auf die Kapazität C_e 420, zwischen der Resonatorelektrode 401 und der externen Elektrode 403, und die Kapazität C_o 422 zwischen der Resonatorelektrode 401 und der Treiberelektrode 402.
Das MEMS-Bauelement 400 kann betrieben werden durch Anlegen eines Wechselstrom-Spannungssignals (V_AC) an der Treiberelektrode 402 und durch Erfassen desselben an der Resonatorelektrode 401. Wenn die Frequenz des AC-Spannungssignals mit der Resonanzfrequenz der Resonatorelektrode 401 übereinstimmt, wird die Impedanz des Wegs reduziert und somit wird ein größeres Signal an der Resonatorelektrode 401 erfasst.
Im Gegensatz jedoch zu der CC-Beam-Anordnung in 1 ist der einzeln verankerte MEMS-Resonator äußerst nichtlinear und liefert im Allgemeinen z. B. eine niedrige Resonanzfrequenz.
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile detailliert beschrieben wurden, sollte darauf hingewiesen werden, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen hierin ausgeführt werden können, ohne von dem Wesen und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die beiliegenden Ansprüche definiert sind. Zum Beispiel können viele der Merkmale und Funktionen, die oben erörtert wurden, in anderen Hardwarelösungen implementiert sein.
Ferner soll der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf die bestimmten Ausführungsbeispiele von Prozess, Maschine, Herstellung, Materialzusammensetzung, Einrichtung, Verfahren und Schritten beschränkt sein, die in der Beschreibung beschrieben sind. Wie ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ohne weiteres aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung erkennen wird, können Prozesse, Maschinen, Herstellung, Materialzusammensetzungen; Einrichtungen, Verfahren oder Schritte, die bereits existieren oder später entwickelt werden, die im Wesentlichen dieselbe Funktion ausführen oder im Wesentlichen dasselbe Ergebnis erreichen wie die entsprechenden Ausführungsbeispiele, die hierin beschrieben sind, gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Dementsprechend sollen die beiliegenden Ansprüche innerhalb ihres Schutzbereichs solche Prozesse, Maschinen, Herstellung, Materialzusammensetzungen, Einrichtungen, Verfahren oder Schritte umfassen.

Claims

Mikroelektromechanisches System (MEMS) (300; 400), das folgende Merkmale aufweist: eine erste Ankerregion (305); eine Schwingungs-MEMS-Struktur, die an der ersten Ankerregion befestigt ist; eine erste Elektrode (301) benachbart zu der Schwingungs-MEMS-Struktur; eine zweite Elektrode (302) benachbarten zu der Schwingungs-MEMS-Struktur, wobei die Schwingungs-MEMS-Struktur zwischen der ersten und der zweiten Elektrode liegt.
MEMS (300; 400) gemäß Anspruch 1, bei dem die Schwingungs-MEMS-Struktur eine Radelektrode ist.
MEMS (300; 400) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schwingungs-MEMS-Struktur eine Plattenelektrode (201) ist.
MEMS (300; 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Elektrode (301) eine Mehrzahl von Elektroden aufweist.
MEMS (300; 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die zweite Elektrode eine Mehrzahl von Elektroden aufweist.
MEMS (300; 400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, das ferner eine zweite Ankerregion (307) aufweist, wobei die Schwingungs-MEMS-Struktur zwischen der ersten Ankerregion (305) und der zweiten Ankerregion (307) befestigt ist.
Verfahren zum Einstellen einer Resonanzfrequenz (f) eines mikroelektromechanischen Systems (MEMS), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines MEMS-Resonators, der ein Resonatorelement (401), eine erste Elektrode (402) und eine zweite Elektrode (403) aufweist, wobei das Resonatorelement zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist; Anlegen einer ersten Vorspannung an das Resonatorelement (401) und die erste Elektrode (402); und Anlegen einer zweiten Vorspannung an die zweite Elektrode (403), wobei die zweite Vorspannung unabhängig von der ersten Vorspannung ist.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des MEMS gemäß Anspruch 7, bei dem das Resonatorelement eine Resonatorelektrode (401) aufweist.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des MEMS gemäß Anspruch 8, bei dem die Resonatorelektrode eine Radelektrode ist.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des MEMS gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem die zweite Elektrode eine Mehrzahl von Elektroden aufweist.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des MEMS gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem das Anlegender ersten Vorspannung die Resonanzfrequenz von einer ersten Resonanzfrequenz zu einer zweiten Resonanzfrequenz verschiebt.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des MEMS gemäß Anspruch 11, bei dem das Anlegen der zweiten Vorspannung die Resonanzfrequenz von der zweiten Resonanzfrequenz zu einer dritten Resonanzfrequenz verschiebt.
Verfahren zum Herstellen eines Resonatorbauelements, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Resonatorelements (401) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite; Bereitstellen einer ersten Elektrode; Bereitstellen einer zweiten Elektrode; und wobei die erste Elektrode an der ersten Seite des Resonatorelements angeordnet ist und die zweite Elektrode an der zweiten Seite des Resonatorelements angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Resonatorbauelements gemäß Anspruch 13, bei dem die erste Seite und die zweite Seite gegenüberliegende Seiten sind.
Verfahren zum Herstellen eines Resonatorbauelements gemäß Anspruch 13 oder 14, bei dem die zweite Elektrode eine Mehrzahl von Elektroden aufweist.
Verfahren zum Einstellen einer Resonanzfrequenz (f) eines Resonators, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Resonatorelements mit einer ersten Steifigkeit (k); Bereitstellen einer zweiten Steifigkeit (k_elec) durch Anlegen einer ersten Vorspannung zwischen dem Resonatorelement und einer ersten Elektrode; und Bereitstellen einer dritten Steifigkeit (k_trim) durch Anlegen einer zweiten Spannung an eine zweite Elektrode, wobei die Resonanzfrequenz des Resonators durch die erste, zweite und dritte Steifigkeit eingestellt wird.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des Resonators gemäß Anspruch 16, bei dem die Resonanzfrequenz eingestellt wird durch Addieren der ersten, zweiten und dritten Steifigkeit.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des Resonators gemäß Anspruch 16 oder 17, bei dem das Resonatorelement zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode angeordnet ist.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des Resonators gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, bei dem die zweite Elektrode eine Mehrzahl von Elektroden aufweist.
Verfahren zum Einstellen der Resonanzfrequenz (f) des Resonators gemäß einem der Ansprüche 16 bis 19, bei dem das Resonatorelement eine Resonatorelektrode aufweist.