DE102014214154A1

DE102014214154A1 - Ein MEMS-Bauelement

Info

Publication number: DE102014214154A1
Application number: DE102014214154.0A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Mohsin Nawaz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-07-22
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2015-01-22
Also published as: KR20150011334A; US20150021722A1; CN104333838A; KR101607757B1; CN104333838B; US9728653B2

Abstract

Ein MEMS-Bauelement enthält eine Membran, die eine erste Mehrzahl von Fingern umfasst. Eine Gegenelektrodenanordnung enthält eine zweite Mehrzahl von Fingern, die in einer interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern der Membran angeordnet sind. Ein Auslenker ist konfiguriert, die Membran derart auszulenken, dass die erste und zweite Mehrzahl von Fingern in einer Position verschoben werden, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der Finger ausschließt.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf ein MEMS-Bauelement, einen elektrostatischen Wandler und ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Kondensatormikrofone können dahingehend wirken, die Bewegung einer beweglichen Mikrofonmembran in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wobei eine feste Elektrode, die üblicherweise als Gegenelektrode bezeichnet wird, typischerweise parallel und in unmittelbarer Nähe zur Mikrofonmembran platziert wird. Somit kann sich die Membran als Reaktion auf eingegebenen Schalldruck relativ zur Gegenelektrode bewegen. Diese Bewegung kann zu einer vom Schalldruck abhängigen Variation der Kapazität dieses Mikrofons führen. Diese Variation der Kapazität kann weiter in ein elektrisches Signal umgesetzt werden.
Um den Dynamikbereich der Kapazität zu vergrößern, sind Kammsensormikrofone bekannt, die eine Mikrofonmembran umfassen, die eine Platte umfassen kann. Die Platte kann durch ein fixiertes Glied nachgiebig getragen werden. Diese Struktur kann in einer MEMS-Architektur hergestellt werden. Die Membran kann von dem umgebenden Substrat getrennt werden, indem um den Umfang herum ein Schlitz geätzt wird, während die Verbindung zu dem Substrat zumindest am Ort des Umfangs intakt gelassen wird.
Interdigitierte Finger können sowohl an der Membran als auch dem festen Substrat ausgebildet werden, während sie typischerweise voneinander beabstandet sind. Somit kann zwischen der sich bewegenden Membran und dem festen Substrat eine variable Kapazität hergestellt werden, wobei diese Kapazität in Abhängigkeit von der Bewegung der Membran variabel ist. Somit kann ein Kammsensormikrofon hergestellt werden, was zu einer in einer Ebene liegenden Kammsensorstruktur führt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt ein MEMS-Bauelement bereit, das Folgendes umfasst: eine Membran, die eine erste Mehrzahl von Fingern umfasst; eine Gegenelektrodenanordnung, die eine zweite Mehrzahl von Fingern umfasst, die in einer interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern der Membran angeordnet sind; und einen Auslenker, der konfiguriert ist, die Membran so auszulenken, dass die erste und zweite Mehrzahl von Fingern in einer Position verschoben werden, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der Finger ausschließt.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein MEMS-Bauelement bereit, das eine Membran, eine Gegenelektrodenanordnung und eine an der Membran befestigte Stressschicht umfasst. Die Membran umfasst eine erste Mehrzahl von Fingern. Die Gegenelektrodenanordnung umfasst eine zweite Mehrzahl von Fingern, die in einer interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern angeordnet sind. Die Stressschicht umfasst ein Material, das im Vergleich zu einem Material der Membran einen anderen Eigenstress aufweist.
Eine weitere Ausführungsform stellt einen elektrostatischen Wandler bereit, der eine Membran umfasst, die eine erste Mehrzahl von Fingern umfasst. Der elektrostatische Wandler umfasst weiterhin eine Gegenelektrodenanordnung mit einer zweiten Mehrzahl von Fingern, die in einer interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern der Membran angeordnet sind. Der elektrostatische Wandler umfasst auch einen Auslenker, der so konfiguriert ist, dass er die Membran derart auslenkt, dass die erste und zweite Mehrzahl von Fingern in einer Position verschoben werden, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der Finger ausschließt. Der elektrostatische Wandler kann konfiguriert sein, ein Ausgangssignal als Reaktion auf eine Relativbewegung der Membran und der Gegenelektrodenanordnung zu erzeugen.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements bereit, das eine Membran und eine Gegenelektrodenanordnung umfasst. Das Verfahren umfasst das Abscheiden einer Membranschicht auf einer Oberfläche. Das Verfahren umfasst weiterhin das Strukturieren der Membranschicht, um einen interdigitierten Kammantrieb auszubilden, der eine erste und zweite Mehrzahl von interdigitierten Fingern umfasst, die an der Membran bzw. an der Gegenelektrodenanordnung angebracht sind. Das Verfahren umfasst auch das Bereitstellen eines Auslenkers, der an einem Abschnitt der Membranschicht fixiert ist, und Durchführen einer Trennätzung, die bewirkt, dass der Auslenker die Membran auslenkt und die erste und zweite Mehrzahl von interdigitierten Fingern in einer Position verschiebt, die eine maximale Überlappung der Oberfläche der Finger ausschließt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezüglich der Figuren beschrieben.
1 zeigt ein Diagramm, das die Kapazität pro Zelle eines Kammsensormikrofons gegenüber einer Verschiebung von Fingern einer Membran in Relation zu Fingern einer Gegenelektrodenanordnung im Fall einer Überlappung von etwa 100% von jeweiligen Fingern in einer Ruheposition darstellt;
2 zeigt ein Schemadiagramm der Kammsensormikrofonanordnung im Fall einer Überlappung von etwa 100% der jeweiligen Finger in der Ruheposition;
3a zeigt ein Beispiel eines Kammsensormikrofonlayouts in einer Draufsicht;
3b zeigt ein Gebiet des Kammsensormikrofonlayouts, das in 3a von einem Block A umgeben ist, in einer vergrößerten Draufsicht;
3c zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 3b dargestellten vergrößerten Gebiets;
4 zeigt ein weiteres Beispiel eines Kammsensormikrofonlayouts in einer Draufsicht;
5a zeigt eine Querschnittsansicht des in 4 dargestellten Layouts vor dem Entfernen eines Teils eines Trägers;
5b zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 4 dargestellten Layouts nach dem Entfernen eines Teils des Trägers;
6a zeigt ein vergrößertes Gebiet eines Kammsensormikrofonlayouts in einem weiteren Beispiel, wobei das vergrößerte Gebiet ein Eckgebiet des Layouts darstellt;
6b zeigt schematisch das Abscheiden verschiedener Materialien in dem vergrößerten Gebiet des in 6a dargestellten Layouts;
6c zeigt ein Bild einer FEM-Simulation zu dem vergrößerten Gebiet des in 6a und 6b dargestellten Layouts;
7 zeigt ein Diagramm, das die Kapazität pro Zelle eines Kammsensormikrofons gegenüber einer Verschiebung von Fingern einer Membran in Relation zu Fingern einer Gegenelektrodenanordnung im Fall, dass in einer Ruheposition der Membran jeweilige Finger in einer Position verschoben werden, die eine Überlappung von 100% ausschließt;
8a zeigt schematisch einen einzelnen Finger der Membran, der zwischen zwei Fingern der Gegenelektrodenanordnung geschichtet ist, in einer Draufsicht;
8b zeigt die in 8a dargestellte schematische Anordnung in einer Querschnittsansicht;
9a zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht einen Teil eines in einer Ebene hergestellten Kammsensormikrofons vor dem Entfernen von Teilen des Trägers gemäß einem Beispiel;
9b zeigt den in 9a dargestellten beispielhaften Teil, wobei Teile des Trägers entfernt sind;
10 zeigt ein Layout eines Kammsensormikrofons in einer Draufsicht, gemäß der in 9b dargestellten beispielhaften schematischen Anordnung hergestellt;
11a zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht einen Teil eines in einer Ebene hergestellten Kammsensormikrofons vor dem Entfernen von Teilen des Trägers gemäß einem Beispiel;
11b zeigt den in 11a dargestellten beispielhaften Teil, wobei Teile des Trägers entfernt sind;
12a zeigt ein Layout eines Kammsensormikrofons in einer Draufsicht, gemäß der in 11b dargestellten beispielhaften schematischen Anordnung hergestellt;
12b zeigt ein Gebiet des Kammsensormikrofonlayouts, das in 12a von einem Block B umgeben ist, in einer vergrößerten Draufsicht;
13a zeigt in einer schematischen Querschnittsansicht einen Teil eines in einer Ebene hergestellten Kammsensormikrofons vor dem Entfernen von Teilen des Trägers gemäß einem Beispiel;
13b zeigt den in 13a dargestellten beispielhaften Teil, wobei Teile des Trägers entfernt sind;
14a zeigt ein Layout eines Kammsensormikrofons in einer Draufsicht, gemäß der in 13b dargestellten beispielhaften schematischen Anordnung hergestellt;
14b zeigt ein Gebiet des Kammsensormikrofonlayouts, das in 14a von einem Block C umgeben ist, in einer vergrößerten Draufsicht;
15a zeigt schematisch einen Teil des Kammsensormikrofons mit der Membran in einer Querschnittsansicht, womit die Abscheidung einer Stressschicht exemplifiziert wird;
15b zeigt den in 15a dargestellten Teil in einer Draufsicht, wobei die Membran ein mäanderartiges Element umfasst;
16a–16d zeigen schematisch einen Teil des Kammsensormikrofons mit der Membran in einer Querschnittsansicht, womit jeweils verschiedene Abscheidungen einer Stressschicht exemplifiziert werden; und
17a–17c zeigen schematisch einen Teil des Kammsensormikrofons mit der Membran in einer Querschnittsansicht, womit jeweils verschiedene Abscheidungen einer Stressschicht exemplifiziert werden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Verschiedene Ausführungsformen der hierin offenbarten Lehren werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1–17c erörtert. In den Zeichnungen sind identische Bezugszahlen an Objekte mit identischen oder ähnlichen Funktionen vergeben, so dass Objekte, auf die innerhalb der verschiedenen Ausführungsformen mit identischen Bezugszahlen Bezug genommen werden, austauschbar sind und die Beschreibung gegenseitig gilt.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Diagramm gezeigt, das eine Kapazität eines MEMS-Bauelements, beispielsweise eines Kammsensormikrofons, über der Verschiebung von Fingern einer Membran in Relation zu Fingern einer Gegenelektrodenanordnung im Fall einer Überlappung von etwa 100% von jeweiligen Fingern in einer Ruheposition darstellt.
Im Diagramm sind Kapazitätswerte auf der Ordinatenachse aufgetragen, beginnend bei 0 fF bis 3,5 fF. Verschiebungswerte von jeweiligen Fingern in Relation zueinander sind auf der Abszissenachse aufgetragen, beginnend bei –20 μm bis +20 μm. Somit ist eine Verschiebung um 0 μm als die Mitte der Abszissenachse definiert. In dem im Diagramm von 1 gezeigten Fall überlappen sich die jeweiligen Finger zueinander um 100% in der Ruheposition des MEMS-Bauelements. Mit anderen Worten wird eine maximale Überlappung in dem Fall hergestellt, dass sich das MEMS-Bauelement in einer Ruheposition befindet.
Somit ist ein Arbeitspunkt OP des MEMS-Bauelements bei 0 μm zentriert positioniert. Man beachte, dass der Arbeitspunkt OP eine Verschiebung jeweiliger Finger in der Ruheposition darstellt und Informationen über einen resultierenden Kapazitätswert angibt.
Unter der Annahme, dass das MEMS-Bauelement ein Kammsensormikrofon ist, wird eine Ruheposition im Fall einer Lautheit von 0 dB in der Umgebung um dieses Mikrofon herum etabliert. Wie in dem Diagramm von 1 zu sehen ist, wird im Fall, dass das Kammsensormikrofon in einer Ruheposition gehalten wird, d. h. Überlappung der jeweiligen Finger von 100%, eine maximale Kapazität von 3,25 fF in einer durch jeweilige Finger definierten Einheitszelle etabliert.
Der Grund dafür besteht darin, dass gemäß der die Kapazität eines Plattenkondensators definierenden Formel:
die Kapazität c für den Fall einen Maximalwert annimmt, dass die Fläche A den Maximalwert annimmt (falls der Rest, d. h. relative Dielektrizitätskonstante ε_r und Spaltbreite g, konstant gehalten wird). Mit anderen Worten ist die Kapazität umso größer, je größer die Überlappungsfläche A ist. Man beachte, dass die oben angegebene Formel für die Kapazität c nur eine relativ grobe Approximation für Fälle ist, in denen die erste Mehrzahl von Fingern bezüglich der zweiten Mehrzahl von Fingern verschoben wird.
Wie im Diagramm von 1 zu sehen ist, kann eine Verschiebung jeweiliger Finger in Relation zueinander, d. h. sowohl negative Verschiebung als auch positive Verschiebung, zu einer abnehmenden Kapazität führen. Falls die jeweiligen Finger um –20 μm verschoben werden, geht die Kapazität gegen null. Weiterhin verläuft, wie im Diagramm von 1 zu sehen ist, die Kurve in einem Verschiebungsbereich, der +/–2,5 μm bis +/–10 μm umfasst, beinahe linear.
2 zeigt ein Schemadiagramm eines MEMS-Bauelements 10, beispielsweise eines Kammsensormikrofons. Das MEMS-Bauelement 10 kann eine bewegliche Membran 12 umfassen, die eine erste Mehrzahl von Fingern 14 umfasst, die an der Membran 12 angebracht sind und von einem Abschnitt eines Umfangs der Membran 12 nach außen vorstehen. Das MEMS-Bauelement 10 kann weiterhin einen Träger 16 umfassen, wobei die Membran 12 über eine nachgiebige Anbringung nachgiebig an dem Träger 16 angebracht sein kann. Weiterhin umfasst ist eine Gegenelektrodenanordnung 18 mit einer zweiten Mehrzahl von Fingern 20, die in einer beabstandeten, interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern 14 der Membran 12 angeordnet sind. Die Finger in der ersten Mehrzahl und/oder der zweiten Mehrzahl von Fingern können feste Finger sein. In 2 ist die Membran 12 in einer Ruheposition gezeigt, in der eine ungefähr maximale Überlappung von Oberflächen der Finger der ersten Mehrzahl von Fingern 14 und zweiten Mehrzahl von Fingern 20 etabliert wird. Die Oberflächen der Finger können im Wesentlichen orthogonal zu einer planaren Erstreckung der Membran 12 verlaufen.
Bezüglich der Anordnung des in 2 gezeigten MEMS-Bauelements 10 und wieder unter Bezugnahme auf das in 1 gezeigte Diagramm weist das MEMS-Bauelement 10 in der Ruheposition (d. h. Verschiebung gleich 0 μm) eine maximale Kapazität (d. h. 3,25 fF) pro Einheitszelle auf.
Die Verschiebung der Membran 12 in einer in 2 durch einen Pfeil A1 gezeigten Richtung (Aufwärtsrichtung) kann zu einer Abnahme der Kapazität pro Einheitszelle führen, wie im Diagramm von 1 durch einen mit A1' bezeichneten Pfeil angegeben. Eine Verschiebung der Membran 12 in einer in 2 mit einem mit A2 bezeichneten Pfeil angegebenen Richtung (Abwärtsrichtung) kann ebenfalls zu einer Abnahme der Kapazität pro Einheitszelle führen, wie durch einen im Diagramm von 1 mit A2' bezeichneten Pfeil angegeben. Wie im Diagramm von 1 zu sehen ist, führt diese Auf- und Abwärtsbewegung der Membran 12 dazu, dass die Kapazität pro Einheitszelle ständig in einem Kapazitätsbereich läuft, der eine nichtlineare Charakteristik zeigt. Mit anderen Worten könnte im Fall einer Überlappung von jeweiligen Fingern von 100% in der Ruheposition das MEMS-Bauelement 10 ein nichtlineares Signal mit Frequenzverdoppelung erzeugen. Dies ist für eine Funktionalität des MEMS-Bauelements, beispielsweise eines Kammsensormikrofons, möglicherweise nicht optimal, das möglicherweise eher einen großen Dynamikbereich mit linearem Betrieb benötigt.
3a zeigt ein MEMS-Bauelement 10, beispielsweise ein Kammsensormikrofon, in einer Draufsicht. 3b zeigt ein vergrößertes Gebiet des MEMS-Bauelements 10. 3c zeigt eine schematische Querschnittsansicht des vergrößerten Gebiets des Layouts des MEMS-Bauelements gemäß einem Beispiel. Die Membran 12 kann im Wesentlichen rechteckig geformt sein und vier Längsseiten umfassen. Die erste Mehrzahl von (fixierten) Fingern 14 der Membran 12 kann entlang Abschnitten jeder der Längsseiten der Membran 12 angeordnet sein, wobei sich die Finger 14 nach außen erstrecken. Die Gegenelektrodenanordnung 18 kann die zweite Mehrzahl von (fixierten) Fingern 20 umfassen, die in einer interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern 14 der Membran 12 angeordnet sind. In diesem Beispiel können Träger 16 an vier Ecken der Layoutanordnung angeordnet sein. Somit kann die Membran 12 an dem Träger 16 angebracht sein, während sie sich nachgiebig nach oben und unten bewegen kann (in die Zeichenebene hinein und aus dieser heraus).
3b zeigt ein vergrößertes Gebiet des MEMS-Bauelements 10, das ein Gebiet des Layouts darstellt, das in 3a von einem Block BL_A umgeben ist. Insbesondere zeigt 3b eine vergrößerte Ansicht, die einen der vier Träger 16 des MEMS-Bauelements 10 zeigt. Wie oben erwähnt, kann die Membran 12 durch eine nachgiebige Anbringung nachgiebig an den Träger angebracht sein. Weiterhin kann das MEMS-Bauelement 10 einen Auslenker wie etwa eine Stressschicht 22 umfassen, die konfiguriert ist, in der Ruheposition des MEMS-Bauelements 10 die Membran 12 derart auszulenken, dass die erste 14 und zweite 20 Mehrzahl von Fingern (siehe 2) in einer Position verschoben werden können, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der jeweiligen Finger ausschließt. Die durch den Auslenker verursachte Auslenkung der Membran erfolgt typischerweise mindestens in einer Richtung normal (d. h. orthogonal) zu einer Ebene der Membran. Mit anderen Worten kann die Auslenkung eine orthogonale Komponente umfassen. Die durch den Auslenker bewirkte Auslenkung der Membran kann auch als bezüglich der Ebene der Membran nicht parallel angesehen werden. Eine Auslenkung oder Verschiebung der Membran als Reaktion auf eine Aktion des Auslenkers entlang einer schrägen Richtung bezüglich der Ebene der Membran ist ebenfalls denkbar. Die Auslenkung der Membran kann eine neue Ruheposition definieren, die sich innerhalb eines der im Wesentlichen linearen Abschnitte der Kapazität-Verschiebungs-Charakteristik befindet. Beispielsweise kann bei dem in 3a gezeigten MEMS-Bauelement 10 in der neuen Ruheposition die Membran 12 durch den Auslenker in einer Richtung aus der Zeichenebene heraus angehoben werden. Ansonsten kann die Membran 12 durch den Auslenker derart niedergedrückt werden, dass sie in einer Richtung in die Zeichenebene hinein ausgelenkt wird. Das MEMS-Bauelement 10 kann weiterhin eine Fixierung 26 zum radialen Fixieren der nachgiebigen Anbringung der Membran 12 am Träger umfassen.
Im Vergleich zu dem oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen Fall kann diese Verschiebung der ersten 14 und zweiten 20 Mehrzahl von Fingern in der Ruheposition des MEMS-Bauelements 10 dazu führen, dass die Finger eine Kapazität pro Einheitszelle aufweisen, die eine maximale Kapazität ausschließt. Im Gegensatz zu dem oben unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen Fall kann die Kapazität in der Ruheposition des MEMS-Bauelements in einem Bereich sein, der eine lineare Charakteristik aufweist. Auf der Basis der oben definierten (verschobenen) Ruheposition der Membran 12 kann das Auf- und Abwärtsbewegen der Membran 12, wie oben bezüglich der 3a und 3b erwähnt, zu dem Effekt führen, dass die Kapazität als Reaktion auf diese Bewegung im Wesentlichen linear verändert wird.
3c zeigt eine schematische Querschnittsansicht des vergrößerten Gebiets des in 3b gezeigten Layouts des MEMS-Bauelements in Draufsicht. Die Stressschicht 22 kann auf einem Teil der Membran 12 angeordnet sein, der eine nachgiebige Anbringung 24 der Membran 12 umfasst. Weiterhin kann die Stressschicht 22 so angeordnet sein, dass sie mindestens einen Abschnitt des Trägers 16 überlappt. Die Stressschicht 22 kann direkt oder indirekt an der Membran 12 fixiert sein.
Die Stressschicht 22 kann aus einem Material bestehen, das im Vergleich zu dem Material der Membran 12 einen verschiedenen Eigenstress aufweist. Das Material der Stressschicht 22 kann aus dielektrischem Material ausgewählt werden. In der Halbleitertechnologie umfassen beispielhafte dielektrische Materialien Oxid, SiN, Si₃N₄, Si_xN_yO, Polyimid usw. Weiterhin kann die Stressschicht 22 aus einem halbleitenden oder leitenden Material wie etwa Poly-Si, Aluminium oder Kupfer ausgewählt werden.
Das Material der Membran 12 kann aus einem leitenden oder halbleitenden Material zum Verbinden der Membran 12 mit einer Sensorelektrode des MEMS-Bauelements ausgewählt werden. In der Halbleitertechnologie können beispielhafte leitende Materialien Monosilizium (Bulk oder SOI), Polysilizium oder Metalle wie Aluminium, AlSiCu usw. umfassen.
Die Stressschicht 22 und die Membran 12 können jeweils aus Materialien gewählt werden, die beim Bonden aneinander eine Kraft F in Relation zueinander erzeugt, die zu einem Zusammenziehen oder Ausdehnen der Stressschicht 22 in Relation zur Membran 12 führt. Dieses Phänomen kann als bimorpher Schichtstress bezeichnet werden. Die Stressschicht 22 kann bezüglich der Membran 12 eine darunterliegende oder eine darüberliegende Schicht sein. Alternativ können sowohl eine darunterliegende Stressschicht als auch eine darüberliegende Stressschicht vorgesehen werden, wobei dann die darüberliegende Stressschicht einem Zusammenziehen ausgesetzt sein kann und die darunterliegende Stressschicht einer Ausdehnung in Relation zur Membran 12 ausgesetzt sein kann oder umgekehrt.
Eine vorteilhafte Kombination von Materialien, die einen anderen Stressgrad umfassen, wenn sie aneinander gebondet werden, kann beispielsweise Polysilizium und Siliziumnitrid umfassen. Man beachte, dass Polysilizium bezüglich monokristallinem Silizium eine Zusammenzugs- oder Ausdehnungskraft von 100 MPa aufweisen kann, während Siliziumnitrid bezüglich monokristallinem Silizium eine Zusammenzugskraft von 1000 MPa für den Fall aufweisen kann, dass diese Materialien aneinander gebondet sind. Somit kann der hohe Eigenstress des Siliziumnitrids SiN bewirken, dass sich die nachgiebige Anbringung 24 der Membran 12 biegt. Falls diese Materialien (Polysilizium- und Siliziumnitrid) aneinander gebondet werden, kann sich die nachgiebige Anbringung 24 in einer Richtung zur Stressschicht 22 biegen. Mit anderen Worten, die Membran 12 kann in der schematischen Darstellung von 3c nach oben ausgelenkt werden.
Eine weitere vorteilhafte Kombination von Materialien, die einen unterschiedlichen Stressgrad umfassen, wenn sie aneinander gebondet werden, kann Polysilizium und Imid umfassen. Falls diese Materialien aneinander gebondet werden, kann sich die nachgiebige Anbringung 24 in einer Richtung zur Stressschicht 22 biegen. Somit kann auch die Membran 12 nach oben ausgelenkt werden.
Eine weitere vorteilhafte Kombination von Materialien, die einen unterschiedlichen Stressgrad umfassen, wenn sie aneinander gebondet werden, kann Polysilizium und Oxid umfassen. Falls diese Materialien aneinander gebondet werden, kann sich die nachgiebige Anbringung 24 in einer Richtung zum Polysilizium biegen. In diesem Fall kann die Membran 12 in der schematischen Darstellung von 3c nach unten ausgelenkt werden.
Man beachte, dass die Vorauslenkung der Membran 12 entweder nach oben oder unten eine von der jeweiligen Anwendung des MEMS-Bauelements 10 abhängige Designwahl ist.
Die Stressschicht 22 und die Membran 12 können derart angeordnet sein, dass das Zusammenziehen oder das Ausdehnen der Stressschicht 22 zur Auslenkung der Membran 12 führen kann. Bei dem in 3a gezeigten Beispiel kann die Stressschicht 22 in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Membran 12, d. h. parallel zur Zeichenebene, so konfiguriert sein, dass Ebenen der ersten 14 und zweiten 20 Mehrzahl von Fingern gegeneinander versetzt werden, indem eine Verschiebung oder Auslenkung der Membran 12 bewirkt wird.
Wieder unter Bezugnahme auf 3c ist die nachgiebige Anbringung 24 so gezeigt, dass sie einen Abschnitt der Membran 12 mit einer gewellten Konfiguration umfasst. Diese gewellte Konfiguration kann das Auslenken oder Verschieben der Membran 12 in einer Aufwärts- oder Abwärtsrichtung unterstützen. Während in 3c die nachgiebige Anbringung 24 so gezeigt ist, dass sie einen Abschnitt der Membran 12 mit einer gewellten Konfiguration umfasst, sind andere Konfigurationen denkbar, die das Auslenken der Membran 12 in einer Aufwärts- oder Abwärtsrichtung unterstützen. Wie aus 3b zu sehen ist, können die Wellungen der nachgiebigen Anbringung 24 eine Viertelkreisgestalt aufweisen. Es sind auch andere Formen denkbar, die ein Zusammenziehen oder Ausdehnen der nachgiebigen Anbringung 24 gestatten.
4 zeigt das Layout eines MEMS-Bauelements 10 in einer Draufsicht. Die 5a und 5b zeigen eine schematische Querschnittsansicht, die entlang der Linie A4-A4 in 4 geschnitten ist. Die 5a und 5b zeigen eine Lösung, die eine Verschiebung der Membran 12 zu einer neuen Ruheposition ermöglicht. Bei dieser Lösung kann die Verschiebung der Membran 12 durch den bimorphen Schichtstress und die gewellte Form mindestens eines Teils der Membran 12, d. h. nachgiebige Anbringungen 24_1, 24_2, erreicht werden.
Wie in 5a zu sehen ist, kann die Membran 12 durch Abscheiden von Material auf der Oberfläche eines vorgeformten Trägers 16 ausgebildet werden. Die Membran 12 kann aus einem Material bestehen, das Polysilizium umfasst. Dann können die Stressschichten 22_1, 22_2 an die Oberfläche der Membran 12 gebondet werden. Insbesondere können die Stressschichten 22_1, 22_2 auf beiden Stirnseiten der Membran 12 abgeschieden werden. Die Stressschichten 22_1, 22_2 können aus einem Material bestehen, das Siliziumnitrid umfasst. 5b zeigt die oben beschriebene Baugruppe, wobei Teile des Trägers 16 so entfernt werden können, dass Träger 16_1, 16_2 an Stirnseiten der Membran 12 verbleiben können. Man beachte, dass der Träger 16 (siehe 5a) als eine Opferschicht dienen kann, die geätzt wird, so dass die Träger 16_1, 16_2 an Stirnseiten der Membran 12 verbleiben können. Durch Entfernung von Teilen des Trägers 16 kann die Membran 12 freigegeben werden, so dass sie sich nach oben bewegt.
Nach dem Ätzen von Teilen des Trägers 16 kann die Membran 12 in einer Aufwärtsrichtung ausgelenkt werden. Der Grund dafür besteht darin, dass die Stressschichten 22_1, 22_2 aus einem Material, z. B. Siliziumnitrid, bestehen können, das im Vergleich zu dem Material, z. B. Polysilizium, der Membran 12 einen Eigenstress aufweist, wobei die Stressschichten 22_1, 22_2 an Positionen abgeschieden werden können, die mindestens Teile der verbleibenden Träger 16_1, 16_2 überlappen. Weiterhin kann die gewellte Form der nachgiebigen Anbringungen 24_1 bzw. 24_2 eine Ausdehnung der Membran 12 derart gestatten, dass die Membran 12 relativ leicht nach oben ausgelenkt werden kann. Die verschiedenen Eigenstresse, die durch Bonden des Materials der Stressschicht 22_1, 22_2 an das Material der Membran 12 gezeigt sind, können zu einem Zusammenziehen der Stressschichten 22_1, 22_2 in Relation zur Membran 12 führen, wobei das Zusammenziehen zu Biegemomenten an Stirnseiten der Membran 12 führen kann. Diese Biegemomente wiederum können zu im Wesentlichen nach oben gerichteten Kräften führen, wie in 5b schematisch durch die Pfeile F1, F2 gezeigt.
6a zeigt eine Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 10, die vergrößert einen Teil der die nachgiebige Anbringung 24 umfassenden Membran 12 darstellt. Die nachgiebige Anbringung 24 kann gewellt sein, um das Auslenken der Membran 12 zu gestatten. Weiterhin kann eine Stressschicht 22 enthalten sein, die an einer Oberfläche der Membran 12 gebondet sein kann. Wie oben erwähnt, können die Stressschicht 22 und die Membran 12 jeweils aus Materialien gewählt werden, die, wenn sie aneinander gebondet werden, eine Kraft in Relation zueinander erzeugen, die zu einem Zusammenziehen der Stressschicht 22 führt. Dieses Zusammenziehen kann zu einem Biegemoment führen, was eine Kraft erzeugt, die in Assoziation mit der gewellten Form der nachgiebigen Anbringung 24 die Membran 12 nachgiebig nach oben verschieben kann (z. B. in einer Richtung aus der Zeichenebene heraus).
6b ist eine schematische Ansicht entsprechend der in 6a gezeigten Ansicht, wobei 6b für die nachgiebige Anbringung 24 der Membran und der Stressschicht 22 gewählte Materialien darstellt. Bei diesem Beispiel kann die Membran aus Polysilizium bestehen, wohingegen die Stressschicht aus Siliziumnitrid SiN bestehen kann.
6c zeigt eine Kurve einer Simulation auf der Basis der Finite-Element-Methode (FEM). In dieser Kurve wird die Verschiebung der Membran in der Nähe der nachgiebigen Anbringung betont. Diese Simulation basiert auf einer Variante, die eine Ankerlänge von etwa 100 μm, eine Silziumnitridabdeckung von 46 μm und eine Anzahl von Wellungen N = 3 umfasst. Auf der Grundlage dieser Parameter erfährt die Membran einen Versatz von 4,5 μm.
7 zeigt ein Diagramm, auf dem eine Kurve aufgetragen ist, die die Kapazität einer Einheitszelle eines MEMS-Bauelements über der Verschiebung von jeweiligen Fingern des MEMS-Bauelements aufträgt, die zueinander bewegt werden können. Dieses Diagramm entspricht dem in 1 dargestellten Diagramm.
Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Diagramm jedoch ist der Arbeitspunkt OP des MEMS-Bauelements im Wesentlichen in einem Arbeitsbereich OR zentriert positioniert, der eine lineare Charakteristik zeigt. Man beachte, dass der Arbeitspunkt OP eine Verschiebung von jeweiligen Fingern in einer Ruheposition darstellen kann und Informationen über einen resultierenden Kapazitätswert angeben kann.
Unter Bezugnahme auf das in 7 gezeigte Diagramm wird angenommen, dass das MEMS-Bauelement als ein Kammsensormikrofon konfiguriert sein kann (siehe 2). Es wird weiter angenommen, dass die an der beweglichen Membran angebrachte Mehrzahl von Fingern und die an der Gegenelektrodenanordnung angebrachte Mehrzahl von Fingern in der Ruheposition um etwa 5 μm gegeneinander verschoben werden können. Die Kapazität pro Einheitszelle beträgt etwa 2 fF.
Unter dieser Annahme kann eine Bewegung der Membran, die beispielsweise durch Lautheit induzierte Druckvariationen verursacht wird, zu einer Verschiebung des Arbeitspunkts in einem Bereich zwischen 2 μm bis 9 μm führen. Somit kann der Kapazitätswert in einem Bereich zwischen etwa 3 fF und etwa 0,9 fF variieren. Innerhalb dieses Arbeitsbereichs kann angenommen werden, dass der maximale Schalldruck bei einer Membrannachgiebigkeit Cm = 22 nm/Pa gleich etwa 200 Pa sein kann (äquivalent einem Schalldruckpegel = 140 dBSPL).
Im Vergleich zu dem in 1 gezeigten Diagramm kann der in dem in 7 gezeigten Diagramm dargestellte Arbeitspunkt bezüglich eines relativ großen Dynamikbereichs mit linearem Betrieb zentriert sein.
Man beachte, dass die in den Diagrammen der 1 und 7 angegebenen Kapazitätswerte für einen Einplattenkondensator stehen, als Einheitszelle UC bezeichnet, der zwischen zwei Oberflächen von zwei zueinander beweglichen Fingern hergestellt ist. 8a zeigt diese Anordnung ausführlicher. Insbesondere zeigt 8a eine Draufsicht auf einen Abschnitt von interdigitierten ersten und zweiten Fingern. Bei dieser Anordnung ist ein erster Finger 14_1 der ersten Mehrzahl von fixierten, an der Membran 12 angebrachten Fingern in einer beabstandeten, interdigitierten Beziehung zwischen zwei zweiten Fingern 20_1, 20_2 der zweiten Mehrzahl von fixierten, an der Gegenelektrodenenordnung 18 angebrachten Fingern (siehe 2) geschichtet. Die Abstände g zwischen den jeweiligen Fingern sind alle etwa gleich. Weiterhin kann sich der erste Finger 14_1 über eine Linie erstrecken, die parallel zu den Ausdehnungen der zweiten Finger 20_1 und 20_2 verläuft und dazu zentriert ist. Weiterhin können die Dicken d jedes der ersten und zweiten Finger 14_1, 20_1 und 20_2 alle etwa gleich sein. In dieser Anordnung können die ersten Finger 14_1 in Relation zu den zweiten Fingern 20_1, 20_2 in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene beweglich sein.
8b zeigt die in 8a dargestellte Anordnung in einer Querschnittsansicht. Diese Figur zeigt die Membran 12 in einer Ruheposition, derart in einer Aufwärtsrichtung ausgelenkt, dass der an der Membran 12 angebrachte erste Finger 14_1 in einer Position verschoben ist, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der Finger 14_1 und 20_2 ausschließt. Auf der Basis dieser Verschiebung ist der Arbeitspunkt OP der Kapazität pro Einheitszelle zu einem Dynamikbereich zentriert, der eine im Wesentlichen lineare Charakteristik zeigt (siehe 7).
Beispielsweise kann das Ausmaß der Verschiebung etwa die Hälfte der Höhe H der Finger 14_1, 20_2 (Halbüberlappung) unter der Annahme betragen, dass die Höhen H der Finger alle gleich sind. Bei diesem Beispiel kann der Auslenker konfiguriert sein, eine überlappende Fläche der ersten und zweiten Mehrzahl von Fingern innerhalb einer Überlappung von 50% einzustellen. Bevorzugt kann die überlappende Fläche/Höhe der ersten und zweiten Mehrzahl von Fingern so gewählt werden, in einem Bereich von 40% bis 60% der Fläche/Höhe eines Fingers versetzt zu sein.
Die 9a und 9b zeigen ein Beispiel zum Herstellen eines MEMS-Bauelements 10 in einer schematischen Querschnittsansicht, entlang einer Linie A10-A10 von 10 geschnitten. Der linke Abschnitt der Querschnittsansichten in 9a und 9b zeigt das Kammsensormikrofon, das die interdigitierten Finger 14 und 20 umfasst. Der rechte Abschnitt der Querschnittsansichten zeigt die nachgiebigen Anbringungen mit der Stressschicht 22. Die Oberfläche eines Trägers 16, beispielsweise einer Opferschicht, kann derart ausgeführt werden, dass das die Membran 12 bildende Material auf dieser Oberfläche in einer Ebene abgeschieden werden kann. Das Material der Membran 12 kann unter Polysilizium ausgewählt werden. Weiterhin kann das die Gegenelektrodenanordnung 18 bildende Material auf der Oberfläche des Trägers 16 abgeschieden werden. Sowohl die Membran 12 als auch die Gegenelektrodenanordnung 18 werden so ausgebildet, dass sie jeweilige Finger 14 bzw. 20, die integral angebracht sind, umfassen. Außerdem kann die Stressschicht 22 auf der Oberfläche der Membran 12 an einer Position gegenüber den jeweiligen Fingern 14, 20 abgeschieden werden.
9b zeigt die in 9a gezeigte Anordnung nach dem Entfernen von Teilen des Trägers 16 mit Ausnahme eines Teils (Träger 16_1), der verwendet wird, um die Gegenelektrodenanordnung 18 zu tragen, und eines Teils (Träger 16_2), der zum Tragen der Membran 12 an einem Ort gegenüber jeweiligen Fingern 14, 20 verwendet wird. Nach dem Entfernen von Teilen des Trägers 16 durch Ätzen kann die Membran 12 freigegeben werden, sich nach oben auszulenken. Die bimorphe Natur der Siliziumnitridschicht der Stressschicht 22 und der Polysiliziumschicht der Membran 12 können bewirken, dass sich die Schichten 12, 22 von der Polysiliziumschicht zur Siliziumnitridschicht zusammenziehen. Dieses Zusammenziehen kann zu einer durch einen Pfeil F angezeigten Kraft führen, wobei die Kraft F bewirken kann, dass sich die Membran 12 nach oben bewegt, während sie freigegeben wird. Dadurch kann auf der Membranseite dieser Anordnung ein erster Finger der ersten Mehrzahl von fixierten Fingern 14, die an der Membran 12 angebracht sind, in Relation zu einem zweiten Finger der zweiten Mehrzahl von fixierten Fingern 20, die an der Gegenelektrodenanordnung 18 angebracht sind, nach oben ausgelenkt werden. Mit anderen Worten können die Finger 14 und 20 in der Ruheposition des MEMS-Bauelements 10 in einer Position ausgelenkt werden, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der Finger 14, 20 ausschließt. Deshalb variiert die Kapazität einer durch jene Finger 14, 20 ausgebildeten Einheitszelle in einem Bereich mit linearer Charakteristik (siehe 7).
10 zeigt das Layout eines MEMS-Bauelements 10, beispielsweise eines Kammsensormikrofons, in einer Draufsicht auf der Basis der schematisch in 9a und 9b gezeigten Anordnung. Bei diesem Beispiel kann die Membran 12 an dem Träger in einer Position angebracht sein, die eine der Längsseiten des MEMS-Bauelements 10 umfasst (in diesem Beispiel auf der rechten Seite des MEMS-Bauelements 10). Die interdigitierten Finger können an der gegenüberliegenden Längsseite angeordnet sein (in diesem Beispiel auf der linken Seite des MEMS-Bauelements 10). Die Stressschicht 22 kann auf der rechten Seite der Membran 12 angeordnet sein, wo die Membran 12 an dem Träger angebracht sein kann.
Die 11a und 11b zeigen ein weiteres Beispiel zum Herstellen eines MEMS-Bauelements 10 in einer schematischen Ansicht. In dieser Ansicht kann die Membran 12 durch Eckgebiete des MEMS-Bauelements 10 über nachgiebige Anbringungen 24_1, 24_2 getragen sein. Die nachgiebigen Anbringungen 24_1, 24_2 können eine gewellte Form aufweisen. 11a zeigt das Material der Membran 12, das auf der Oberfläche des Trägers 16 in einer Ebene abgeschieden ist. Weiterhin können an beiden Stirnseiten der Membran 12 Stressschichten 22_1, 22_2 jeweils an die Oberfläche der Membran 12 gebondet sein. Die Anordnung der Stressschicht 22_1, 22_2 kann relativ zur Membran 12 als eine darüberliegende Stressschicht angesehen werden. Als Alternative kann auch eine darunterliegende Stressschicht möglich sein. Als weitere Alternative können auch sowohl eine darüberliegende Stressschicht als auch eine darunterliegende Stressschicht möglich sein.
11b zeigt die in 11a dargestellte Anordnung mit entfernten Teilen des Trägers, beispielsweise durch Opferätzen, ohne Träger 16_1, 16_2 (Eckgebiete des MEMS-Bauelements 10), die zum Tragen der Membran 12 verwendet werden. Wenn Teile des Trägers 16 entfernt sind, kann die Membran 12 freigegeben werden, und sie kann sich somit nach oben bewegen. Die bimorphe Natur der Siliziumnitridschicht und der Polysiliziumschicht kann bewirken, dass sich die Schichten von der Polysiliziumschicht zur Siliziumnitridschicht zusammenziehen, wobei das Zusammenziehen zu Biegemomenten an beiden Stirnseiten der Membran 12 führen kann. Aufgrund der Biegemomente können Kräfte F derart auf die Membran 12 einwirken, dass sich die Membran in einer Aufwärtsrichtung bewegen kann. Diese Aufwärtsbewegung kann von einer Ausdehnung der nachgiebigen Anbringungen 24_1, 24_2 der Membran 12 gefolgt oder begleitet sein, wobei die Ausdehnung aufgrund der gewellten Form der nachgiebigen Anbringungen 24_1, 24_2 erleichtert werden kann.
Die 12a und 12b zeigen das Layout eines MEMS-Bauelements 10, beispielsweise ein Kammsensormikrofonlayout, das unter Verwendung der oben beschriebenen und in 11a und 11b gezeigten Konfiguration hergestellt wurde.
Bei diesem Beispiel kann jede der Längsseiten der rechteckigen Membran 12 einen Abschnitt der ersten Mehrzahl von (fixierten) Fingern umfassen. Weiterhin kann jede der Längsseiten der rechteckigen Gegenelektrodenanordnung einen Abschnitt der zweiten Mehrzahl von (fixierten) Fingern umfassen, die in einer beabstandeten, interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von an der Membran 12 angebrachten Fingern angeordnet sind. Bei diesem Beispiel kann die Membran 12 an jeder der Ecken des MEMS-Bauelements 10 getragen sein.
12b zeigt die Umgebung einer der Ecken dieses Layouts in einer vergrößerten Ansicht (siehe Block BL_B von 12a). Wie zu sehen ist, kann sich die nachgiebige Anbringung 24_2 über einen Teil einer Anordnung erstrecken, der schematisch in den 11a und 11b gezeigt ist. Im Gegensatz zu dem in 10 gezeigten Layout kann jede der vier Längsseiten des MEMS-Bauelements 10 mit jeweiligen Fingern ausgestattet sein, die Kondensatorzellen bilden. Im Vergleich zu dem in 10 gezeigten beispielhaften Layout kann somit das in 12a und 12b gezeigte Layout einen größeren Kapazitätsbereich gestatten. Die maximale Kapazität des in 12a gezeigten Layouts kann etwa das Vierfache der maximalen Kapazität des in 10 gezeigten Layouts betragen.
Die 13a und 13b zeigen eine beispielhafte Anordnung ähnlich der in 11a und 11b gezeigten Anordnung. Die in 13a und 13b gezeigte Anordnung differiert dadurch von der letzteren Anordnung, dass die nachgiebigen Anbringungen 24_1, 24_2 so orientiert sein können, dass sie einen rechteckigen Winkel zueinander bilden.
Die 14a und 14b zeigen das Layout eines MEMS-Bauelements 10, beispielsweise ein Kammsensormikrofonlayout, das unter Verwendung der oben beschriebenen und in 13a und 13b gezeigten Konfiguration hergestellt wurde.
Wie am Besten in 14b zu sehen ist, kann eine erste Erstreckung A der nachgiebigen Anbringung 24_2 durch ein erstes Gebiet einer Ecke des MEMS-Bauelements 10 getragen werden, wohingegen eine zweite Erstreckung B der nachgiebigen Anbringung 24_1 durch ein zweites Gebiet dieser Ecke des MEMS-Bauelements 10 getragen werden kann, wohingegen sowohl das erste als auch zweite Gebiet dieser Ecke des MEMS-Bauelements 10 beieinander positioniert sind. Weiterhin können beide Erstreckungen A und B derart zueinander angeordnet sein, dass sie einen rechteckigen Winkel mit dem auf der Membran 12 positionierten Kreuzungspunkt bilden. Diese Anordnung kann von der in 12a und 12b gezeigten Anordnung verschieden sein, bei welcher Anordnung die nachgiebigen Anbringungen diametral gegenüber angeordnet sein können.
Die 15a und 15b zeigen in einer Teilansicht ein Beispiel des MEMS-Bauelements 10 sowohl in einer Querschnittsansicht als auch in einer Draufsicht. Bei diesem Beispiel kann die Stressschicht 22 auf die Oberfläche der Membran 12 in einem Gebiet gebondet sein, das mindestens einen Abschnitt des Trägers 16 überlappt. Weiterhin kann bei diesem Beispiel die nachgiebige Anbringung 24 der Membran 12 einen Abschnitt mit einer Mäanderkonfiguration umfassen. Diese Mäanderkonfiguration kann verbesserte nachgiebige Charakteristika bereitstellen.
Die 16a bis 16d zeigen alternative Ankersituationen mit bimorphem Charakter jeweils in einer Querschnittsansicht. In diesen Figuren kann die Stressschicht 22 an die Oberfläche der Membran 12 in einer Position gebondet sein, die mindestens einen Abschnitt des Trägers 16 überlappt. In 16a entfällt das Bonden einer Stressschicht an weitere Abschnitte der Membran 12.
Auf der Basis der oben erwähnten und wie in 16b gezeigten Anordnung sind untere Abschnitte der gewellten Form der nachgiebigen Anbringung 24 mit Stressschichten 22_1 bis 22_4 versehen. Auf der Basis der oben erwähnten und wie in 16c gezeigten Anordnung sind obere Abschnitte der gewellten Form der nachgiebigen Anbringung 24 mit Stressschichten 22_1 bis 22_3 versehen. Auf der Basis der oben erwähnten und wie in 16d gezeigten Anordnung sind sowohl obere als auch untere Abschnitte der gewellten Form der nachgiebigen Anbringung 24 mit Stressschichten 22_1 bis 22_7 versehen.
Die 17a bis 17c zeigen Anordnungen, die dadurch von den in 16a bis 16d gezeigten Anordnungen differieren, dass das Bonden der Stressschicht auf die Oberfläche der Membran 12, so dass sie mindestens einen Abschnitt des Trägers 16 überlappt, entfallen kann. Auf der Basis dieser Anordnung und wie in 17a gezeigt, können untere Abschnitte der gewellten Form der nachgiebigen Anbringung 24 mit Stressschichten 22_1 bis 22_4 versehen sein.
Auf der Basis der oben erwähnten und wie in 17b gezeigten Anordnung können obere Abschnitte der gewellten Form der nachgiebigen Anbringung 24 mit Stressschichten 22_1 bis 22_3 versehen sein. 17c zeigt eine Anordnung, die die in 17a und 17b gezeigten Anordnungen kombiniert. Mit anderen Worten können sowohl untere als obere Abschnitte der gewellten Form der nachgiebigen Anbringung 24 mit Stressschichten 22_1 bis 22_7 versehen sein.
Die in 16a bis 17c gezeigten verschiedenen Anordnungen können verwendet werden, um verschiedene Anforderungen des MEMS-Bauelements 10 zu bewältigen.
Wenngleich einige Aspekte im Kontext eines Bauelements beschrieben worden sind, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder ein Bauelement einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entspricht. Analog stellen im Kontext eines Verfahrensschritts beschriebene Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals eines entsprechenden Bauelements dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen veranschaulichen lediglich die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und der hierin beschriebenen Details für andere Fachleute offensichtlich sind. Die Beschränkung soll deshalb nur durch den Schutzbereich der bevorstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details erfolgen, die anhand einer Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsformen hierin präsentiert werden.

Claims

MEMS-Bauelement, das Folgendes umfasst: eine Membran, die eine erste Mehrzahl von Fingern umfasst; eine Gegenelektrodenanordnung, die eine zweite Mehrzahl von Fingern umfasst, die in einer interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern angeordnet sind; und einen Auslenker, der konfiguriert ist, die Membran so auszulenken, dass die erste und zweite Mehrzahl von Fingern in einer Position verschoben werden, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der Finger ausschließt.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 1, wobei der Auslenker eine Stressschicht umfasst, die an einer Oberfläche der Membran gebondet ist, wobei die Stressschicht aus einem Material besteht, das im Vergleich zum Material der Membran einen anderen Eigenstress aufweist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 2, wobei die Stressschicht und die Membran jeweils aus Materialien gewählt sind, die beim Bonden aneinander eine Kraft in Relation zueinander erzeugen, die zu einem Zusammenziehen oder Ausdehnen der Stressschicht führt.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 3, wobei die Materialien der Stressschicht bzw. der Membran derart gewählt sind, dass das Zusammenziehen oder Ausdehnen der Stressschicht zu einer Auslenkung der Membran führen.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Material der Membran Polysilizium umfasst und das Material der Stressschicht Siliziumnitrid umfasst.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Auslenker in einer Ebene parallel zur Oberfläche der Membran konfiguriert ist, Ebenen der ersten bzw. zweiten Mehrzahl von Fingern zu versetzen.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Auslenker konfiguriert ist, die überlappende Fläche der ersten und zweiten Mehrzahl von Fingern innerhalb eines Bereichs von 40% bis 60% zu versetzen.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, weiterhin umfassend einen Träger, wobei die Membran durch eine nachgiebige Anbringung nachgiebig an dem Träger angebracht ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 8, wobei der Auslenker in einer Position angeordnet ist, die mindestens einen Abschnitt des Trägers überlappt.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die nachgiebige Anbringung einen Abschnitt der Membran mit einer Mäanderkonfiguration umfasst.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die nachgiebige Anbringung einen Abschnitt der Membran mit einer gewellten Konfiguration umfasst.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 11, wobei der Auslenker eine Stressschicht umfasst, die an einer Oberfläche der Membran gebondet ist, und die Stressschicht aus einem Material besteht, das im Vergleich zum Material der Membran einen anderen Eigenstress aufweist, wobei die Stressschicht an Abschnitte der gewellten Membran gebondet ist, die sich in einer Ebene zur Ebene der Membran befindet.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Membran in einer im Wesentlichen rechteckigen Form konfiguriert ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 13, wobei die Membran nachgiebig an dem Träger in einer Position angebracht ist, die mindestens eine Längsseite der Membran umfasst.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 14, wobei die erste Mehrzahl von Fingern an den Umfang der Membran gegenüber der Anbringungsposition angebracht ist.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Membran nachgiebig an dem Träger in einer Position angebracht ist, die Abschnitte jeder Längsseite der Membran umfasst.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 16, wobei die erste Mehrzahl von Fingern am Umfang der Membran angebracht ist, Abschnitte jeder der Längsseiten der Membran umfassend.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die Membran nachgiebig am Träger an Positionen angebracht ist, die die Ecken der Membran umfassen.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 18, wobei die nachgiebige Anbringung einen Abschnitt der Membran mit einer gewellten Konfiguration umfasst, die sich mindestens teilweise in einer Richtung erstreckt, die gegenüberliegende Ecken verbindet.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 19, wobei die erste Mehrzahl von Fingern am Umfang der Membran angebracht ist, jede Längsseite der Membran umfassend.
MEMS-Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das MEMS-Bauelement konfiguriert ist, als Reaktion auf eine Relativbewegung der Membran und der Gegenelektrodenanordnung ein Ausgangssignal zu erzeugen.
MEMS-Bauelement, das Folgendes umfasst: eine Membran, die eine erste Mehrzahl von Fingern umfasst; eine Gegenelektrodenanordnung, die eine zweite Mehrzahl von Fingern umfasst, die in einer interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern angeordnet sind; eine Stressschicht, die an der Membran fixiert ist, wobei die Stressschicht ein Material umfasst, das im Vergleich zu einem Material der Membran einen anderen Eigenstress aufweist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 22, wobei das Material der Membran Polysilizium umfasst und das Material der Stressschicht Siliziumnitrid umfasst.
Elektrostatischer Wandler, der Folgendes umfasst: eine Membran, die eine erste Mehrzahl von Fingern umfasst; eine Gegenelektrodenanordnung, die eine zweite Mehrzahl von Fingern umfasst, die in einer interdigitierten Beziehung mit der ersten Mehrzahl von Fingern angeordnet sind; und einen Auslenker, der konfiguriert ist, die Membran so auszulenken, dass die erste und zweite Mehrzahl von Fingern in einer Position verschoben werden, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der Finger ausschließt.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelements mit einer Membran und einer Gegenelektrodenanordnung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Abscheiden einer Membranschicht auf einer Oberfläche; Strukturieren der Membranschicht, um einen interdigitierten Kammantrieb auszubilden, der eine erste und zweite Mehrzahl von interdigitierten Fingern umfasst, die an der Membran bzw. der Gegenelektrodenanordnung angebracht sind; Bereitstellen eines Auslenkers, der an einem Abschnitt der Membranschicht fixiert ist; und Durchführen einer Trennätzung, die bewirkt, dass der Auslenker die Membran auslenkt und die erste und zweite Mehrzahl von interdigitierten Fingern in einer Position verschiebt, die eine maximale Überlappung von Oberflächen der Finger ausschließt.