DE102019203914B3

DE102019203914B3 - MEMS mit großer fluidisch wirksamer Oberfläche

Info

Publication number: DE102019203914B3
Application number: DE102019203914.6A
Authority: DE
Inventors: Sergiu Langa; Holger Conrad; Bert Kaiser
Original assignee: Btu Cottbus Senftenberg; Btu Cottbus-Senftenberg; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Btu Cottbus Senftenberg; Btu Cottbus-Senftenberg; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: JP2022525960A; JP7331125B2; WO2020193288A1; CN113614022A; TWI785318B; US20220002143A1; KR20210139414A; TW202104065A

Abstract

Ein MEMS umfasst ein Substrat, dass eine Kavität aufweist. Das MEMS umfasst eine in der Kavität angeordnete bewegliche Schichtanordnung umfassend eine erste Balken, eine zweite Balken und eine zwischen der ersten Balken und zweiten Balken angeordnete und von denselben an diskreten Bereichen elektrisch isoliert fixierte dritte Balken. Die bewegliche Schichtanordnung ist ausgebildet, um ansprechend auf ein elektrisches Potenzial zwischen der ersten Balken und der dritten Balken oder um ansprechend auf ein elektrisches Potenzial zwischen der zweiten Balken und der dritten Balken eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung in einer Substratebene auszuführen. Die erste, zweite und dritte Balken sind Teil einer ersten Schicht der beweglichen Schichtanordnung. Die bewegliche Schichtanordnung weist eine zweite Schicht auf, die entlang einer Richtung senkrecht zu der Substratebene benachbart zu der ersten Schicht angeordnet ist. Die zweite Schicht ist entlang der Bewegungsrichtung beweglich angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikroelektromechanisches System (MEMS), das ausgestaltet ist, um eine große wirksame Fläche zur Interaktion mit einem Fluid aufzuweisen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf NED (Nanoscopic Electrostatic Drive, nanoskopischer elektrostatischer Antrieb), mit einer Vergrößerung der Querfläche durch Stapelung und/oder der Anordnung einer Heckstruktur oder Widerstandstruktur.
Das Prinzip der NED (Nanoscopic Electrostatic Drive, nanoskopischer elektrostatischer Antrieb) ist in WO 2012/095185 A1 beschrieben. NED ist ein neuartiges MEMS (mikro elektromechanisches System) Aktuator-Prinzip. Aus technologischer Sicht gibt es grundsätzlich zwei Grundarten von NED Aktuatoren. Vertikale NED (V-NED) und laterale NED (L-NED). Bei V-NED bewegt sich das Objekt, z. B. ein Silizium (Si Balken) vertikal, d. h. aus der Substratebene heraus, beispielsweise definiert durch eine Si-Scheibe oder Wafer. Bei L-NED bewegt sich das Objekt, etwa ein Si-Balken, lateral, d. h., in der Ebene, beispielsweise eine Si-Scheibe.
Bei dem NED Spalt kann die Situation so beschrieben werden, dass je kleiner der Elektrodenspalt ist, desto größer sind die elektrischen Kräfte, die wirken und entsprechend größer ist die gewünschte Auslenkung des Balkens. D. h., sehr kleine Spaltabstände (z. B. im Nanometer-Bereich) sind fast immer erwünscht.
Solche kleinen Abstände zwischen den Elektroden sind technologisch nicht immer einfach herzustellen. Bei der Herstellung des Spalts in Silizium werden normalerweise Methoden für tiefes Silizium-ätzend (Deep Silicon Etching, DSi) verwendet. Eine sehr verbreitete Methode für DSi ist die sogenannte Bosch-Methode. Mit der Bosch-Methode können auch sehr kleine Spaltabstände geätzt werden, allerdings nur, wenn das Aspektverhältnis, d. h., der Quotient zwischen Tiefe und Breite eines Grabens, nicht viel größer als 30 ist.
D. h., wenn ein Spaltabstand von 300 nm notwendig ist, kann die Bosch-Methode mit einer vernünftigen Qualität nur ungefähr 10 µm tief ätzen. Die Tiefe von nur 10 µm ist für viele L-NED Anwendungen nicht ausreichend. Wenn Tiefen von z. B. 100 µm notwendig sind, kann dies dazu führen, dass die Breite des Grabens auch zehnmal größer gemacht werden muss, d. h., in etwa 3 µm breit.
11a zeigt eine schematische Querschnittsansicht bzw. einen Querschnitt durch ein bekanntes, als L-NED ausgebildetes MEMS 1000. Das MEMS 1000 kann eine Substratschicht 1002 aufweisen, beispielsweise ein Handle-Wafer eines BSOI (Bonded Silicon On Insulator, verbundener Silizium auf Isolator) Wafers. Darauf gestapelt ist ein Device-Layer (Vorrichtungsschicht) des BSOI Wafers, wobei die Schichten 1002 und 1004 über eine Oxidschicht, ein buried oxide (BOX, vergrabenes Oxid) des BSOI Wafers verbunden sind. Äußere Elektroden 1008a und 1008b, die aus der Schicht 1004 gebildet sind, sind so angeordnet, dass eine innere Elektrode 1008c aus der Schicht 1004 zwischen den äußeren Elektroden 1008a und 1008b angeordnet ist, wobei NED Spalte 1012 1 und 1012 2 zwischen den Elektroden angeordnet sind, die beispielsweise über das erwähnte DSi-Verfahren erhalten werden können. Äußere Gräben 1014₁ und 1014₂ zwischen den äußeren Elektroden 1008a bzw. 1008b und dem als äußeren Substrat verbleibenden Material der Schicht 1004 können den beweglichen Balken, der durch die Elektroden gebildet wird, definieren und können beispielsweise ebenfalls durch DSi gebildet werden. Eine Höhe 1016 des L-NED Aktuators kann sich dabei auf eine Ausdehnung des beweglichen Elements, ggf. unter Hinzunahme eines Spalts zwischen den Elektroden 1008a, 1008b und/oder 1008c und der Schicht 1002 beziehen und senkrecht zu einer Substratebene, beispielsweise, definiert durch eine Hauptausbreitungsrichtung der Schicht 1002, beziehen.
11b zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS 1000. Die Elektroden 1008a und 1008c sowie 1008b und 1008c können jeweils über eine an diskreten Bereichen angeordnete Isolationsschicht 1022 miteinander mechanisch fest verbunden sein. Das durch die beweglichen Elektroden 1008a, 1008b und 1008c gebildete bewegliche Element kann entlang der lateralen, in-plane (in der Ebene) angeordnete Bewegungsrichtung 1024 beweglich sein.
Die laterale Bewegung des L-NED Aktuators kann zu einer Bewegung des Mediums (z. B. Luft oder Flüssigkeit), in dem der Aktuator sich bewegt, führen. Diese Bewegung des Mediums kann man ausnutzen und auf der Basis von L-NED Aktuatoren (Mikro-) Lautsprecher oder (Mikro-) Pumpen herstellen. Die Lautstärke eines Lautsprechers oder die Leistung einer Pumpe ist von der Größe des bewegten Volumens (Luft bzw. Flüssigkeit) abhängig. Im Falle eines L-NED Aktuators ist das bewegte Volumen durch die Größe der Auslenkung, d. h. die Amplitude entlang der Bewegungsrichtung 1024, und die Höhe 1016 des L-NED Aktuators bestimmt. Es ist deshalb wünschenswert, MEMS Lautsprecher und/oder MEMS Pumpen herzustellen, bei denen der L-NED Aktuator hoch ist und eine große Auslenkung aufweist.
Wie oben erläutert, gelten für L-NED Aktuatoren folgende generelle Aussagen:

• je kleiner der Spalt des L-NED Aktuators, desto größer die Auslenkung;
• je kleiner der Spalt des L-NED Aktuators, desto kleiner die Höhe des Aktuators, aufgrund des limitierten Aspektverhältnisses bei der Herstellung (Bosch-Methode).

D. h., wegen des Herstellungsprozesses ist es sehr schwierig, gleichzeitig einen kleinen Spalt (große Auslenkung) und eine große Höhe des Balkens zu erreichen.
Das Prinzip von Mikrolautsprecher oder Mikropumpe auf der Basis von L-NED wird in DE 10 2015 210 919 A1 beschrieben.
12 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines hieraus bekannten MEMS 2000, die im groben der Seitenschnittansicht des MEMS 1000 entspricht, wobei die Schicht 1002 zusätzlich eine Öffnung 1026 aufweisen kann, um einen Volumenstrom zwischen einer Kavität 1028, in welcher sich die Elektroden 1008a, 1008b und 1008c bewegen, und einer äußeren Umgebung des MEMS 2000 zu ermöglichen. Darüber hinaus ist mittels einer weiteren Isolatorschicht 1006₂ eine weitere Substratschicht 1032 angeordnet, die beispielsweise einen Deckel des MEMS 2000 bilden kann und ebenfalls eine Öffnung 1034 aufweist, die beispielsweise als eine Einlassöffnung für die Kavität 1028 dienen kann, wenn die Öffnung 1026 als akustischer oder fluidischer Auslass dient. Abstände 1036₁ zwischen der Schicht 1002 und den Elektroden 1008a, 1008b und/oder 1008c und/oder ein Abstand 1036₂ zwischen den Elektroden und dem Deckel-Wafer 1032 können normalerweise Werte von in etwa 1 µm aufweisen (bestimmt durch die thermische Oxidation von Si: 10nm -10 µm).
Das Hauptprinzip gemäß der 12 ist ein L-NED Aktuator, hergestellt auf einem BSOI Wafer, auch Device-Wafer genannt, wie es im Zusammenhang mit 11a und 11b beschrieben ist, mit einem Deckel-Wafer 1032 zu versehen. Device-Wafer und Deckel-Wafer können mittels einem Bondverfahren zusammen verbunden (gebondet) werden. Für die akustischen Signale bzw. Fluidik sind Einlässe und Auslässe 1026 und 1034 vorgesehen.
Der L-NED Balken kann sich lateral bewegen und auf diese Weise einen akustischen Effekt bzw. einen Pumpeffekt generieren. Der akustische Effekt und der Pumpeffekt wird effektiver, wenn das Verhältnis zwischen L-NED Höhe und L-NED Spalt groß ist, es gilt, je größer desto besser. Das Verhältnis zwischen L-NED Höhe 1016 und L-NED Spalt 1012 beträgt in etwa 30. Diese Begrenzung rührt von dem Herstellungsprozess in der Si-Technologie her.
Darüber hinaus ist der L-NED Balken gemäß 12 durch den vertikalen pull-in Effekt (Pull-in = mechanischer und/oder elektrischer Kontakt zwischen L-NED Balken und Deckel-Wafer oder Handle-Wafer, etwa durch elektrostatische Kräfte) limitiert. D. h., wenn auf eine der L-NED-Elektroden 1008a, 1008b oder 1008c eine Spannung angelegt wird und die Schicht 1002 und/oder 1032 auf Masse sind, dann entsteht eine elektrische vertikale Kraft, die den L-NED Balken nach unten oder oben zieht. Weil die Abstände 1036₁ und 1036₂ zwischen L-NED Balken und Deckel-Wafer 1032 oder Handle-Wafer 1002 relativ klein sind (im Bereich 1 bis 2 µm), kann die Bewegung des L-NED Balkens nach unten (vertikal, z-Richtung) zu einem Pull-In Effekt führen Der vertikale Pull-In ist aus zwei Gründen nicht erwünscht:

• mechanisch: einen mechanischen Kontakt im Betrieb zwischen L-NED Balken und Deckel-Wafer oder Handle-Wafer kann zu der mechanischen Zerstörung des Bauelements führen. Darüber hinaus kann die als sehr hoch angestrebte Bewegungstreue (erwarteter systematischer Zusammenhang zw. Eingangs- und Ausgangssignal) eingeschränkt werden, sodass sich Verzerrungen, Reibverluste und Nichtlinearitäten ergeben;
• elektrisch: einen elektrischen Kontakt im Betrieb zwischen L-NED Balken und Deckel-Wafer oder Handle-Wafer kann zu einer elektrischen Zerstörung des Bauelements führen (Kurzschluss)

In DE 10 2017 203 722 A1 ist beschrieben, dass große Aspektverhältnisse durch ein nachträgliches Verschieben der Elektroden zueinander erreicht werden kann. Das nachträgliche Verschieben der Elektroden ist ein weiterer Prozess, der nur schwer beherrschbar ist und damit fehleranfällig ist.
In DE 10 2017 206 766 A1 ist ein MEMS-Wandler zum Interagieren mit einem Volumenstrom eines Fluids beschrieben, der MEMS-Wandler umfasst ein Substrat, das einen Schichtstapel mit mehreren Schichten aufweist.
Wünschenswert wären demnach MEMS mit in-plane beweglichen Elementen, die ein großes Aspektverhältnis aufweisen und einfach herzustellen sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS zu schaffen, die ein großes Aspektverhältnis aufweisen und einfach herzustellen sind.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass die Elektrodenschicht der L-NED Vorrichtungen durch eine weitere, zweite Schicht ergänzt werden kann, die zusätzliche Fläche für die Interaktion mit dem Fluid bereitstellt. Diese zweite Schicht kann mit bereits existierenden und beherrschbaren Prozessen herstellbar sein und insofern eine einfache Herstellung ermöglichen, dabei gleichzeitig das effektiv wirksame Aspektverhältnis vergrößern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS ein Substrat, das eine Kavität aufweist. Das MEMS umfasst eine in der Kavität angeordnete bewegliche Schichtanordnung, umfassend einen ersten Balken, einen zweiten Balken und einen zwischen dem ersten Balken und dem zweiten Balken angeordneten und von denselben an diskreten Bereichen elektrisch isoliert fixierten dritten Balken, wobei die bewegliche Schichtanordnung ausgebildet ist, um ansprechend ein elektrisches Potenzial zwischen dem ersten Balken und dem dritten Balken oder um ansprechend auf ein elektrisches Potenzial zwischen dem zweiten Balken und dem dritten Balken eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung in einer Substratebene auszuführen. Der erste, zweite und dritte Balken sind Teil einer ersten Schicht der beweglichen Schichtanordnung. Die bewegliche Schichtanordnung umfasst eine zweite Schicht, die entlang einer Richtung senkrecht zu der Substratebene benachbart zu der ersten Schicht angeordnet ist und die entlang der Bewegungsrichtung beweglich angeordnet ist. Die zweite Schicht ermöglicht eine gegenüber der Balkenanordnung zusätzliche Wirkfläche zur Interaktion mit einem Fluid, d. h. einem Gas und/oder einer Flüssigkeit. Der erste Balken, der zweite Balken und der dritte Balken bilden ein bewegliches Element, und die zweite Schicht bildet eine Widerstandsstruktur für eine Interaktion mit einem Fluid in der Kavität, die mit dem beweglichen Element mechanisch verbunden ist und mit dem beweglichen Element mitbewegt und/oder mit verformt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die zweite Schicht in einen vierten, fünften und sechsten Balken strukturiert. Entlang der Richtung senkrecht zu der Substratebene, etwa z, ist der vierte Balken benachbart zu dem ersten Balken, dem fünften Balken benachbart zu dem zweiten Balken und der sechste Balken benachbart zu dem dritten Balken angeordnet, zumindest in einem Ruhezustand des MEMS. Dies ermöglicht eine zusätzliche, aktiv steuerbare Fläche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Balken mit dem vierten Balken und/oder der zweite Balken mit dem fünften Balken und/oder der dritte Balken mit dem sechsten Balken mechanisch über eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete Zwischenschicht miteinander verbunden. Dies ermöglicht geringe fluidische Verluste zwischen den Balken und die mechanische Kopplung der Bewegung der einzelnen Balken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der dritte Balken und der sechste Balken mechanisch über eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete Zwischenschicht mechanisch miteinander verbunden. Die Zwischenschicht ist zwischen dem ersten Balken und dem vierten Balken einerseits und dem zweiten Balken und dem fünften Balken andererseits entfernt, um den ersten Balken von dem vierten Balken zu beabstanden und um den zweiten Balken von dem fünften Balken zu beabstanden. Dies ermöglicht eine geringe zu bewegende Masse, da eine Bewegungskopplung dennoch über mechanische Fixierungen zwischen dem vierten, fünften und sechsten Balken erhalten werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Balken und der vierte Balken einerseits und der zweite Balken und der fünfte Balken andererseits mechanisch über eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete Zwischenschicht miteinander verbunden. Die Zwischenschicht ist zwischen dem dritten Balken und dem sechsten Balken entfernt, um einen Spalt zwischen dem dritten Balken und dem sechsten Balken bereitzustellen. Dies ermöglicht ebenfalls eine geringe Masse.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Schicht und die zweite Schicht in einem Bereich des Substrats über eine Zwischenschicht miteinander verbunden, etwa eine Isolationsschicht, beispielsweise Siliziumoxid, Siliziumnitrid, oder Polymer. Die Zwischenschicht ist in einem Bereich der Kavität zwischen dem ersten Balken und dem vierten Balken, zwischen dem zweiten Balken und dem fünften Balken und zwischen dem dritten Balken und dem sechsten Balken entfernt. Dies ermöglicht die unabhängige Bewegung dem ersten, zweiten und dritten Balken gegenüber dem vierten, fünften und sechsten Balken.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bilden der erste, zweite und dritte Balken ein erstes bewegliches Element der beweglichen Schichtstruktur. Der vierte, fünfte und sechste Balken bilden ein zweites bewegliches Element der beweglichen Schichtstruktur. Das erste bewegliche Element ist gegenüber dem zweiten beweglichen Element entlang der Bewegungsrichtung beweglich angeordnet. Dies ermöglicht eine individuelle Auslenkung der beweglichen Elemente, was sowohl sensorisch als auch aktuatorisch hohe Freiheitsgrade bietet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind zwischen dem ersten Balken und dem dritten Balken einerseits und zwischen dem vierten Balken und dem sechsten Balken andererseits voneinander verschiedene elektrische Potenziale anlegbar. Alternativ oder zusätzlich sind zwischen dem zweiten Balken und dem dritten Balken einerseits und zwischen dem fünften Balken und dem sechsten Balken andererseits voneinander verschiedene elektrische Potenziale anlegbar. Dies ermöglicht eine unabhängige Auswertung und/oder Ansteuerung der beweglichen Elemente, beispielsweise gegenphasig oder phasenversetzt.
Einige der vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sind so erläutert, dass die zweite Schicht in Balken strukturiert ist und eine Wirkflächenvergrößerung mittels gegenüber der ersten Schicht zusätzlicher Balkenfläche erhalten wird. Weitere Ausführungsbeispiele, deren Merkmale alternativ oder zusätzlich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kombiniert werden können, beziehen sich darauf, dass die zweite Schicht eine Widerstandstruktur für eine Interaktion mit einem Fluid in der Kavität bereitstellt. Hierfür kann es ausreichend sein, die Widerstandstruktur elektrisch passiv auszugestalten, was eine einfache Implementierung ermöglicht. Gleichzeitig können Pull-In Effekte zwischen der Widerstandstruktur und äußeren Flächen reduziert oder vermieden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bilden der erste Balken, der zweite Balken und der dritte Balken ein bewegliches Element. Die zweite Schicht bildet eine Widerstandstruktur für eine Interaktion mit einem Fluid in der Kavität. Die Widerstandstruktur ist mit dem beweglichen Element mechanisch verbunden und wird von dem beweglichen Element mitbewegt. Dies ermöglicht die Vergrößerung des tatsächlich wirksamen Aspektverhältnisses durch die zusätzliche Anordnung der Widerstandstruktur, wobei dies mit einfachen und präzisen Prozessen implementiert werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Widerstandstruktur mittels einer Zwischenschicht mit der ersten Schicht verbunden. Dies ermöglicht eine einfache Ausgestaltung durch Herausbilden des MEMS aus einer Stapelstruktur.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die erste Schicht zusätzlich zu dem ersten, zweiten und dritten Balken ein Huckepackelement, das mechanisch an dem ersten oder zweiten Balken an einer dem dritten Balken abgewandten Seite fixiert ist, das bedeutet, außen an der Balkenanordnung in-plane. Die Widerstandstruktur ist zumindest teilweise an dem Huckepackelement angeordnet. Dies ermöglicht die Anordnung der Widerstandsstruktur an einem Element, das elektrisch nicht notwendigerweise aktiv verformt wird, sodass ein geringes Maß an Verformungsenergie zum Verformen der Widerstandsstruktur erforderlich ist
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Huckepackelement mechanisch an dem ersten, zweiten oder dritten Balken fixiert. Die Widerstandsstruktur ist zumindest teilweise an dem Huckepackelement angeordnet. Hierdurch wird eine einfache Herstellung ermöglicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Huckepackelement über ein Koppelelement mit dem ersten oder zweiten Balken mechanisch verbunden, wobei das Koppelelement in einem Bereich, der bei einer Verformung des aktiven Elements höchstens geringfügig verformt wird, und in einem Bereich der maximalen Auslenkung des beweglichen Elements angeordnet ist und dort wo ein hohes Maß an Materialdehnung erfolgt, das bewegliche Element nicht angeordnet ist. Dies ermöglicht die Vermeidung unnötig hoher mechanischer Energien in die Verformung des Koppelelements und/oder der Widerstandsstruktur.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Widerstandstruktur mehrere Teilelemente auf, die entlang einer axialen Erstreckungsrichtung der beweglichen Schichtanordnung senkrecht zu der Bewegungsrichtung und parallel zu der Substratebene angeordnet sind. Dies ermöglicht eine Reduzierung der effektiv wirksamen Steifigkeit der Widerstandstruktur, sodass geringe Kräfte ausreichen, um die Verformung der Widerstandstruktur zu bewirken. Dies ermöglicht alternativ oder zusätzlich die Reduzierung oder Vermeidung mechanischer Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Teilelementen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die Teilelemente bei einer Projektion in eine Ebene senkrecht zu der Substratebene und senkrecht zu der Bewegungsrichtung einen Abstand zueinander auf. Dies ermöglicht eine Kontaktfreiheit während der Verformung und/oder eine geringe Masse der Widerstandstruktur.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand höchstens 100 µm, bevorzugt höchstens 10 µm, und besonders bevorzugt höchstens 2 µm. Dies ermöglicht geringe fluidische Verluste bzw. die fluidische Wirkung der Widerstandstruktur als wandähnliche Struktur.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Teilelemente entweder mit dem ersten Balken oder mit dem zweiten Balken oder mit dem dritten Balken mechanisch fest verbunden. Dies ermöglicht geringe fluidische Verluste durch die Reduzierung oder Vermeidung von diagonal bewegtem Fluidpunkt.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Teilelemente an zumindest zwei aus dem ersten Balken, dem zweiten Balken und dem dritten Balken angeordnet. Obwohl hierbei die entlang der Bewegungsrichtung wirksame Wand durch in der diesbezüglich entlang der Tiefenrichtung versetzt angeordneten Teilelemente abgeschwächt werden könnte, wird eine ganz oder teilweise symmetrische Masseverteilung an den Balken durch die Widerstandstruktur ermöglicht. Eventuell nachteilige Effekte können durch einen Überlapp der Teilbereiche bei einer Projektion in die zuvor erwähnte Ebene senkrecht zu der Substratebene ausgeglichen oder kompensiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist entlang oder entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung ein erster Abstand zwischen der Widerstandstruktur und dem Substrat größer als ein zweiter Abstand zwischen dem ersten Balken und dem dritten Balken. Da die Widerstandstruktur passiv ausgebildet sein kann und zur fluidischen Interaktion implementiert ist, kann auf die Anordnung von Spaltstrukturen, die den Limitierungen der Aspektverhältnisse unterliegen, verzichtet werden. Dadurch sind insgesamt größere Spalte möglich, sodass entlang der z-Richtung große wirksame Abmessungen erhalten werden können, ohne hierfür komplizierte Prozesse zu benötigen, was vorteilhaft ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Abstand um zumindest den Faktorbereich 1 bis 20, bevorzugt 3 bis 10, besonders bevorzugt 5 bis 7 größer als der zweite Abstand.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die zweite Schicht eine Schichtdecke senkrecht zu der Substratebene, etwa entlang z, auf, die zumindest um den Faktorbereich 1 bis 20, bevorzugt 3 bis 10, besonders bevorzugt 5 bis 7 größer ist als die erste Schicht. Dies ermöglicht besonders effektive MEMS.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Aspektverhältnis der ersten Schicht bezüglich einer Schichtdicke der ersten Schicht und einem Abstand zwischen dem ersten Balken und dem dritten Balken oder dem zweiten Balken und dem dritten Balken kleiner als 40, was eine einfache Prozessführung ermöglicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Widerstandstruktur eine erste Widerstandstruktur, die an einer ersten Seite der ersten Schicht angeordnet ist. Das MEMS weist ferner eine zweite Widerstandstruktur auf, die an einer der ersten Seite gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite der ersten Schicht angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders hohe Effektivität des MEMS durch eine beidseitige Vergrößerung der fluidisch wirksamen Fläche.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel stellt die Widerstandstruktur einen fluidischen Widerstand für ein in der Kavität angeordnetes Fluid bereit, was insbesondere für eine aktuatorische Implementierung als Lautsprecher oder Pumpe, aber auch für eine sensorische Implementierung, etwa als Mikrofon, oder andere Implementierungen, etwa oder als MEMS THz-Wellenleiter, vorteilhaft ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Vorteile der Widerstandstruktur und der zusätzlichen Balkenschicht miteinander kombiniert werden. Hierfür weist die bewegliche Schichtanordnung eine dritte Schicht auf, die in eine vierte, fünfte und sechste Balken strukturiert ist, sodass sowohl zwei Balkenschichten als auch zumindest eine Widerstandstruktur implementiert ist, was eine weitere Steigerung der Effizienz ermöglicht.
Der erste, zweite und dritte Balken können dabei zu einem ersten beweglichen Element mechanisch miteinander verbunden sein, während der vierte, fünfte und sechste Balken zu einem zweiten beweglichen Element mechanisch miteinander verbunden sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste bewegliche Element mechanisch mit dem zweiten beweglichen Element verbunden, was unter Beachtung der technologischen Grenzen von Aspektverhältnissen höhere Aspektverhältnisse ermöglicht und niedrige Betriebsspannungen ermöglicht, da bereits mit geringen Spannungen hohe Kräfte erzeugt werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Widerstandstruktur eine erste Widerstandstruktur, wobei das MEMS eine zweite Widerstandstruktur aufweist, die mit dem zweiten beweglichen Element verbunden ist. Dies ermöglicht einerseits eine hohe Flexibilität durch individuelle Ansteuerung und/oder Sensierung bzw. Erfassung mit den unterschiedlichen beweglichen Elementen, deren wirksame Fläche beiderseits vergrößert ist, als auch eine einfache Herstellung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das erste bewegliche Element und das zweite bewegliche Element benachbart zueinander und entlang einer Richtung senkrecht zu der Substratebene zwischen der ersten Widerstandstruktur und der zweiten Widerstandstruktur angeordnet. Dies ermöglicht die Anordnung möglicherweise passiver Widerstandstrukturen nach außen hin zu Strukturen, die möglicherweise geerdet sind, sodass dort geringe Anziehungskräfte wirken und Pull-In Effekte vermieden werden können.
Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die erste Widerstandstruktur und die zweite Widerstandstruktur benachbart zueinander und entlang einer Richtung senkrecht zu der Substratebene zwischen dem ersten beweglichen Element und dem zweiten beweglichen Element angeordnet. Dies ermöglicht einen hohen Abstand zwischen den beweglichen Elementen und damit geringe elektrische Querbeeinflussungen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste Widerstandstruktur und die zweite Widerstandstruktur relativ zueinander beweglich, was insbesondere bei einer aktuatorischen Implementierung den Vorteil bietet, die beweglichen Elemente unabhängig voneinander ansteuern zu können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die bewegliche Schichtstruktur eine Biegebalkenstruktur, die einseitig eingespannt an dem Substrat angeordnet ist. Eine einseitig eingespannte Biegebalkenstruktur ermöglicht große Auslenkungen an dem freien Ende, was besonders vorteilhaft ist, da gemäß den vorigen Ausführungsbeispielen Pull-In Effekte reduziert oder verhindert sind, zu deren Vermeidung eine zweiseitige Einspannung vorgesehen werden kann, deren Amplitudenreduzierung vorliegend aber vermieden werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beträgt eine Schichtdicke der ersten Schicht und der zweiten Schicht senkrecht zu der Substratebene zumindest 50 µm. Dies ermöglicht besonders große MEMS.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine axiale Erstreckungsrichtung der beweglichen Schichtanordnung parallel zu der Substratebene und senkrecht zu der Bewegungsrichtung so ausgestaltet, dass eine Abmessung von zumindest Faktor 0,5 zur Höhe der Bewegungsstruktur erhalten wird, was besonders vorteilhaft ist, da die Abmessung oder Länge die Effizienz ebenso beeinflusst wie die Höhe oder Dicke.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Kavität über zumindest eine Öffnung mit der äußeren Umgebung des Substrats fluidisch verbunden, wobei die zumindest eine Öffnung in einer Ebene der beweglichen Schichtanordnung angeordnet ist. Dies ermöglicht, dass Bodenschicht und/oder Deckelschicht für andere Zwecke eingesetzt werden können, da Chipfläche anstelle für eine Öffnung anderweitig genutzt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das MEMS als MEMS-Pumpe, als MEMS-Lautsprecher, als MEMS-Mikrofon oder als MEMS THz-Wellenleiter gebildet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das MEMS eine Ansteuereinrichtung, die ausgebildet ist, um die bewegliche Schichtstruktur anzusteuern.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel bilden der erste, zweite und dritte Balken eine erstes bewegliches Element, wobei das MEMS eine Mehrzahl, d. h. zumindest zwei, bewegliche Elemente aufweist. Die Ansteuereinrichtung ist ausgebildet, um die Mehrzahl von beweglichen Elementen individuell anzusteuern, was hohe Freiheitsgrade in der Implementierung des MEMS ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand weiterer abhängiger Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgende bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine zusätzliche Aktuatordicke durch zusätzliche Elektroden erhalten wird;
3a eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der äußere Elektroden einer ersten und einer zweiten Schicht über eine Zwischenschicht miteinander verbunden sind, während die Zwischenschicht bei inneren Elektroden ganz oder teilweise entfernt ist oder nicht angeordnet ist;
3b eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem gegenüber dem MEMS aus 3a die Zwischenschicht zwischen den inneren Elektroden angeordnet ist, um die beiden Elektroden mechanisch fest miteinander zu verbinden, dafür aber zwischen den äußeren Elektroden entfernt ist;
4a eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die zweite Schicht einer beweglichen Schichtanordnung eine Widerstandstruktur umfasst, die beispielsweise aus einer Substratschicht gebildet wird;
4b eine schematische Querschnittansicht des MEMS aus 4a dar, bei der die Widerstandstruktur mit einer äußeren Elektrode mechanisch fest verbunden ist;
4c eine schematische Querschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element in einer Ebene der Elektroden der ersten Schicht ein Huckepackelement aufweist, mit dem die Widerstandstruktur über ein Koppelelement mechanisch fest verbunden ist;
4d eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem das Koppelelement an einem frei auslegbaren Ende des an dem Substrat einseitig fest eingespannten beweglichen Elements angeordnet ist;
4e eine schematische Querschnittansicht des MEMS aus 4d in einer Schnittebene A'A aus 4d;
5a eine schematische Ansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element beidseitig fest eingespannt ist;
5b eine schematische Ansicht des MEMS aus 5a in einem ausgelenkten Zustand des beweglichen Elements;
6a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Teilelemente der Widerstandsstruktur an einer der Elektroden angeordnet sind;
6b eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Teilelemente der Widerstandsstruktur an zumindest zwei der Elektroden angeordnet sind;
7a eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, dass beispielsweise das MEMS aus 4a durch eine Deckelschicht;
7b eine schematische Querschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Öffnung zum Verbinden der Kavität mit einer äußeren Umgebung außerhalb des Substrats in einer Ebene der beweglichen Schichtanordnung angeordnet ist;
8a eine schematische Querschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das die Merkmale der doppelt ausgeführten Elektroden und der Heckstruktur oder Widerstandstruktur kombiniert;
8b eine schematische Querschnittansicht des MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die relative Ausrichtung oder Orientierung zweier beweglicher Elemente gegenüber dem MEMS aus 8a vertauscht ist, sodass die Widerstandstrukturen benachbart zueinander angeordnet sind;
9 eine schematische Querschnittansicht des MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Elektroden unterschiedlicher Schichten mit einander verbunden sind und einen Versatz zueinander aufweisen;
10 eine schematische Querschnittansicht des MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Elektroden unterschiedlicher Schichten berührungslos zueinander sind und einen Versatz zueinander aufweisen;
11a eine schematische Querschnittsansicht bzw. einen Querschnitt durch ein bekanntes, als L-NED ausgebildetes MEMS;
11 b eine schematische Draufsicht auf das MEMS aus 11a; und
12 eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren bekannten MEMS.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf MEMS-Wandler (MEMS = mikroelektromechanisches System). Ein MEMS-Wandler kann eine oder mehrere elektroaktive Komponenten aufweisen, die basierend auf einer angelegten elektrischen Größe (Strom, Spannung, Ladung oder dgl.) eine Veränderung in einer mechanischen Komponente bewirken, d. h., eine Wandlung bewirken. Diese Veränderung kann sich beispielsweise auf eine Verformung, auf eine Erwärmung oder eine Verspannung der mechanischen Komponente beziehen. Alternativ oder zusätzlich kann eine mechanische Beeinflussung der Komponente, etwa eine Verformung, eine Erwärmung oder eine Verspannung, zu einem elektrischen Signal oder einer elektrischen Information (Spannung, Strom, Ladung oder dgl.) führen, die an elektrischen Anschlüssen der Komponente erfasst werden kann. Manche Materialien oder Komponenten weisen eine Reziprozität auf, das bedeutet, die Effekte sind wechselseitig vertauschbar. Beispielsweise können Piezomaterialien, den inversen piezoelektrischen Effekt (Verformung basierend auf einem angelegten elektrischen Signal) und den piezoelektrischen Effekt (Bereitstellen einer elektrischen Ladung basierend auf einer Verformung) aufweisen.
Manche der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich darauf, dass eine Elektrodenanordnung ein bewegliches Element bildet. Die Bewegung des beweglichen Elements kann dabei aus einer Verformung der Elektrodenanordnung erhalten werden. Unter Hinweis auf die sensorische Funktionalität durch eine mögliche Reziprozität, kann eine aktuatorische Ausgestaltung so ausgeführt sein, dass sich die Elektrodenanordnung makroskopisch entlang einer lateralen Bewegungsrichtung verformt, d. h., ein Element oder Bereich kann entlang der lateralen Bewegungsrichtung beweglich sein. Bei dem Element oder Bereich kann es sich beispielsweise um ein Balkenende oder um einen Mittelbereich einer Balkenstruktur handeln. Mikroskopisch betrachtet kann bei einer Verformung des verformbaren Elements entlang der lateralen Bewegungsrichtung eine Verformung des verformbaren Elements senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung auftreten. Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die makroskopische Betrachtungsweise.
Manche der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Elektroden, die über mechanische Fixierungen mit einander verbunden sind und ausgebildet sind, um basierend auf einem elektrischen Potential eine Bewegung auszuführen. Ausführungsbeispiele sind jedoch nicht hierauf beschränkt sondern können eine beliebige Art von Balkenstrukturen, d. h., Balken, aufweisen, die ausgebildet sind, um ansprechend auf eine Aktuierung eine über die mechanische Fixierung in eine Bewegung umgewandelte Kraft bereitzustellen (Aktuator) und/oder um eine Verformung zu erfassen (Sensor), etwa unter Verwendung piezoelektrischer Werkstoffe, oder anderer aktuierbarer Stoffe. Die Balken können bspw. elektrostatische, piezoelektrische und/oder thermomechanische Elektroden sein, die basierend auf einem angelegten Potential eine Verformung bereitstellen.
1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS 10 umfasst ein Substrat 12, das beispielsweise einen Schichtstapel 14 aus mehreren Einzelschichten aufweist, wobei das Substrat 12 durch teilweises Entfernen von Einzelschichten eine Kavität 16 aufweist, die im Inneren des Substrats 12 angeordnet ist.
Der Schichtstapel 14 kann mehrere Schichten umfassen. Beispielsweise kann der Schichtstapel 14 eine erste Substratschicht 18₁ aufweisen, an der mittels einer Zwischenschicht 22₁ eine aktive Schicht oder Device-Schicht (Vorrichtungsschicht) 24₁ angeordnet ist, etwa mittels Bonding, wobei die Schichtfolge 18₁ , 22₁ und 24₁ bezüglich der verwendeten Materialien und/oder Abmessungen beispielsweise dem in 11a dargestellten Schichtstapel entsprechen kann. Über eine weitere Zwischenschicht 22₂ kann eine weitere aktive Schicht 24₂ einen Teil des Schichtstapels bilden. Über eine Zwischenschicht 22₃ kann eine weitere Substratschicht 18₂ einen Teil des Schichtstapels 14 bilden. Beispielsweise kann die Schichtfolge 18₂, 22₃ und 24₂ zumindest im Hinblick auf die Schichtarten und Schichtreihenfolge, möglicherweise auch im Hinblick auf die Abmessungen, die Schichtfolge 18₁ , 22₁ und 24₁ spiegeln, sodass zwei hälftige Schichtstapel mittels der Zwischenschicht 22₂ miteinander verbunden sind.
Die dargestellte Schichtfolge ist dabei lediglich beispielhaft gewählt. Die Substratschichten 18₁ und 18₂ können beispielsweise den Schichten 1002 bzw. 1032 entsprechen. Die Zwischenschichten 22₁, 22₂ und/oder 22₃ können dabei als Zwischenschicht 1006 gebildet sein.
Der Schichtstapel 14 kann andere und/oder zusätzliche Schichten umfassen und/oder kann eine oder mehrere der illustrierten Schichten nicht umfassen. So ist es beispielsweise vorstellbar, die Substratschicht 18₁ oder 18₂ nicht anzuordnen oder über ein anderes Substrat, beispielsweise eine Leiterplatine oder dergleichen, zu erzeugen, an der die weiteren Schichten angeordnet werden. Trotz des Fehlens der Schicht 18₁ und/oder 18₂ kann dennoch die Kavität 16 in dem Substrat 12 erhalten werden.
Das MEMS 10 ist beispielhaft so ausgeführt, dass zwei aktive Schichten 24₁ und 24₂ miteinander über die Zwischenschicht 22₂ verbunden sind. Die aktiven Schichten 24₁ und/oder 242 können beispielsweise elektrisch leitfähige Materialien aufweisen, beispielsweise dotierte Halbleitermaterialien und/oder Metallmaterialien. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht 24₁ und 24₂ sowie der Zwischenschicht 22₂ die Kavität 16 erhalten werden kann und durch geeignete Einstellung der Prozesse Elektrodenstrukturen 26a bis e verbleiben können. Alternativ ist es ebenfalls möglich, die Elektrodenstrukturen 26a bis 26f ganz oder teilweise durch andere Maßnahmen oder Prozesse in der Kavität 16 anzuordnen, etwa durch ein Erzeugen und/oder Positionieren in der Kavität 16. In diesem Fall können die Elektrodenstrukturen 26a bis 26f gegenüber den in dem Substrat 12 verbleibenden Teilen der Schicht 24₁ und 24₂ unterschiedlich gebildet sein, d. h. unterschiedliche Materialien aufweisen.
Die Substratschichten 18₁ und 18₂ können Öffnungen 28₁ bzw. 28₂ aufweisen, die jeweils fluidische Einlässe und/oder fluidische Auslässe bereitstellen können, wie es für die Öffnungen 1026 und 1034 beschrieben ist.
Das MEMS 10 kann insofern das MEMS 2000 durch zumindest eine zusätzliche Schicht aufweisen, die gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel als aktive Schicht gebildet ist und beispielsweise die Schicht 24₂ bildet.
Die Elektroden 26a, 26b und 26c können miteinander an diskreten Bereichen elektrisch isolierend miteinander fixiert sein, wie es für das MEMS 1000 in 11b, bei dem Teilelemente der Widerstandsstruktur an zumindest zwei der Elektroden angeordnet sind, beschrieben ist. Ansprechend auf ein elektrisches Potenzial zwischen den Elektroden 26a und 26c und/oder ansprechend auf ein elektrisches Potenzial zwischen den Elektroden 26b und 26c kann eine Bewegung eines durch die mechanische Fixierung an den diskreten Punkten erhaltenen beweglichen Elements 32 entlang einer Bewegungsrichtung 34 erhalten werden, die beispielsweise der Richtung 1024 entsprechen kann und in der x/y-Ebene eines kartesischen x/y/z-Koordinatensystems angeordnet sein. Die x/y-Ebene kann die Ebene (engl.: plane) sein, die die in-plane Bewegung festlegt, entlang der die Bewegungsrichtung 34 erfolgt.
Die Elektroden 26d bis 26f können verbleibende Teile der Schicht 24₂ sein und sind senkrecht zu der Substratebene x/y benachbart zu der Schicht 24₁ angeordnet. Die Elektroden 26a bis 26c bilden zumindest teilweise eine erste Schicht einer Schichtanordnung 36, wobei die Elektroden 26d bis 26f zumindest teilweise eine zweite Schicht der Schichtanordnung 36 bilden.
Gegenüber der Abmessung 1016 ist eine Abmessung 38 der beweglichen Schichtanordnung 36 entlang der z-Richtung vergrößerbar, obwohl Spalte 42₁ zwischen Elektroden 26a und 26c bzw. 26d und 26f und Spalte 42₂ zwischen Elektroden 26b und 26c bzw. 26e und 26f eine gleiche oder vergleichbare Abmessung aufweisen, wie beim MEMS 2000, da dieselben Prozesse verwendet werden können. Ein Aspektverhältnis zwischen Spaltabmessung 42₁ und 42₂ und der Abmessung der Elektroden 26a bis 26c bzw. 26d bis 26f entlang der z-Richtung kann beispielsweise gleich oder ähnlich sein, wie es für das MEMS 2000 beschrieben ist und beispielsweise einen Wert von weniger als 40, insbesondere in etwa 30 aufweisen. Das tatsächliche effektive Aspektverhältnis kann jedoch höher sein, da durch die Aneinanderanordnung der Schichten bzw. Elektroden 26a bis 26f eine Erhöhung, beispielsweise Verdoppelung der Abmessung 38 entlang der z-Richtung erfolgt, ohne dass hierdurch die Spalte 42₁ und 42₂ vergrößert werden.
Eine Teilabmessung oder Teilhöhe 44₁ und 44₂ parallel zu der z-Richtung des MEMS 10 des jeweils hälftigen und über die Zwischenschicht 22₂ kombinierten Schichtstapels 14 kann dabei in etwa einer entsprechenden Abmessung des MEMS 1000 entlang der z-Richtung entsprechen.
Eine Bewegung der Elektroden 26d bis 26f kann dabei auf unterschiedliche Art und Weise erhalten werden. So kann beispielsweise durch eine paarweise mechanische Kombination der Elektrode 26a und der Elektrode 26d, der Elektrode 26b und der Elektrode 26e und/oder der Elektrode 26c und der Elektrode 26f aus der Bewegung der Elektrode 26a, 26b oder 26c des beweglichen Elements 32 direkt eine entsprechende Bewegung der mechanisch fest verbundenen anderen Elektrode erhalten werden. Dies kann es ermöglichen, auf mechanische Fixierungen 46₁ und 46₂, die beispielsweise den Elementen 1022 des MEMS 1000 entsprechen können, in der Schicht der Elektroden 26d bis 26f zu verzichten. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls möglich, entsprechende mechanische Fixierungen 46 auch in der Ebene der Schicht 24₂ vorzusehen, um die Elektroden 26d bis 26f an diskreten Orten oder Bereichen mechanisch miteinander zu fixieren. Dies ermöglicht den Erhalt eines weiteren beweglichen Elements, das zwar über die Zwischenschicht 22₂ mit dem beweglichen Element 32 mechanisch fest verbunden sein kann, wobei eine entsprechende Verbindung auch ganz oder teilweise entfallen kann.
In anderen Worten kann das Verhältnis zwischen L-NED Höhe und L-NED Spalt verdoppelt werden, in dem anstatt eines Device-Wafers (Schicht 24) mit einem Deckel-Wafer (Schicht 18₁ ) zusammenzubonden, zwei Device-Wafer (24₁ und 24₂) zusammengebondet werden, wie es in 1 dargestellt ist, sodass 1 zwei Device-Wafer zeigt, die zusammengebondet werden, sodass die L-NED Balken mechanisch zusammenverbunden sind. Auf diese Art und Weise wird das Aspektverhältnis des L-NED-Aktuators verdoppelt. Diese Lösung bringt mehrere Vorteile:

• eine Verdoppelung des Aspektverhältnisses kann beispielsweise bei den Mikrolautsprechern zu einer Vergrößerung des Schallpegels um 6 dB führen;
• die verdoppelte L-NED Höhe kann zu einer höheren Biegefestigkeit entlang der z-Richtung führen, was wiederum zu einer geringen Empfindlichkeit für den vertikalen (entlang der z-Richtung) Pull-In Effekt führt und ein hohes Maß an Designfreiheiten ermöglicht. Dies ermöglicht beispielsweise, dass die L-NED Balken länger gemacht werden können, das bedeutet, entlang der y-Richtung eine hohe axiale Ausdehnung aufweisen können. Alternativ oder zusätzlich können die L-NED Balken einseitig anstelle von doppelseitig eingespannt werden, was vorteilhaft ist, da einseitig eingespannte L-NED Balken eine größere Auslenkung ermöglichen, als beispielsweise doppelseitig eingespannte L-NED Balken;
• obwohl es unverändert möglich ist, ist ein Deckel nach bekannten Ausgestaltungen nicht zwingend notwendig, was Einsparpotenziale bietet.

Wird bspw. erneut Bezug genommen auf ein bekanntes MEMS nach 12, so wird dort für einen Lautsprecher oder Pumpe ein Device-Wafer aus den Schichten 1002, 1006₁ und 10004 (bezeichnet als Technologie 1) und ein Deckel-Wafer 1032 (bezeichnet als Technologie 2) mittels der Schicht 1006₂ gebondet. Hier sind 2 unterschiedliche Technologien bzw. Herstellungsschritte für die Herstellung von Deckel- und Device-wafer notwendig. Demgegenüber kann das MEMS 10 gemäß 1 unter Verwendung nur einer dieser Technologien (der Technologie 1) gefertigt werden, weil die beiden Komponenten, die zusammen gebondet werden (44₁ und 44₂), Device-Wafer sind und dementsprechend mit der gleichen Technologie 1 hergestellt werden. D. h. eine Verwendung der Technologie 2 kann entfallen, was eine einfache Herstellung ermöglicht. Die Rolle des Deckel-Wafers erfüllt jetzt 18₂.
Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die Begriffe wie Deckel oder Boden lediglich der besseren Unterscheidbarkeit einzelner Elemente hierin beschriebener MEMS dienen und weder in Bezug auf eine konkrete Ausgestaltung, noch in Bezug auf eine Orientierung der Schichten im Raum einschränkend wirken soll. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die beispielhaft erläuterte Verdoppelung der Abmessung entlang der z-Richtung eine der möglichen Ausgestaltungen ist. Die Schichten 24₁ und 242 können gleiche oder voneinander verschiedene Abmessungen aufweisen, was sich sowohl auf den Bereich in dem Substrat 12 als auch auf den Bereich in der Kavität 16 bezieht.
2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Zwischenschicht 22₂ zwischen den Elektroden 26a, 26b und 26c einerseits und 26d, 26e und 26f andererseits entfernt ist.
Zwar ist ebenso wie beim MEMS 10 die aktive Schicht 24₂ in die Elektroden 26d, 26e und 26f strukturiert, die entlang der z-Richtung senkrecht zu der Substratebene benachbart zu den Elektroden 26a, 26b bzw. 26c angeordnet sind, zumindest in dem dargestellten Hohlzustand, allerdings können die Elektroden 26d und 26f über mechanische Fixierungen 46₃ und die Elektroden 26e und 26f über mechanische Fixierungen 46₄ am diskreten Ort mechanisch fest miteinander verbunden sein, sodass die Schichtanordnung in Anbetracht der fehlenden oder entfernten Zwischenschicht 22₂ die Schichtanordnung 2 bewegliche Elemente 32₁ und 32₂ aufweisen kann, die zu einer gleichen oder vergleichbaren effektiven Abmessung 38 entlang der z-Richtung führt, jedoch eine unterschiedliche Ansteuerung der beweglichen Elemente ermöglicht.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind zwischen den Elektroden 26a und 26c einerseits und zwischen den Elektroden 26d und 26f andererseits voneinander verschiedene elektrische Potenziale anlegbar. Alternativ oder zusätzlich sind zwischen den Elektroden 26b und 26c einerseits und zwischen den Elektroden 26e und 26f andererseits voneinander verschiedene elektrische Potenziale anlegbar, was zu voneinander verschiedenen Bewegungen der beweglichen Elemente 32₁ und 32₂ führen kann. Dies bedeutet, dass die entsprechenden Elektroden galvanisch voneinander getrennt sind und/oder erst in einer optionalen Ansteuereinrichtung, etwa einer applikationsspezifischen integrierten Schaltung (application specific integrated circuit - ASIC) kontaktiert werden.
In anderen Worten sind die L-NED Balken des die oberen Device-Wafers mit dem L-NED Balken des unteren Device-Wafers nicht direkt verbunden. Die zwei L-NED Balken können getrennt gesteuert werden.
3a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 30₁ gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine kombinatorische Konfiguration der MEMS 10 und 20 bereitstellt, bei der die Elektroden 26a und 26d sowie die Elektroden 26b und 26e über die Zwischenschicht 22₂ miteinander verbunden sind, während die Zwischenschicht 22₂ zwischen den Elektroden 26c und 26f ganz oder teilweise entfernt ist oder nicht angeordnet ist, um die Elektroden 26c und 26f voneinander zu beabstanden. Daraus ergibt sich eine gemeinsame Bewegung der Elektroden 26a und 26d sowie 26b und 26e, sodass die in 3a nicht dargestellte mechanische Fixierungen 46 an beliebigen Orten angeordnet werden können, etwa gemäß der Konfiguration aus 2, wobei es beispielsweise auch möglich ist, auf einzelne mechanische Fixierungen zu verzichten, da eine Bewegungsübertragung auch durch die Zwischenschicht 22₂ zwischen den Elektroden erfolgen kann.
3b zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 30₂ gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem gegenüber dem MEMS 30₁ die Zwischenschicht 22₂ zwischen den Elektroden 26c und 26f angeordnet ist, um die beiden Elektroden mechanisch fest miteinander zu verbinden, dafür aber zwischen den Elektroden 26a und 26d und/oder zwischen den Elektroden 26b und 26e entfernt ist. Auch hier kann auf einige der in 2 dargestellten mechanischen Fixierungen 46 verzichtet werden, beispielsweise zwischen den Elektroden 26a und 26c und zwischen den Elektroden 26e und 26f oder zwischen den Elektroden 26b und 26c und zwischen den Elektroden 26d und 26f. Eine Bewegungsübertragung kann über die mechanisch feste Verbindung zwischen den Elektroden 26c und 26f erfolgen.
In anderen Worten können die L-NED Balken des oberen Device-Wafers mit den L-NED Balken des unteren Device-Wafers nur teilweise direkt verbunden sein, gemäß 3b nur die mittleren Elektroden und gemäß 3a nur die äußeren Elektroden.
Ausführungsbeispiele schaffen beliebige Konfigurationen, bei denen zumindest ein Elektrodenpaar der Elektroden 26a und 26d, der Elektroden 26b und 26e und der Elektroden 26c und 26f mechanisch über eine zwischen den Schichten angeordnete Zwischenschicht 22₂ mechanisch fest miteinander verbunden sind. Optional kann auch eine vollständige Entfernung dieser Schicht vorgesehen sein, wie es anhand von 2 beschrieben ist.
Vorangehend beschriebene MEMS 10, 20, 30₁ und 30₂ umfassen zwei aktiv gebildete Schichten, die aneinander oder aufeinander angeordnet oder gestapelt sind, um so das Aspektverhältnis zwischen Abmessung 38 und Spalt 42 zu vergrößern. Obwohl diese MEMS unter Verwendung von zwei aktiven Schichten beschrieben sind, die durch ein Verbinden mittels einer Zwischenschicht, etwas Siliziumoxid oder Siliziumnitrit oder ein Polymer oder dergleichen, miteinander verbunden sind, sind Ausführungsbeispiele nicht hierauf beschränkt, sondern ermöglichen ebenfalls die Anordnung zusätzlicher, weiterer Schichten in beliebiger Anzahl, etwa 3 oder mehr, 4 oder mehr, 5 oder mehr oder höher.
Nachfolgend wird Bezug genommen auf weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, bei denen das Aspektverhältnis durch andere, ggf. passive Schichten erhöht wird.
4a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 40 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei der die zweite Schicht der beweglichen Schichtanordnung 36 eine Widerstandstruktur 48 umfasst, die beispielsweise aus der Substratschicht 18 gebildet wird, die im Bereich der Kavität 16 verbleibt, angeordnet wird oder nicht herausgelöst wird und mit mindestens einer der Elektroden 26a, 26b und/oder 26c verbunden ist, um einen gegenüber den Elektroden 26a, 26b und 26c zusätzlichen fluidischen Widerstand bereitzustellen. Beispielsweise kann die Widerstandstruktur 48 während eines selektiven Ätzverfahrens beibehalten werden. Gegenüber einer Höhe 52 der Elektroden 26a, 26b und 26c entlang der z-Richtung, die beispielsweise mit der Höhe 1016 korrespondieren kann, kann eine effektive Höhe 54 des beweglichen Elements 32 durch die Widerstandstruktur 48 vergrößert werden, was vorteilhaft ist.
Die Abmessung 52 kann beispielsweise zwischen 1 µm und 1 mm, bevorzugt zwischen 50 µm und 400 µm, besonders bevorzugt zwischen 70 µm und 150 µm betragen. Unter Bezugnahme auf die 1 kann dies zu einer Abmessung 38 von in etwa dem doppelten Umfang führen, da zusätzlich noch die Zwischenschicht 22₂ hinzukommt, die eine Abmessung von wenigen Mikrometern aufweisen kann, etwa 1 µm, 2 µm oder 10 µm. Die Abmessung 56 kann dahingehend ebenfalls zumindest 50 µm, zumindest 100 µm oder zumindest 200 µm betragen.
Eine Höhe oder Abmessung 56 der Widerstandstruktur 48 kann dabei sehr groß sein, insbesondere in Anbetracht einer entlang der x-Richtung selektiven Anordnung der Widerstandstruktur 48 an einem Ort der y-Achse. So kann ein hierfür verwendetes Aspektverhältnis, das durch Spalte oder Leerräume 58₁ zwischen der Substratschicht 18 und der Widerstandstruktur 48 und/oder 48₂ zwischen der Substratschicht 18 und der Widerstandstruktur 48 bezogen auf die Höhe 56 der Widerstandstruktur 48 bezogen ist, auch einen Wert von in etwa dem limitierenden Verhältnis von weniger als 40, beispielsweise weniger als 35 oder etwa 30 oder weniger aufweisen, d. h., die Abmessung 52 kann um diesen Faktor größer sein, als die Spalte 42₁ und/oder 42₂ . Dieses Aspektverhältnis kann in Anbetracht der verglichen mit den Spalten 42₁ und 42₂ zwischen den Elektroden 26a bis 26c ungleich größeren Spalten 58₁ bis 58₂ jedoch zu ebenso ungleich größeren Abmessungen 56 entlang der z-Richtung führen, wenn dies mit der Abmessung 52 verglichen wird. Die Abmessung 56, die auch als Schichtdicke der Schicht 18 im Bereich der Kavität und mithin der Widerstandstruktur bezeichnet werden kann, kann um einen Faktor von zumindest 2, zumindest 3, zumindest 4 oder höher größer sein, als die Abmessung 52 der Schicht 24 im Bereich der Elektroden 26a bis 26c.
In anderen Worten zeigt 4a die L-NED Balken mit Heckstruktur mit einer Platzierung der Heckstruktur unter der mittleren Elektrode.
Während in 4a die Widerstandstruktur eine der mittleren Elektrode 26c des beweglichen Elements 32 angeordnet ist, stellt 4b eine schematische Querschnittansicht des MEMS 40 dar, bei der die Widerstandstruktur 48 mit der Elektrode 26b mechanisch fest verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein Teil der Widerstandstruktur 48 auch mit der Elektrode 26a mechanisch fest verbunden sein, etwa über die Zwischenschicht 22.
Die Darstellungen gemäß der 4a und 4b können auf unterschiedliche MEMS bezogen sein, bei denen die Widerstandstruktur 48 ausschließlich an einer der Elektroden 26b oder 26c angeordnet ist. Alternativ kann die Widerstandstruktur 48 auch strukturiert sein, sodass die Darstellungen der 4a und der 4b unterschiedliche Positionen entlang der y-Achse zeigen, wie es später noch weiter detailliert wird.
Die Widerstandstruktur 48 bzw. Teilelemente hiervon sind mit dem beweglichen Element 32 mechanisch fest verbunden, sodass die Widerstandstrukur 48 mit dem beweglichen Element 32 mitbewegt wird.
In anderen Worten zeigt 4b die Platzierung der Heckstruktur unter der äußeren Elektrode im Querschnitt.
4c zeigt eine schematische Querschnittansicht eines MEMS 40' gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element 32 in einer Ebene der Elektroden 26a bis 26c ein Huckepackelement 62 aufweist, mit dem die Widerstandstruktur 48 mechanisch fest verbunden ist, etwa durch einen Teil der Zwischenschicht 22. Das Huckepackelement 62 kann aus dem gleichen Material bestehen wie die Schicht 24, d. h. die Elektroden 26a bis 26c, kann aber auch aus einem hiervon verschiedenen Material gebildet sein. Beispielsweise kann zwischen der Elektrode 26b, mit welcher das Huckepackelement 62 mechanisch fest verbunden ist und dem Huckepackelement 62 ein Koppelelement 64 angeordnet sein, welches die mechanische Fixierung bereitstellt. Das Koppelelement 64 kann beispielsweise eine elektrische Isolation bereitstellen, die jedoch optional ist. Es ist ebenfalls möglich, dass das Koppelelement 64 eine zumindest lokale Verbreiterung entlang der x-Richtung über zumindest einen Bereich entlang der y-Richtung darstellt, etwa im Sinne einer lokalen Aufdickung, was jedoch zu Asymmetrien im Hinblick auf die erzeugten elektrostatischen Kräfte führen kann. Bevorzugt ist das Huckepackelement 62 an einer der Elektrode 26c abgewandten Seite der Elektrode 26b angeordnet. Alternativ kann das Huckepackelement 62 auch mit der Elektrode 26a mechanisch fest verbunden sein, bevorzugt an einer der Elektrode 26c abgewandten Seite. Beide Ausführungen sind auch miteinander kombinierbar und sind auch mit den Erläuterungen im Zusammenhang mit dem MEMS 40 kombinierbar, das bedeutet, die Widerstandstruktur 48 kann ganz oder teilweise an dem Huckepackelement 62 angeordnet sein.
Das Koppelelement 64 und/oder die lokale Verbreiterung kann bevorzugt in einem Bereich entlang der y-Richtung angeordnet sein, der bei einer Verformung des aktiven Elements bzw. des beweglichen Elements 32 höchstens geringfügig verformt wird, angeordnet ist, was ein Bereich der maximalen Auslenkung des beweglichen Elements sein kann. Das bedeutet, dort wo ein hohes Maß an Materialdehnung des beweglichen Elements erfolgt, wird das Koppelelement 64 bevorzugt nicht angeordnet. Bewegungsamplituden oder Dehnungsamplituden zwischen dem Bereich höchstens geringfügiger Verformung und dem Bereich aktiver Verformung können beispielsweise ein Verhältnis von 2:1, 3:1 oder 4:1 bereitstellen.
Ähnlich wie beim MEMS 40 kann ein Abstand zwischen der Widerstandstruktur 48 und dem Substrat, der Schicht 18, größer sein als ein Abstand zwischen den Elektroden, der durch die Spalte 42₁ und 42₂ beschrieben ist. Der Abstand kann bevorzugt um einen Faktor von zumindest 3 größer sein, als der zweite Abstand, bevorzugt um einen Faktor von zumindest 4 oder zumindest 16.
Die Widerstandstruktur 48 kann einen fluidischen Widerstand für ein in der Kavität 16 angeordnetes Fluid bereitstellen. Obwohl das MEMS 40 und das MEMS 40' so dargestellt sind, dass die Widerstandstruktur 48 an lediglich einer Seite der Elektrodenstrukturen 26a bis 26c entlang der negativen z-Richtung angeordnet sind, beziehen sich Ausführungsbeispiele ohne Weiteres darauf, die Widerstandstruktur entlang der positiven z-Richtung anzuordnen. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich darauf, beide Ausführungen zu kombinieren, sodass eine weitere Widerstandstruktur angeordnet ist, die an beiden Seiten entlang positiver und negativer z-Richtung der Schicht 24 bzw. der Elektroden 26a bis 26c angeordnet sind.
Zum Steuern einer Bewegungsrichtung des Fluids aus der Kavität 16 können die beispielsweise in 3a und 3b dargestellten zusätzlichen Deckelschichten 18₁ und/oder 18₂ angeordnet werden und mit entsprechenden Öffnungen versehen werden. Obwohl die Öffnungen in den hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen als Teil der äußeren Schichten des Schichtstapels dargestellt sind, besteht alternativ oder zusätzlich die Möglichkeit, Öffnungen lateral vorzusehen, beispielsweise in den Schichten 24₁ und/oder 24₂ des MEMS 10, 20, 30₁ oder 30₂ und/oder in der Schicht 24 und/oder 18 des MEMS 40 oder 40'. Dies ermöglicht die Vermeidung einer entsprechenden Deckelschicht mit Öffnungen und/oder die anderweitige Nutzung entsprechender Siliziumfläche.
Es wird darauf hingewiesen, dass die mechanischen Fixierungen 46 in den 4a, 4b und 4c nicht dargestellt sind.
In anderen Worten zeigt 4c die Platzierung der Heckstruktur seitlich zu den Elektroden im Querschnitt.
4d zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 40" gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, bei dem das Koppelelement 64 an einem frei auslenkbaren Ende des an dem Substrat 12₁ einseitig fest eingespannten beweglichen Elements 32 angeordnet ist und dass das bewegliche Element bzw. das frei auslenkbaren Ende hiervon mit einer Mehrzahl von Widerstandstrukturen 48₁, 48₂ verbindet, die eine Kammstruktur bilden, die in einer Vertiefung 65 der Kavität des MEMS beweglich ist.
4e zeigt eine schematische Querschnittansicht des MEMS 40" aus 4d in einer Schnittebene A'A aus 4d, wo deutlich wird, dass sich das bewegliche Element 32 entlang der z-Richtung benachbart zu einem Substrat 12₂ bewegt, etwa oberhalb des Substrats eine Wischbewegung parallel zu der Bewegungsrichtung 38 ausführt. Über das Koppelelement 64, an dem, beispielsweise unter Verwendung der Zwischenschicht 22, die Widerstandselemente 48₁, 48₂ und 48₃ angeordnet sind, können die Widerstandselemente ebenfalls entlang der Bewegungsrichtung 38 bewegt werden und zwar in der Vertiefung 65 der Kavität. Die Vertiefung 65 kann durch das Substrat 12₂ lateral entlang der x-Richtung begrenzt sein, sodass ein entsprechendes Aspektverhältnis bzw. eine Abmessung des beweglichen Elements 32 und/oder der Elektroden hiervon entlang der z-Richtung vermieden werden kann. Das Substrat 12₂ weist beispielsweise eine Abmessung 67 auf, die größer als 75 µm, größer als 150 µm oder größer als 300 µm ist, beispielsweise so groß wie die Widerstandstrukturen 48₁ , 48₂ und 48₃. Das bedeutet, dass anstelle einer direkten fluidischen Interaktion mittels des beweglichen Elements 32 eine indirekte Aktuierung oder Sensierung über die Kammstrukturen, die Widerstandstrukturen 48₁ bis 48₃ erfolgt, die aufgrund der großen Abstände 69₁ und 69₂ zwischen den Widerstandstrukturen 48₁ bis 48₃ unter Beibehaltung der entsprechenden Aspektverhältnisse entsprechend groß ausgestaltet sein können. Das Koppelelement 64 ermöglicht eine Übertragung der Bewegung des beweglichen Elements 32 auf die Kammstruktur.
In anderen Worten wird die Heckstruktur an einem bewegten, aber nicht deformierten Teil, dem Koppelelement 64, angebracht, welches am beweglichen Element, dem NED bewegt wird, welches deformiert wird. Dadurch kann eine Steifigkeitserhöhung in lateraler Auslenkungsrichtung für die deformierende Struktur nicht aktorisch wirksam werden, d. h. vermieden werden, und somit keine Auslenkungsverringerung eintreten. Der Vorteil des verringerten vertikalen Pull-Inn Effekts oder Risikos bleibt dahingegen erhalten. Hier wird die Steifigkeitserhöhung durch die Widerstandstrukturen wirksam. Die Verbindung von NED und Heckstruktur erfolgt über ein Koppelelement. Die Anzahl der Widerstandstrukturen im MEMS 40" ist dabei beliebig ≥ 1. Eine laterale Abmessung 71 der Kammstruktur entlang der Bewegungsrichtung 38 kann dabei größer als 150 µm, größer als 300 µm oder größer als 600 µm sein, beispielsweise 725 µm.
5a zeigt eine schematische Ansicht eines MEMS 50 gemäß einem Ausführungsbeispiel, beispielsweise eine Draufsicht von einer Unterseite. Das bewegliche Element, das über die mechanischen Fixierungen 46₁ bis 46₈ an diskreten Orten fest mechanisch miteinander verbundene Elektroden 26a, 26b und 26c umfasst und dadurch beweglich gebildet wird, kann beidseitig fest eingespannt sein. Die Elektroden 26a und 26c können elektrisch und/oder galvanisch miteinander verbunden sein, etwa indem sie aus der gleichen ununterbrochenen Schicht 24 gebildet werden. Die Elektrode 26c kann hingegen von den Elektroden 26a und 26b unter Verwendung isolierender Bereiche 66₁ und 66₂ elektrisch isoliert sein, um ein Anlegen eines von den Elektroden 26a und 26b verschiedenen elektrischen Potenzials zu ermöglichen.
5b zeigt eine zur 5a vergleichbare Ansicht des MEMS 50, wobei in 5b das bewegliche Element ausgelenkt ist. Eine Biegerichtung des beweglichen Elements, etwa entlang positiver x-Richtung kann über eine Orientierung der mechanischen Fixierungen 46 eingestellt werden.
Wie es im Zusammenhang mit der 4a beschrieben ist, kann die Widerstandstruktur 48 mit der Elektrode 26c mechanisch fest verbunden sein und mit dieser mitbewegt werden. Aus der Ansicht der 5b ergibt sich, dass die Auslenkung des beweglichen Elements auch zu einer Auslenkung der Widerstandstruktur 48 führen kann, wodurch ein hohes Maß an Fluid bewegt werden kann, sofern das MEMS 50 aktuatorisch betrieben wird. Bei einer sensorischen Betriebsweise kann bereits ein geringes Maß an bewegtem Fluid, d. h., wenig Kraft, ausreichend sein, um die dargestellte Auslenkung hervorzurufen.
Eine axiale Erstreckung der Elektroden 26a, 26b und 26c und somit der beweglichen Schichtanordnung parallel zu der Substratebene und senkrecht zu der Bewegungsrichtung 34, also bspw. entlang y, kann zumindest einen Faktor von zumindest 0,5, bevorzugt zumindest 0,6 und besonders bevorzugt von zumindest 0,7 verglichen mit einer Abmessung der beweglichen Schichtstruktur entlang einer Dickenrichtung z betragen. Die Abmessung entlang y kann alternativ oder zusätzlich einen Wert in einem Bereich von zumindest 10 µm und höchstens 5.000 µm, bevorzugt von zumindest 100 µm und höchstens 2.000 µm und besonders bevorzugt von zumindest 400 µm und höchstens 1.500 µm aufweisen.
Obwohl das MEMS 50 so dargestellt ist, dass das bewegliche Element zweiseitig eingespannt ist, ist ohne weiteres auch eine einseitige Einspannung möglich.
In anderen Worten ist eine zusätzliche oder alternative Möglichkeit, um die Effizienz von NED-Bauelementen zu vergrößern, die Nutzung einer Widerstandstruktur. In dem dargestellten Fall des L-NED Balkens kann das übliche Aspektverhältnis von weniger 30 oder in etwa 30 verwendet werden, sodass ein NED-Spalt 42 erhalten wird, der so klein wie möglich ist. Die Ausführungsbeispiele zielen nun darauf, dass auf der Vorderseite und/oder Rückseite des L-NED Balkens eine passive Heckstruktur oder Widerstandstruktur zusätzlich strukturiert wird. Die Heckstruktur ist teilweise oder komplett mit dem L-NED Balken verbunden. Bei der Bewegung des L-NED Balkens wird auch die Heckstruktur mitbewegt, damit wird viel mehr Flüssigkeit bzw. Luft, als Fluid, mitbewegt, als nur durch den L-NED Balken allein. Weil die Heckstruktur mit den L-NED Elektroden direkt verbunden ist, nimmt die Heckstruktur bei der Auslenkung des L-NED Balkens genau die gleiche Form an, wie die der Balken selbst. D. h., die Auslenkung oder die Krümmung der Heckstruktur kann genau gleich sein, wie die eines L-NED Balkens.
Die Heckstruktur kann im Prinzip beliebig hoch gemacht werden, d. h., die Abmessung 56 kann beliebig groß sein. Sie kann beispielsweise so groß sein, wie die Dicke des Handle-Wafers, das bedeutet, beispielsweise zumindest 300 µm, zumindest 500 µm oder zumindest 600 µm oder mehr, da diese Struktur nicht mehr den L-NED Begrenzungen unterliegt, d. h. schmale Spalte und Aspektverhältnisse < 30. Die Heckstruktur kann von der Rückseite des BSOI Wafers in einfacher Weise durch breitere Spalte (engl.: trench) strukturiert werden. Die Trenche/Gräben auf der Rückseite unterliegen zwar immer noch den herstellungsspezifischen Limitierungen (beispielsweise einer Bosch-Limitierung mit einem Aspektverhältnis von < 30), da die Trenche aber breiter gemacht werden können, insbesondere bei Verwendung lediglich einer Widerstandstruktur entlang der Trench-Richtung, können sie deswegen auch viel tiefer geätzt werden, was zu der großen Abmessung 56 führt. Die Heckstruktur kann natürlich auch unter den äußeren L-NED Elektroden 26a oder 26b hergestellt werden oder sogar als Extrastruktur parallel zu den L-NED Balken, wie es in 4c dargestellt ist. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel kann die L-NED Höhe 52 75 µm und die Heckstrukturhöhe 600 µm betragen. Dadurch kann somit eine entsprechende Struktur achtmal mehr Luft bewegen, als die L-NED Struktur allein. Das entspricht in etwa 18 dB mehr Schalldruckpegel im Fall eines Mikrolautsprechers. Dies erfolgt unter der Annahme, dass die Auslenkung des L-NED Balkens durch die zusätzliche Heckstruktur nicht erheblich beeinträchtigt wird. Um das zu gewährleisten, sehen Ausführungsbeispiele vor, die Steifigkeit der Heckstruktur in der lateralen Richtung, d. h., entlang der x-Richtung oder entlang der Bewegungsrichtung 34 so klein wie möglich auszuführen, was beispielsweise durch eine entlang dieser Richtung dünne Widerstandstruktur 48 erfolgen kann. Eine beispielhafte Abmessung der Widerstandstruktur 48 entlang der Richtung 34 entspricht beispielsweise höchstens 100 µm, höchstens 50 µm oder höchstens 1 µm. Solange die Heckstruktur mechanisch stabil ist, kann die Heckstruktur so dünn wie möglich gemacht werden, um die Trägheit und laterale Biegefestigkeit des gesamten Systems nicht erheblich zu beeinträchtigen. Der Verlust der lateralen Auslenkung durch die Anbindung der Heckstruktur an den L-NED Balken kann alternativ oder zusätzlich durch die Nutzung längerer Abmessungen entlang der y-Richtung und/oder durch eine weichere Einspannung, die eine zusätzliche Design-Freiheit des Systems darstellen, kompensiert werden.
In anderen Worten zeigen die 5a und 5b Draufsichten von unten, wobei die L-NED Balken (doppelseitig eingespannt) in einem Ruhezustand oder nicht ausgelenktem Zustand und einem ausgelenkten Zustand dargestellt sind. Die Heckstruktur 48 folgt genau der Bewegung und der Biegung/Krümmung des L-NED Balkens.
6a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element 32 einseitig eingespannt angeordnet ist, was es ermöglicht, dass ein freies Ende 68 der Biegebalkenstruktur eine vergleichsweise größere Auslenkung entlang der Bewegungsrichtung 34 aufweisen kann, als ein zentraler Bereich des beidseitig eingespannten Biegebalkens des MEMS 50.
Unabhängig davon weist das MEMS 60 Maßnahmen auf, die eine Steifigkeit der Widerstandstruktur 48 reduzieren. Hierfür kann die Widerstandstruktur eine beliebige Anzahl von zumindest zwei, zumindest drei, zumindest 5 oder zumindest 10 oder mehr Teilelementen 48a bis 48j umfassen, die an einer oder mehrerer Elektroden 26a, 26b und/oder 26c angeordnet sind. So sind beispielsweise die Teilelemente 48a bis 48j an der mittleren Elektrode 26c entlang eines axialen Verlaufs entlang der y-Richtung derselben angeordnet. Die Teilelemente 48a bis 48j sind basierend auf der Strukturierung des Widerstandselements 48 mit Abständen 72a bis 72i beabstandet voneinander, was die Steifigkeitsreduzierung bereitstellt, also den Beitrag zur Steifigkeitserhöhung durch die Widerstandsstruktur gering hält oder minimiert. Die Abstände 72a bis 72j können gleich oder voneinander verschieden sein und beispielsweise höchstens 100 µm, höchstens 50 µm oder höchstens 5 µm betragen, um fluidische Verluste zu vermeiden oder zumindest gering zu halten, wenn sich die senkrecht zu der Bewegungsrichtung 34 entlang der axialen Erstreckungsrichtung y angeordneten Teilelemente 48a bis 48j entlang der Bewegungsrichtung 34 bewegen.
Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen können die Teilelemente 48a bis 48j der Widerstandstruktur 48 sämtlich entweder mit der Elektrode 26a oder mit der Elektrode 26b oder mit der Elektrode 26c mechanisch fest verbunden sein.
6b zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 60` gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Teilelemente 48a bis 48i an zumindest zwei der Elektroden 26a, 26b und 26c angeordnet sind, in dem dargestellten Beispiel sind Teilelemente an jeder der Elektroden 26a, 26b und 26c angeordnet. Die Teilelemente sind entlang der axialen Erstreckungsrichtung y verteilt angeordnet, um den fluidischen Widerstand in der Kavität bereitzustellen. Durch die Anordnung an unterschiedlichen Elektroden 26a, 26b und/oder 26c ergibt sich jedoch ein weiterer Freiheitsgrad dahingehend, dass Projektionen 48'a bis 48'i der Teilelemente 48a bis 48i in eine Ebene 74, die parallel zu der axialen Erstreckungsrichtung und senkrecht zu der Substratebene angeordnet ist, beispielsweise parallel zu einer y-/z-Ebene, miteinander überlappen, also keinen Abstand aufweisen, wie es beispielsweise für die Projektionen 48'a und 48'b dargestellt ist. Obwohl einige der Projektionen 48'a bis 48'i zu benachbarten Projektionen Abstände aufweisen können, kann es vorteilhaft sein, dass benachbarte Projektionen einen Überlapp aufweisen.
Anders als in 6a, wo Fixierungen 46₁ bis 46₈ zwischen den Elektroden 26a und 26c einerseits und 26b und 26c andererseits symmetrisch angeordnet sind, können die Fixierungen 46₁ bis 46₇ in 6b asymmetrisch sein, etwa um eine Anpassung auf das Bewegungsprofil und/oder Belastungsprofil des beweglichen Elementes einzustellen.
Entlang der Bewegungsrichtung 34 wird der fluidische Widerstand erhalten, obwohl das Teilelement 48a an der Elektrode 26a und das Teilelement 48b an der Elektrode 26b angeordnet ist. Durch die Unterteilung oder Segmentierung wird die Steifigkeitsreduzierung erhalten. Der Überlapp 76 zwischen den Projektionen ermöglicht jedoch gleichzeitig geringe fluidische Verluste. Dass es sich hierbei um ein optionales Merkmal handelt, wird bei Betrachtung der Projektionen 48'b und 48'c deutlich, die anstelle des Überlapps 76 einen Abstand 78 aufweisen, der bevorzugt in Übereinstimmung mit den Abständen 72a bis 72h eingestellt ist, um die fluidischen Verluste gering zu halten.
In anderen Worten ist es zusätzlich denkbar, die Heckstruktur entlang ihrer Längsachse zu unterteilen und so den Beitrag zur Steifigkeitserhöhung in Bewegungsrichtung und damit der lateralen Auslenkungsverminderung signifikant zu reduzieren. Dabei sind die Unterteilungen durch Unterbrechungen dargestellt, deren fluidische Wirksamkeit (Vermeidung eines signifikanten akustischen Kurzschlusses, ggf. Dämpfungseinstellung) durch entsprechende geometrische Wahl (kleine Spalte, d. h. Abstände 72) gezielt eingestellt werden kann. Im Wesentlichen ist es vorteilhaft, die Lücken klein genug zu wählen. Aufgrund der Begrenzung des Aspektverhältnisses und damit gegebener minimaler Unterbrechungsbreite sowie entsprechenden fluidischen Verlusten kann es vorteilhaft sein, die Heckstruktur wechselseitig auf den Elektroden anzubringen, wie es in 6b dargestellt ist, sodass fluidisch eine Wand entsteht und dennoch die Steifigkeit signifikant reduziert sowie die technologischen Randbedingungen eingehalten werden können, indem die Projektionen einen Überlapp aufweisen.
In weiter anderen Worten zeigen die 6a und 6b Heckstrukturen mit Unterbrechungen. Der Aufbau eines Mikrolautsprechers oder einer Mikropumpe auf Basis von einer Heckstruktur ist dargestellt, d. h. die Heckstruktur aus den 4a bis 4c kann eine Deckelschicht oben und/oder unten aufweisen und mit Einlässen und/oder Auslässen versehen werden.
7a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 70₁ gemäß einem Ausführungsbeispiel, das beispielsweise das MEMS 40 aus 4a durch die erwähnten Deckelschichten 78₁ und 78₂ ergänzt, die mittels weiterer Zwischenschichten oder Bondschichten 82₁ und 82₂ mit den Schichten 18 bzw. 24 verbunden sein können. Die Schichten 78₁ und 78₂ können gleich gebildet sein, wie die Schicht 18. Die Bondschichten 82₁ und 82₂ können gleich oder ähnlich gebildet sein, wie die Zwischenschicht 22. Ein Abstand 84 zwischen den äußeren Elektroden 26a und 26b des beweglichen Elements und dem Substrat 12 kann größer sein, als die Spalte 42₁ und 42₂ , sodass hierfür die Höhe 52 keine wesentliche Einschränkung vorliegt.
In anderen Worten bietet die Heckstruktur in einem Mikrolautsprecher und/oder eine Mikropumpe designmäßig einen weiteren wichtigen Vorteil. Bekannte Mikrolautsprecher, etwa gemäß dem MEMS 2000 leiden, wie beschrieben, unter dem sogenannten vertikalen Pull-In Effekt. D. h., dass die Antriebspannung nicht so hoch sein darf, dass der L-NED Balken nach oben oder unten gezogen wird und in Kontakt mit den Deckelschichten kommt, d. h., der vertikale Pull-In Effekt auftritt. Je steifer die L-NED Struktur in der vertikalen Richtung entlang z ist, desto höher kann die Antriebspannung sein, ohne dass der vertikale Pull-In stattfindet. Der vertikale Pull-In ist besonders kritisch bei den einseitig eingespannten L-NED Balken. Die einseitig eingespannten L-NED Balken können sich im Normalfall zumindest am freien Ende mehr auslenken, als die je zweiseitig eingespannten Balken in der Mitte. Dieser Vorteil wird aber möglicherweise teilweise eingebüßt, wenn die Antriebspannung wegen der vertikalen Pull-In Effekte kleiner gewählt wird, als bei vergleichbaren zweiseitig eingespannten L-NED Balken.
Die vertikale Steifigkeit der L-NED Struktur ist möglicherweise zu einem erheblichen Anteil oder hauptsächlich durch die Dicke/Höhe, durch die Länge und durch die Einspannung des L-NED Balkens definiert. Je dicker und kürzer der Balken und/oder je höher die Steifigkeit der Einspannung, desto unempfindlicher ist der Balken möglicherweise gegenüber dem vertikalen Pull-In. Allerdings lässt sich die Dicke des L-NED Balkens, wie erläutert, nicht beliebig groß wählen, da die Limitierung der Herstellungsprozesse unverändert gelten, etwa die Limitierung des Bosch-Prozesses. Die Länge des Balkens kann auch nicht zu kurz gewählt werden und die Steifigkeit der Einspannung auch nicht zu gering, weil damit die laterale Auslenkung begrenzt wird. D. h., lange Balken mit einer Einspannung geringer Steifigkeit sind für den Mikrolautsprecher und/oder die Mikropumpe bezüglich der Auslegung wünschenswert, um eine hohe Auslenkung zu erhalten. Das limitiert aber die Antriebspannung wegen des vertikalen Pull-Ins. D. h. der Vorteil, der bezüglich der Auslenkung gewonnen wird, in dem lange Balken und geringe Steifigkeiten gewählt werden, kann durch die Reduzierung der Antriebspannung, wegen vertikaler Pull-In Effekte zumindest teilweise verlorengehen.
Die erläuterte Heckstruktur/Widerstandstruktur bietet eine Lösung für das beschriebene Dilemma. Da die Höhe der Heckstruktur nahezu beliebig, etwa achtmal größer als die der L-NED Balken gewählt werden kann, wird die Steifigkeit der Gesamtstruktur durch die Heckstruktur in vertikaler Richtung erheblich erhöht und dominiert bezüglich der Gesamtsteifigkeit. Damit wird zusätzlicher Spielraum bei der Auslegung der Länge und/der Einspannung des L-NED Balkens gewonnen. Beispielsweise kann, um mehr laterale Auslenkung zu erhalten, der Balken länger und die Einspannung weicher ausgelegt werden. Der dadurch entstehende Nachteil, was den vertikalen Pull-In Effekt betrifft, wird dann durch die Höhe der Heckstruktur kompensiert. Der Vorteil gilt für einseitig als auch für zweiseitig eingespannte L-NED Balken.
7b zeigt eine schematische Querschnittansicht eines MEMS 70₂ gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Öffnung 28₂ zum Verbinden der Kavität 16 mit einer äußeren Umgebung 88 außerhalb des Substrats 12 in einer Ebene der beweglichen Schichtanordnung angeordnet ist, das bedeutet, es überlappt zumindest teilweise mit dem Widerstandselement 48 und/oder der Schicht 24 der Elektroden 26a, 26b und 26c und/oder der Zwischenschicht 22. Eine derartig lateral angeordnete Öffnung kann es ermöglichen, die Schicht 78₂ für andere Zwecke zu verwenden, als für eine Öffnung. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Öffnung 28₁ lateral angeordnet sein. Eine laterale Anordnung einer oder mehrerer Öffnungen ist in sämtlichen der hierin beschriebenen MEMS ohne Einschränkungen möglich. Die Öffnungen 28₁ und 28₂ können auch im Bereich der Einspannungen eines beidseitig eingespannten Balkens im Bereich der beweglichen Schichtanordnung oder im Bereich des eingespannten und frei beweglichen Endes eines einseitig eingespannten Balkens der beweglichen Schichtanordnung angeordnet sein.
8a zeigt eine schematische Querschnittansicht eines MEMS 80₁ gemäß einem Ausführungsbeispiel, das die Merkmale der doppelt ausgeführten Elektroden und der Heckstruktur oder Widerstandstruktur kombiniert. Dies kann auch so verstanden werden, dass beispielsweise die im Zusammenhang mit dem MEMS 70₁ beschriebene bewegliche Struktur in der Kavität 16 doppelt ausgeführt ist und/oder dass das MEMS 10, 20, 30₁ oder 30₂ zusätzlich mit der Widerstandstruktur versehen wird oder mit mehreren Widerstandstrukturen versehen wird. So können beispielsweise die Schichten 24₁ und 24₂ in die Elektroden 26a, 26b und 26c bzw. 26d, 26e und 26f strukturiert sein, die ganz oder teilweise über die Zwischenschicht 22₂ miteinander verbunden sind. Hierdurch können zwei bewegliche Elemente 32₁ und 32₂ erhalten werden, die durch die Verbindung mit der Zwischenschicht 22₂ mechanisch miteinander fest verbunden sein können. Mit dem jeweiligen beweglichen Element 32₁ und 32₂ kann eine entsprechende Widerstandstruktur 48₁ bzw. 48₂ mechanisch fest verbunden sein oder Teil hiervon sein. Die Widerstandstrukturen 48₁ und 48₂ können dabei gleich oder voneinander verschieden ausgebildet sein, etwa durch Strukturierung in eine unterschiedliche Anzahl von Teilbereichen, eine Anordnung der Widerstandstruktur oder Teilbereichen hiervon an unterschiedlichen Elektroden und/oder unterschiedlicher Abmessungen entlang der z-Richtung, wie es für sämtliche der Schichten der beweglichen Elemente 32₁ und 32₂ möglich ist.
Das MEMS 80₁ kann so gebildet sein, dass die beweglichen Elemente im Hinblick auf die Elektrodenanordnungen 26a bis 26c und 26d bis 26f entlang der Richtung z senkrecht zu der Substratebene zwischen der ersten Widerstandstruktur 48₁ und 48₂ benachbart zueinander angeordnet sind.
8b zeigt eine schematische Querschnittansicht des MEMS 80₂ , bei dem die relative Ausrichtung oder Orientierung der beweglichen Elemente 32₁ und 32₂ gegenüber dem MEMS 80₁ vertauscht ist, sodass die Widerstandstrukturen 48₁ und 48₂ benachbart zueinander und entlang der z-Richtung senkrecht zu der Substratebene zwischen den beweglichen Elementen 32₁ und 32₂ bzw. den Elektrodenanordnungen 26a bis 26c und 26d bis 26f angeordnet sind. Obwohl die Zwischenschicht 22₂ zwischen den Widerstandstrukturen 48₁ und 48₂ entfernt dargestellt ist, kann sie ebenso für eine mechanische Fixierung zwischen den Widerstandstrukturen 48₁ und 48₂ vorgesehen sein. In der dargestellten Variante können die Widerstandstrukturen 48₁ und 48₂ jedoch relativ zueinander beweglich sein, was eine unterschiedliche Ansteuerung ermöglicht. Beide Widerstandsstrukturen können mit einer aktiven Struktur dann verbunden sein, die diese Bewegung ermöglicht oder ansteuert, etwa über die beweglichen Elemente 32₁ und 32₂. Eine für die MEMS 80₁ und 80₂ vorgesehene Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um die beweglichen Elemente 32₁ und 32₂ individuell oder gemeinsam anzusteuern. Die Ansteuereinrichtung 86 kann für jedes andere hierin beschriebene MEMS vorgesehen sein, um die bewegliche Schichtstruktur anzusteuern.
In anderen Worten kann die Idee der Stapelung von Elektroden und die der Heckstruktur kombiniert werden, um noch höhere Schalldruckpegel zu erzielen. Beispielhafte Kombinationen sind in den 8a und 8b dargestellt. Dies kann abermals eine Verdoppelung des bewegten Volumens bewirken, d. h. im Fall eines Mikrolautsprechers sind nochmals 6 dB mehr Lautstärke zu erhalten. D. h., die Kombination aus Stapelung und Heckstruktur könnte eine theoretische Verbesserung der Lautstärke von in etwa 25 dB bewirken (2x9), wobei angenommen wird, dass in dem Beispiel 20*log(2*9) = 25 dB mit 2 für die Verdoppelung des Volumens und 9 der Faktor der erhaltenen Gesamthöhe (600+75)/75 beschreibt. Bei der Struktur gemäß 8a kann der vertikale Pull-In sogar komplett eliminiert werden. Wenn die Heckstrukturen 48₁ und 48₂ sowie die Deckel 78₁ und 78₂ geerdet sind, dann kann eine Entstehung elektrischer Kräfte zwischen der Heckstruktur und den Deckel-Wafern vermieden werden, d. h., der vertikale Pull-In kann praktisch nicht mehr auftreten.
Obwohl die 8a und 8b jeweils eine Stapelung von zwei L-NED-T Aktoren, das T deutet auf die Form der Elektroden kombiniert mit der Widerstandstruktur hin, zeigen, ist das Konzept beliebig erweiterbar, sodass beispielsweise weitere, zusätzliche Elektrodenstrukturen oder L-NED-Aktuatoren hinzugefügt werden können.
9 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Elektroden oder Balken 26a, 26b und 26c gegenüber den in der benachbarten Schicht angeordneten Balekn oder Elektroden 26d, 26e bzw. 26f um einen möglicherweise elektrodenindividuellen Versatz 91₁, 91₂ bzw. 91₃ versetzt sind, wobei der Versatz alternativ auch bei zwei oder mehreren Elementen zumindest betragsmäßig gleich sein kann oder auch in unterschiedliche Richtungen entlang der x-Richtung weisen kann.
Die Schichten 24₁ und 24₂, sowie die aus diesen Schichten herausstrukturierten beweglichen Elemente 32₁ und 32₂ sind bspw. über Zwischenschichten 22₁ und 22₂ miteinander verbunden. Ausführungsbeispiele beinhalten, dass die Abstände 91₁, 91₂, und 91₃ keine gleichen Werte einnehmen müssen aber können.
10 zeigt in einer Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels, dass die Schichten 24₁ und 24₂ , die in Balken strukturiert sind, die zusammen die bewegliche Schichtanordnung 36 bilden. Analog zu 9 sind die Abstände der Balken 91₁ , 91₂ , und 91₃ zueinander ist höchstens 100 µm, bevorzugt 50 µm, besonders bevorzugt 5 µm dargestellt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es auch, die Eintrittsöffnungen und/oder Austrittsöffnungen lateral in der Ebene der Heckstruktur zu gestalten, sodass die Deckel- und Bodenebene für die elektrische Signalverteilung zur Verfügung steht. Dadurch kann eine bevorzugte höhere Packungsdichte erreicht werden.
Ausführungsbeispiele ermöglichen eine hohe, beispielsweise 16-fache Vergrößerung der Querfläche eines L-NED basierten Aktuators. Das kann bei einem erfindungsgemäßen Mikrolautsprecher bis zu 24 dB mehr Schallpegel generieren, was eine beachtliche Größe ist. Darüber hinaus ist der Effekt auch für erfindungsgemäße Mikropumpen vorteilhaft. Die vertikale Pull-In Spannung wird stark vergrößert, da die Höhe der Gesamtstruktur durch die Heckstruktur vergrößert wird. Eine höhere Pull-In Spannung liefert mehrere Design-Freiheiten, z. B. die L-NED Länge größer zu machen und die Einspannung (einseitig oder beidseitig) weicher zu machen, um somit eine größere NED-Auslenkung zu erreichen. Andere Anwendungen beziehen sich neben Pumpen, Lautsprechern und Mikrophonen auch auf MEMS Wellenleiter für hohe Frequenzen, insbesondere im THz-Bereich.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

MEMS umfassend: ein Substrat (12), das eine Kavität (16) aufweist; eine in der Kavität (16) angeordnete bewegliche Schichtanordnung (36) umfassend einen ersten Balken (26a), einen zweiten Balken (26b) und einen zwischen dem ersten Balken (26a) und zweiten Balken (26b) angeordnete und von denselben an diskreten Bereichen elektrisch isoliert fixierten dritten Balken (26c); wobei die bewegliche Schichtanordnung (36) ausgebildet ist, um ansprechend auf ein elektrisches Potential zwischen dem ersten Balken (26a) und dem dritten Balken (26c) oder um ansprechend auf ein elektrisches Potential zwischen dem zweiten Balken (26b) und dem dritten Balken (26c) eine Bewegung entlang einer Bewegungsrichtung (34) in einer Substratebene auszuführen; wobei der erste, zweite und dritte Balken (26a-c) Teil einer ersten Schicht (24; 24₁) der beweglichen Schichtanordnung (36) sind und die bewegliche Schichtanordnung eine zweite Schicht (24₂; 18) aufweist, die entlang einer Richtung (z) senkrecht zu der Substratebene benachbart zu der ersten Schicht (24; 24₁) angeordnet ist; wobei die zweite Schicht (24₂; 18) entlang der Bewegungsrichtung (34) beweglich angeordnet ist; wobei der erste Balken (26a), der zweite Balken (26b) und der dritte Balken (26c) ein bewegliches Element (32) bilden, und bei dem die zweite Schicht (18) eine Widerstandsstruktur (48) für eine Interaktion mit einem Fluid in der Kavität (16) bildet, die mit dem beweglichen Element (32) mechanisch verbunden ist und mit dem beweglichen Element (32) mitbewegt und/oder mit verformt wird.
MEMS gemäß Anspruch 1, bei dem die Balken (26a-c) elektrostatische, piezoelektrische, thermomechanische Elektroden sind.
MEMS gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Widerstandsstruktur (48) mittels einer Zwischenschicht (22) mit der ersten Schicht verbunden ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Schicht (24₁) ferner ein Huckepackelement (62) umfasst, das mechanisch an dem ersten oder zweiten Balken (26a, 26b) an einer dem dritten Balken (26c) abgewandten Seite fixiert ist, wobei die Widerstandsstruktur (48) zumindest teilweise an dem Huckepackelement (62) angeordnet ist.
MEMS gemäß Anspruch 4, bei dem das Huckepackelement (62) über ein Koppelelement (64) mit dem ersten oder zweiten Balken (26a, 26b) mechanisch fest verbunden ist, wobei das Koppelelement (64) in einem Bereich angeordnet ist, der bei einer Verformung des beweglichen Elements (32) die maximale Auslenkung erfährt.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Widerstandsstruktur (48) mehrere Teilelemente (48a-j) aufweist, die entlang einer axialen Erstreckungsrichtung (y) der beweglichen Schichtanordnung (36) senkrecht zu der Bewegungsrichtung (34) und parallel zu der Substratebene angeordnet sind.
MEMS gemäß Anspruch 6, bei dem die Teilelemente (48a-j) entlang der axialen Erstreckungsrichtung (y) einen Abstand (72) zueinander aufweisen.
MEMS gemäß Anspruch 5, bei dem der Abstand (72) höchstens 100 µm, bevorzugt höchstens 100 µm, besonders bevorzugt höchstens 1 µm beträgt
MEMS gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die Teilelemente (48a-j) entweder mit dem ersten Balken (26a), oder mit dem zweiten Balken (26b) oder mit dem dritten Balken (26c) mechanisch fest verbunden sind.
MEMS gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Teilelemente (48a-j) an zumindest zwei aus dem ersten Balken (26a), dem zweiten Balken (26b) und dem dritten Balken (26c) angeordnet sind.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem entlang oder entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung (34) ein erster Abstand (58₁) zwischen der Widerstandsstruktur (48) und dem Substrat (12) größer ist als ein zweiter Abstand (42₁) zwischen dem ersten Balken (26a) und dem dritten Balken (26c).
MEMS gemäß Anspruch 11, bei dem der erste Abstand (58₁) um zumindest den Faktorbereich 1 bis 20, bevorzugt 3 bis 10, besonders bevorzugt 5 bis 7 größer ist als der zweite Abstand (42₁).
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zweite Schicht (18) eine Schichtdicke (56) senkrecht zu der Substratebene aufweist, die um zumindest den Faktorbereich 1 bis 20, bevorzugt 3 bis 10, besonders bevorzugt 5 bis 7 größer ist als die erste Schicht (24₁).
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Aspektverhältnis der ersten Schicht (24₁) bezüglich einer Schichtdicke (52) der ersten Schicht (24₁) und einem Abstand (42₁) zwischen dem ersten Balken (26a) und dem dritten Balken (26c) kleiner ist als 40.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Widerstandsstruktur (48) eine erste Widerstandsstruktur ist, die an einer ersten Seite der ersten Schicht (24₁) angeordnet ist, und das ferner eine zweite Widerstandsstruktur aufweist, das an einer der ersten Seite gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite der ersten Schicht (24₁) angeordnet ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Widerstandsstruktur (48) einen fluidischen Widerstand für ein in der Kavität (16) angeordnetes Fluid bereitstellt.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die bewegliche Schichtanordnung (36) eine dritte Schicht (24₂) aufweist, die in einen vierten Balken (26d), einen fünften Balken (26e) und einen sechsten Balken (26f) strukturiert ist; wobei der erste, zweite und dritte Balken (26a-c) ein erstes bewegliches Element (32₁) bilden und wobei der vierte, fünfte und sechste Balken (26d-f) ein zweites bewegliches Element (32₂) der beweglichen Schichtanordnung (36) bilden.
MEMS gemäß Anspruch 17, bei dem das erste bewegliche Element (32₁) mechanisch mit dem zweiten beweglichen Element (32₂) verbunden oder nicht verbunden ist.
MEMS gemäß Anspruch 17 oder 18, bei dem die Widerstandsstruktur (48) eine erste Widerstandsstruktur (48₁) ist, und die eine zweite Widerstandsstruktur (48₂) aufweist, die mit dem zweiten beweglichen Element (32₂) verbunden ist.
MEMS gemäß Anspruch 19, bei dem das erste bewegliche Element (32₁) und das zweite bewegliche Element (32₂) benachbart zueinander und entlang einer Richtung (z) senkrecht zu der Substratebene zwischen der ersten Widerstandsstruktur (48₁) und der zweiten Widerstandsstruktur (48₂) angeordnet sind.
MEMS gemäß Anspruch 19, bei dem die erste Widerstandsstruktur (48₁) und die zweite Widerstandsstruktur (48₂) benachbart zueinander und entlang einer Richtung (z) senkrecht zu der Substratebene zwischen dem ersten beweglichen Element (32₁) und dem zweiten beweglichen Element (32₂) angeordnet sind.
MEMS gemäß Anspruch 21, bei dem die erste Widerstandsstruktur (48₁) und die zweite Widerstandsstruktur (48₂) relativ zueinander beweglich sind.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die bewegliche Schichtstruktur (36) eine Biegebalkenstruktur umfasst, die einseitig eingespannt an dem Substrat (12) angeordnet ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Schichtdicke der ersten Schicht (24; 24₁) und der zweiten Schicht (24₂; 18) senkrecht zu der Substratebene zumindest 50 µm beträgt.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine axiale Erstreckung entlang der beweglichen Schichtanordnung einer Richtung (y) parallel zu der Substratebene und senkrecht zu der Bewegungsrichtung (36) eine Abmessung von zumindest einem Faktor von 0,5 verglichen mit einer Abmessung der beweglichen Schichtanordnung entlang einer Dickenrichtung beträgt. 10 bis 5000 µm, bevorzugt 100 µm bis 2000 µm, besonders bevorzugt 400 µm bis 1500 µm beträgt.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kavität (16) über zumindest eine Öffnung (28) mit einer äußeren Umgebung (88) des Substrats (12) fluidisch verbunden ist, wobei die zumindest eine Öffnung (28) in einer Ebene der beweglichen Schichtanordnung angeordnet ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das als MEMS-Pumpe oder als MEMS-Lautsprecher, als MEMS-Mikrofon oder als MEMS THz-Wellenleiter gebildet ist.
MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Ansteuereinrichtung (86), die ausgebildet ist, um die bewegliche Schichtstruktur anzusteuern.
MEMS gemäß Anspruch 28, bei dem der erste, zweite und dritte Balken (26a-c) ein erstes bewegliches Element (32₁) bilden, und das MEMS eine Mehrzahl von beweglichen Elementen aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung (86) ausgebildet ist, um die Mehrzahl von beweglichen Elementen individuell anzusteuern.