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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Beim Entwurf von mikromechanischen bzw. mikrolektromechanischen Systemen (microelectromechanical systems, MEMS), wie z.B. Drehraten- (DRS), Beschleunigungs- (BS), Drucksensoren (DS), Mikrospiegeln etc., besteht eine vordringliche Aufgabe darin, die gewünschten mechanischen und elektrostatischen Eigenschaften durch eine geschickte Wahl der geometrischen Gestaltung sowie eines geeigneten Herstellungsprozesses so auszulegen, dass die in der jeweiligen Anwendungssituation erforderlichen Vorgaben eingehalten werden können. Sensoren dieser Art bestehen üblicherweise aus mehrschichtigen Strukturen, deren Elemente entweder fest oder beweglich sind und z.B. bewegliche Massen, Federn oder Membrane bilden. Bei vielen Herstellungsprozessen müssen Schichten, die später als bewegliche Strukturen fungieren, herstellungsbedingt perforiert, d.h. mit Ausnehmungen versehen werden. Durch diese Perforation werden die mechanischen und elektrischen Eigenschaften zwangsweise beeinflusst, so dass sich diese Eigenschaften insbesondere nur schwer unabhängig voneinander einrichten lassen. So werden beispielsweise die elektrostatischen Eigenschaften von out-of-plane Kapazitäten hauptsächlich vom Gap-Abstand zwischen der Substrat-Elektrode zur untersten Schicht der beweglichen Struktur beeinflusst. Etwaig vorhandene weitere Schichten, die sich über der untersten Schicht befinden, spielen für die Elektrostatik dagegen nur eine untergeordnete Rolle.
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Insbesondere bei Drehratensensoren besteht eine besondere Herausforderung darin, die Eigenfrequenzen höhere Störmoden in besonderer Weise zu gestalten, so dass sie z.B. in spezielle Frequenzbereiche fallen. Herstellungsprozesse können eine oder mehrere Nutzschichten bereitstellen, die im Verbund oder als Einzelschicht bestimmte Strukturelemente formen können.
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Ebenso wie mechanische Steifigkeiten und Frequenzen sind auch Dämpfungseffekte wichtige Designeigenschaften, die es zu berücksichtigen gilt. Es gibt diverse Dämpfungsmechanismen, die physikalisch unterschiedlich wirken. Dazu gehören u.a. die
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- • Slide-Film-Dämpfung (eine Fläche bewegt sich parallel relativ zu einer anderen)
- • Dämpfung durch Kanalreibung (Durchströmung eines Kanals erzeugt Reibungskraft)
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Alle Dämpfungseffekte tragen mit unterschiedlichen Beiträgen zur Gesamtdämpfung bzw. Güte einer Mode bei. Diese können durch unterschiedliche Perforationsarten jeweils gezielt beeinflusst werden.
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Der Einsatz von Perforationen in MEMS Prozessen ist beispielsweise aus den Druckschriften
US 2013/0263662 A1 ,
JP 2014-149234 A und
US 2018/0252745 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für die geometrischen Formgebung der mikromechanischen Struktur zusätzliche Gestaltungsfreiheiten zu schaffen, um mechanische und elektrostatische Eigenschaften möglichst unabhängig voneinander einzustellen.
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Die mechanischen Eigenschaften lassen sich in Unter-Kategorien unterteilen, insbesondere in
- • Federsteifigkeiten, Massen (d.h. Trägheiten) und damit Frequenzlagen von Nutzmoden
- • Federsteifigkeiten, Massen und damit Frequenzlagen von Parasitärmoden
- • Dämpfungen von Nutzmoden
- • Dämpfungen von Parasitärmoden Analog können die elektrischen Eigenschaften unterteilt werden z.B. in
- • Kapazitäten, Empfindlichkeiten und Mitkoppelfähigkeit von „Nutz-Elektroden“
- • Kapazitäten, Empfindlichkeiten und Mitkoppelfähigkeit von „Parasitär-Elektroden“ (z.B. Zuleitungen)
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So kann es beispielsweise wünschenswert sein, eine Struktur mit hoher Masse und hoher Nutzkapazität zu erzeugen und eine zweite Struktur mit gleicher Masse aber geringer Nutzkapazität (bei gleichen Außenmaßen). Dies ist mit herkömmlichen Ein-Schicht-Herstellungsprozessen nur sehr schwer und auch nur in geringem Maße möglich (z.B. durch Variation von Aspektverhältnissen zwischen Länge und Breite der Elementarzellen), denn über die Skalierung der Massenstegbreiten (Umrandungen der Perforationslöcher) skaliert gleichzeitig auch die Überlappfläche mit der Substratebene, die üblicherweise Gegenelektroden zur beweglichen Masse bilden, wodurch elektrostatische Größen entsprechend mitskalieren.
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Neben der Masse und den elektrostatischen Eigenschaften wird bei herkömmlichen Perforationen zudem die Dämpfung zwangsläufig mit beeinflusst. Die Anteile der Squeeze-Film- sowie Slide-Film-Dämpfung ändern sich durch die veränderte Überlappfläche gegenüber dem Substrat und die Kanalreibungsdämpfung ändert sich durch den veränderten Querschnitt (sowie die Kanallänge) des Perforationsloches. Auch dieses Verhalten bezüglich der Dämpfung kann unerwünscht sein.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, in die beweglichen Massen gezielt Hohlräumen einzubringen und dadurch Designfreiheiten zu schaffen, durch die physikalische Eigenschaften wie die Lage von mechanischen Eigenfrequenzen, Charakteristiken von Elektrostatikgrößen und Dämpfungseigenschaften weitgehend unabhängig voneinander eingestellt werden können. Neben dem erweiterten Gestaltungsspielraum lassen sich hierdurch zudem neue Funktionalitäten realisieren.
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Die nachfolgend dargestellten Möglichkeiten könnten insbesondere durch die Verwendung von Herstellungsprozessen realisiert werden, bei denen mehr als eine funktionale (d.h. bewegliche) Schichtebene erzeugt wird. Bereits ab zwei Schichtebenen, die unabhängige Strukturen ausbilden aber auch als fester Verbund verwendet werden können, ergeben sich vielfältige Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Grundgedanken umzusetzen. Bei mehr als zwei Schichten ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten, insbesondere dann, wenn mindestens eine der oberen Schichten auch unperforiert realisiert werden kann.
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Zur Beschreibung der geometrischen Verhältnisse wird das folgende Bezugssystem zugrunde gelegt: Das mikromechanische Bauelement weist eine Haupterstreckungsebene auf, die im Wesentlichen parallel zur Substratebene verläuft. Parallel zur Haupterstreckungsebene lässt sich eine X-Richtung und eine auf der X-Richtung senkrecht stehende Y-Richtung definieren, die beispielsweise mit den Bewegungsrichtungen der beweglichen Masse (z.B. Antriebsrichtung und Detektionsrichtung) zusammenfallen können. Richtungen parallel zur Haupterstreckungsebene werden im Folgenden auch als laterale Richtungen bezeichnet. Senkrecht zur Haupterstreckungsebene verläuft eine vertikale Richtung (Z-Richtung), ohne dass durch den Begriff „vertikal“ eine Beziehung zur Schwerkraftrichtung impliziert ist. Die gegenseitige Lage der verschiedenen Schichten bezüglich der vertikalen Richtung wird im Folgenden auch mit den Begriffen „oben“ und „unten“ beschrieben, wobei „unten“ die Richtung zum Substrat hin bezeichnet.
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Das mikromechanische Bauelement gemäß Anspruch 1 hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass durch die besondere Gestaltung der Ausnehmung ein zusätzlicher Spielraum zur unabhängigen Beeinflussung der mechanischen und elektrostatischen Eigenschaften und des Dämpfungsverhaltens eröffnet wird. Die Ausnehmung kann dabei entweder ein Durchgangs- oder ein Blindloch bilden und weist einen ersten und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt durch eine durchgehende Ausnehmung in der ersten Schicht gebildet wird und der zweite Abschnitt durch eine unmittelbar daran anschließende durchgehende Ausnehmung in der zweiten Schicht gebildet wird, wobei die laterale Ausdehnung (d.h. die Ausdehnung des Querschnitts parallel zur Haupterstreckungsebene) der beiden Teilausnehmungen verschieden ist. Mit anderen Worten weist die Ausnehmung parallel zur Haupterstreckungsebene einen Querschnitt auf, der in der ersten Schicht größer oder kleiner ist als in der zweiten Schicht. Durch das Gesamtvolumen der Ausnehmung wird die Masse, d.h. Trägheit der beweglichen Struktur beeinflusst, während sich über den vertikalen Verlauf der lateralen Ausdehnung der Ausnehmung der Schwerpunkt und das Massenträgheitsmoment der beweglichen Masse gezielt beeinflussen lassen. Ist beispielsweise der Querschnitt der Ausnehmung in der oberen Schicht größer, so verschiebt sich der Schwerpunkt nach unten und umgekehrt. Befindet sich über oder unter der beweglichen Masse eine Elektrode, so wird durch die Öffnung der Ausnehmung die der Elektrode zugewandte Fläche der beweglichen Masse reduziert und somit die elektrostatische bzw. kapazitive Kopplung zwischen der Masse und der Elektrode verändert. Durch eine geeignete Wahl der lateralen Ausdehnung der Ausnehmung in der entsprechenden Schicht lässt sich diese Kopplung daher über die Fläche der Öffnung beeinflussen. Weiterhin wird durch den Querschnitt der Öffnung das Dämpfungsverhalten verändert, da sich die Anteile der Squeeze-Film- sowie Slide-Film-Dämpfung durch die veränderte Überlappfläche gegenüber dem Substrat ändern. Ein weiterer Einfluss auf das Dämpfungsverhalten ergibt sich aufgrund der Änderung der Kanalreibungsdämpfung durch die veränderten Öffnungsquerschnitte bzw. die Verengung oder Aufweitung der Ausnehmung beim Übergang von der ersten zur zweiten Schicht.
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Vorzugsweise weist die Ausnehmung in der ersten Schicht einen ersten Querschnitt und die Ausnehmung in der zweiten Schicht einen zweiten Querschnitt auf, wobei der erste und der zweite Querschnitt insbesondere eine ähnliche oder dieselbe geometrische Form aufweisen. Beispielsweise können beide Querschnitte rechteckig gestaltet sein, wobei das Aspektverhältnis von X-Ausdehnung zu Y-Ausdehnung zwischen den beiden Querschnitten gleich oder verschieden sein kann. Die laterale Ausdehnung der Ausnehmung kann in der unteren (d.h. näher zum Substrat gelegenen) Schicht kleiner sein als in der oberen Schicht oder umgekehrt. Die bewegliche Masse kann eine einzige Ausnehmung aufweisen, die in diesem Fall vorzugsweise durch den Schwerpunkt verläuft. Weiterhin sind Ausführungsformen möglich, bei denen die bewegliche Masse eine Mehrzahl von durch Durchgangs- oder Blindlöchern gebildeten Ausnehmungen aufweist, die analog unterschiedliche laterale Ausdehnungen in den beiden Schichten aufweisen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die bewegliche Masse mindestens eine dritte Schicht auf, wobei die dritte Schicht an die zweite Schicht angrenzt und die Ausnehmung in der dritten Schicht eine dritte laterale Ausdehnung aufweist, die von der zweiten lateralen Ausdehnung verschieden ist. Die laterale Ausdehnung kann beispielsweise in der mittleren Schicht größer sein als in der darunter liegenden Schicht und kleiner als in der darüber liegenden. Die laterale Ausdehnung kann auch in der mittleren Schicht kleiner sein als in der darunter und darüber liegenden Schicht. Dieses Schema erweitert sich selbstverständlich in natürlicher Weise auf mehr als drei Schichten. Alternativ ist auch denkbar, dass die dritte Schicht unperforiert ausfällt, d.h. keine Ausnehmungen aufweist, so dass die Ausnehmung in der beweglichen Masse kein Durchgangsloch, sondern ein Blindloch bildet. Die dritte Schicht kann dabei beispielsweise die unterste Schicht bilden, so dass das Blindloch nach oben hin offen ist. Umgekehrt kann die unperforierte dritte Schicht die oberste Schicht bilden, so dass das Blindloch nach unten hin offen ist. Auch hier sind Ausführungsformen mit mehr als drei Schichten denkbar, bei denen eine jeweils äußerste Schicht (d.h. die unterste oder oberste Schicht) oder eine mittlere Schicht unperforiert ist.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform verbindet die Ausnehmung eine erste Öffnung an einer Unterseite der beweglichen Masse mit einer zweiten Öffnung an einer Oberseite der beweglichen Masse und die erste Öffnung ist von der zweiten Öffnung in einer Richtung parallel zur Haupterstreckungseben beabstandet. Anders ausgedrückt bildet die Ausnehmung einen durchgehenden Kanal durch die bewegliche Masse, wobei der Kanal in der ersten Schicht vertikal, in der zweiten Schicht im Wesentlichen lateral (parallel zur Haupterstreckungsebene) und in der dritten Schicht wieder vertikal verläuft. Durch eine solche Gestaltung lässt sich das Strömungsverhalten durch den Kanal gezielt beeinflussen und damit das Dämpfungsverhalten der beweglichen Masse vorteilhafterweise verändern. Die Öffnungen an der Oberfläche der beweglichen Masse liegen dabei bezüglich der vertikalen Richtung nicht übereinander, sondern sind lateral, d.h. bezüglich der X- und/oder Y-Richtung beabstandet. Der Kanal kann auch in der zweiten Schicht einen nicht-geradlinigen Verlauf haben, also beispielsweise zwei oder mehr Abschnitte aufweisen, die schräg oder senkrecht zueinander verlaufen. Beispielsweise kann der erste Abschnitt von der Ausnehmung in der ersten Schicht aus zunächst in X-Richtung verlaufen während der daran anschließende zweite Abschnitt in Y-Richtung zur Ausnehmung in der dritten Schicht hin verläuft. Die Ausnehmungen in der ersten und zweiten Schicht (und damit die zugehörigen Öffnungen an der Oberfläche der beweglichen Masse) können auch durch einen komplexeren Verlauf des Kanals in der dritten Schicht verbunden werden. Beispielsweise ist hier ein U-förmiger Verlauf möglich, bei dem ein erster Abschnitt in X-Richtung, ein zweiter Abschnitt in Y-Richtung und ein daran anschließender dritter Abschnitt parallel zum ersten Abschnitt, diesem jedoch entgegengesetzt verläuft. Denkbar sind weiterhin mäander- oder spiralförmige Verläufe. Denkbar sind auch Ausführungsformen mit mehr als drei Schichten, bei denen der Kanal zwischen den beiden Öffnungen eine Form von der Art einer Helix oder eines Siphons aufweist. Weiterhin denkbar sind Ausführungsformen bei denen die beiden Öffnungen des Kanals bezüglich der vertikalen Richtung übereinander liegen, der Kanal jedoch in den dazwischen liegenden Schichten lateral verläuft, so dass das durchströmende Medium im Innern der beweglichen Masse beispielsweise auf einen helixförmigen Verlauf gezwungen wird.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 4. Hier weist die erste Schicht der beweglichen Masse eine Fläche auf, die einer parallel dazu verlaufenden substratfesten Fläche gegenüberliegt, wobei die beiden Flächen einander zugewandt sind und durch einen Spalt voneinander beabstandet sind. Durch die Größe und Form des Spaltes werden die beiden folgenden Eigenschaften des Bauteils beeinflusst: Handelt es sich bei der substratfesten Fläche um die Fläche einer Elektrode bzw. einer als Elektrode wirkenden Struktur, so bestimmt der Spalt die elektrostatische und/oder kapazitive Kopplung zwischen der Elektrode und der beweglichen Masse. Unabhängig davon kommt es bei einer Bewegung der Masse durch die Vermittlung des zwischen Masse und Elektrode befindlichen Mediums (insbesondere Gas wie z.B. Luft) zu Dämpfungsverlusten die insbesondere das Schwingungsverhalten der beweglichen Masse verändern. Die substratfeste Fläche kann hier insbesondere direkt auf dem Substrat aufgebracht sein, oder durch das Substrat selbst gebildet werden. Eine Veränderung des Dämpfungsverhaltens lässt sich in diesem Fall beispielsweise durch Bildung von Ausnehmungen der untersten Schicht der beweglichen Masse erreichen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass es sich bei der substratfesten Fläche um die Fläche einer Kappe handelt, die beispielsweise den Sensorkern nach außen hin abschließt und beim Herstellungsprozess, beispielsweise durch Bonden, fest mit dem Substrat verbunden wird. In diesem Fall wird die Wirkung durch Ausnehmungen der obersten Schicht erreicht. Alternativ ist auch denkbar, dass es sich um eine senkrecht oder schräg zur Haupterstreckungseben verlaufende Fläche, z.B. eine Seitenfläche einer benachbarten Struktur handelt. Der erfindungsgemäße Grundgedanke, durch zusätzliche Gestaltungsmöglichkeiten die mechanischen bzw. elektrostatischen Eigenschaften der beweglichen Masse zu beeinflussen, kommt hier dadurch zum Ausdruck, dass die gezielt eingebrachten Ausnehmungen der ersten und/oder der zweiten Schicht zu einem veränderten Verhalten bezüglich Elektrostatik und Dämpfung führen. Zwei Hauptaspekte werden im Folgenden in Form von drei bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die einzeln oder in Kombination realisiert werden können.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist die erste Schicht eine Mehrzahl von grabenförmigen Ausnehmungen auf, die entlang der mindestens einen Oberfläche der ersten Schicht in eine Richtung parallel zur Haupterstreckungsebene verlaufen. Anders ausgedrückt weist die erste Schicht, insbesondere die unterste oder oberste Schicht der Masse, eine Abfolge von vorzugsweise parallel verlaufenden Gräben auf, die Rillen oder Rippen an der Außenfläche der Masse bilden. Insbesondere können diese grabenförmigen Ausnehmungen beim Herstellungsprozess durch Ätzprozesse wie z.B. Trenchen gebildet werden, bei denen das Material der ersten Schicht in streifenförmigen Bereichen vollständig entfernt wird. Durch die Ausrichtung der grabenförmigen Ausnehmungen lässt sich vorteilhafterweise eine Anisotropie der Dämpfung bezüglich der Bewegungsrichtung erreichen. In Bezug auf eine vorgegebene Bewegungsrichtung, z.B. die Antriebs- oder Detektionsrichtung der schwingenden Masse, können die Ausnehmungen beispielsweise parallel zur Bewegungsrichtung oder quer, insbesondere senkrecht dazu verlaufen. Im zweiten Fall wird auf diese Weise eine höhere Dämpfung dieser Bewegungsmode erreicht als im ersten Fall.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist die bewegliche Masse eine dritte Schicht auf, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht angeordnet ist und die mindestens eine Ausnehmung der zweiten Schicht einen einseitig offenen Hohlraum, einen beidseitig offenen Hohlraum oder einen abgeschlossenen Hohlraum der beweglichen Masse bildet. Der Hohlraum kann also vollständig im Innern der Masse verlaufen oder ein Durchgangs- bzw. Blindloch bilden. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass beim Herstellungsprozess Material aus der zweiten Schicht in bestimmten lateralen Bereichen über die gesamte vertikale Erstreckung der zweiten Schicht hinweg abgetragen wird.
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Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform wird die fest mit dem Substrat verbundenen Oberfläche des Bauelements durch eine Elektrode gebildet, die einem Teilbereich der mindestens einen Oberfläche der ersten Schicht gegenüber liegt, wobei die mindestens eine Ausnehmung der ersten Schicht außerhalb des Teilbereichs angeordnet ist. Insbesondere ist die Ausnehmung geometrisch gesprochen so angeordnet, dass eine senkrechte Projektion der Ausnehmung auf die Haupterstreckungsebene keinen Überlapp mit der senkrechten Projektion der Elektrode aufweist. Auf diese Weise lässt sich vorteilhafterweise erreichen, dass der Spalt zwischen Masse und Elektrode in einem Bereich außerhalb der Elektrode größer ist, so dass die elektrostatische bzw. kapazitive Kopplung dort verringert wird. Auf diese Weise lassen sich z.B. vorteilhafterweise parasitäre Kapazitäten verringern, die durch in Elektrodennähe angeordnete leitende Strukturen hervorgerufen werden.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 8. Elektrostatische Kammantriebe sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sich über weite Strecken in Eintauchrichtung linear bezüglich der Antriebskraft (bzw. im Falle der Detektionsstruktur bezüglich des Detektionssignals) verhalten. Eine Folge dieser Eigenschaft ist, dass sie dadurch im Idealfall keine parasitären Mitkoppeleffekte verursachen. Bei hohen Auslenkungen kommen die Enden der bewegten Elektrodenfinger (d.h. der Finger der mit der beweglichen Masse verbundenen Kammelektrode) der Basis der substratfesten Kammelektrode zunehmend näher und das lineare Verhalten wird verzerrt. Zudem kommt es im Bereich zwischen den Enden der Finger und der substratfesten Basis zu einer Kompression des dazwischen liegenden Mediums, so dass der damit verbundene Staudruck als mechanische Kraft auf die bewegten Finger wirkt. Der eingangs beschriebene erfindungsgemäße Grundgedanke kommt hier dadurch zum Ausdruck, dass die geometrische Form dieser für diese Effekte kritischen Bereiche durch die Bildung von Ausnehmungen so angepasst wird, dass die unerwünschten Wirkungen möglichst stark unterdrückt werden. Diese kritischen Bereiche sind hier einerseits die Enden der Finger der mit der beweglichen Masse verbundenen Kammelektrode und andererseits die komplementär dazu angeordneten Bereiche der substratfesten Kammelektrode. Bei letzteren Bereichen handelt es sich um die Partien der substratfesten Elektrodenbasis, die zwischen den substratfesten Fingern (d.h. den Fingern der substratfesten Kammelektrode) angeordnet sind und die den Stirnflächen der bewegten Finger gegenüber liegen. Die besondere geometrische Gestaltung dieser Regionen wird nachfolgend in Form von zwei bevorzugten Ausführungsformen beschrieben, die einzeln oder in vorzugsweise in Kombination realisiert werden können. Im Folgenden wird dieser Aspekt der Erfindung teilweise in Bezug auf einen einzelnen Finger beschrieben. Dies ist jedoch so zu verstehen, dass die Gestaltung eine Mehrzahl von Fingern oder vorzugsweise alle Finger der substratfesten und der bewegten Kammelektrode betreffen kann. Die nachstehenden Ausführungen verallgemeinern sich entsprechend auf Systeme mit mehr als drei Schichten.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform weist der Finger der weiteren Kammelektrode in vertikaler Richtung mindestens eine erste, zweite und dritte Schicht auf, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht angeordnet ist, wobei die erste Schicht und/oder die zweite Schicht und/oder die dritte Schicht eine Ausnehmung aufweist. Der Finger der mit der beweglichen Masse verbundenen Kammelektrode ist bei dieser Auführungsform aus drei vertikal übereinander angeordneten Schichten aufgebaut. Durch eine Ausnehmung in der mittleren Schicht kann ein Blindloch in der Stirnfläche des Fingers gebildet werden, so dass der Finger oder zumindest ein Endabschnitt des Fingers die Form einer hohlen Röhre aufweist. Beispielsweise kann das Blindloch einen rechteckigen Querschnitt aufweisen dessen vertikale Ausdehnung der Dicke der mittleren Schicht entspricht. Alternativ kann die gewünschte Wirkung durch Ausnehmungen in der ersten und dritten Schicht erreicht werden, d.h. insbesondere durch Ausnehmungen, die an der Unter- und an der Oberseite des Fingers angeordnet sind. Die Form einer solchen Struktur kann durch eine Angabe des Fingerquerschnitts (d.h. des Querschnitts senkrecht zur Längsrichtung des Fingers) beschrieben werden. Beispielsweise kann durch grabenförmige Ausnehmungen, die parallel zur Längsrichtung des Fingers an dessen Unter- und Oberseite verlaufen und bezüglich der Breitenrichtung mittig im Finger angeordnet sind, ein H-förmiger Querschnitt erzeugt werden. Denkbar sind weiterhin U-förmige Querschnitte, bei denen eine derartige grabenförmige Ausnehmung nur an der Ober- oder der Unterseite verläuft. Diese Gestaltungsmöglichkeiten der Finger der weiteren Kammelektrode lassen sich analog auf die Finger der (substratfesten) Kammelektrode anwenden.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform weist die Kammelektrode in vertikaler Richtung mindestens eine erste, zweite und dritte Schicht auf, wobei die zweite Schicht zwischen der ersten und dritten Schicht angeordnet ist, wobei die erste Schicht und/oder die zweite Schicht und/oder die dritte Schicht eine Ausnehmung aufweist. Beispielsweise kann zwischen zwei benachbarten Fingern der substratfesten Kammelektrode ein Durchgangs- oder Blindloch angeordnet sein, so dass die Stirnfläche des von den zwei substratfesten Fingern umgebenen bewegten Fingers der Öffnung des Lochs zugewandt ist. Alternativ können zwischen zwei benachbarten Fingern der substratfesten Kammelektrode zwei übereinanderliegende Durchgangs- oder Blindlöcher angeordnet sein. Vorzugsweise sind diese beiden Durchgangs- oder Blindlöcher durch einen Steg voneinander getrennt, wobei die Stirnfläche des von den zwei substratfesten Fingern umgebenen (bewegten) Fingers dem Steg zugewandt ist. Diese Gestaltungsmöglichkeiten der Finger der Kammelektrode lassen sich analog auf die Finger der (mit der beweglichen Masse verbundenen) Kammelektrode anwenden.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der zugehörigen Beschreibung.
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Figurenliste
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- 1 illustriert den Erfindungsgedanken anhand von zwei unterschiedlichen Elementarzellen von beweglichen Massen aus dem Stand der Technik.
- 2 zeigt schematisch mögliche Nutz- und Störmoden einer beweglichen Masse.
- 3 illustriert den Erfindungsgedanken anhand von zwei Elementarzellen einer beweglichen Masse mit einer ersten und zweiten Schicht.
- 4 illustriert den Erfindungsgedanken anhand von zwei Elementarzellen einer beweglichen Masse mit drei Schichten.
- 5 zeigt schematisch eine Abfolge aus drei Schichten, bei der die mittlere Schicht entweder massiv oder mit Hohlräumen versehen ist.
- 6 illustriert die Beeinflussung des Schwerpunkts der beweglichen Masse durch die erfindungsgemäße Gestaltung eines Durchgangslochs mit unterschiedlicher lateraler Ausdehnung in den verschiedenen Schichten.
- 7 zeigt eine mögliche Ausführungsform, bei der eine Öffnung an der Oberseite der beweglichen Masse mit einer Öffnung an der Unterseite durch einen im Inneren der Masse verlaufenden Kanal verbunden ist.
- 8 zeigt eine weitere Gestaltungsmöglichkeit für den im Inneren der Masse verlaufenden Kanal, durch welche sich die Kanallänge vergrößern lässt.
- 9 zeigt eine Ausführungsform, bei der die erste Schicht eine Mehrzahl von rillenförmigen Ausnehmungen zur Veränderung der Dämpfungseigenschaften aufweist.
- 10 zeigt eine Ausführungsform, bei der mit Hilfe einer Ausnehmung in der ersten Schicht Parasitärkapazitäten verringert werden.
- 11 zeigt eine Kammelektrodenanordnung gemäß dem Stand der Technik.
- 12 zeigt verschiedene nichtlineare Charakteristiken von Elektrodeneigenschaften als Funktion der Eintauchtiefe.
- 13 zeigt verschiedene Gestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Kammstruktur.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 dient der Veranschaulichung des Umstandes, dass Massenskalierung im Allgemeinen mit einer Skalierung der elektrostatischen Größen sowie der Dämpfungseigenschaften einhergeht. In dieser und den folgenden Abbildungen ist jeweils eine Elementarzelle 2 mit Perforationsloch 11 schematisch dargestellt. Eine bewegliche Masse 1 einer mikromechanischen Struktur kann im Prinzip aus einer einzigen solchen Elementarzelle 2 bestehen, umfasst jedoch im Allgemeinen eine Struktur, die durch mehrfache Wiederholung und laterale Aneinanderreihung der Elementarzelle 2 gebildet wird. Als Koordinatensystem werden die beiden lateralen Richtungen X und Y und die vertikale Richtung Z zugrunde gelegt.
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In der oberen Reihe ist jeweils eine Draufsicht auf eine Elementarzelle 2 mit großer (links) bzw. geringer Masse (rechts) dargestellt. In der unteren Reihe ist die jeweils zugehörige Seitenansicht der Elementarzellen 2 abgebildet. Unter der Elementarzelle 2 ist die feste Gegenelektrode 10 auf dem Substrat angedeutet. Mit der Überlappfläche zum Substrat skalieren auch alle elektrostatischen Größen. Ebenso ändern sich die Dämpfungseigenschaften, da durch die Änderung des Überlapps gegenüber der Gegenelektrode 10 die Slide-Film- und Sqeeze-Film-Anteile der Dämpfung verändert werden. Weiterhin verändert sich durch die Änderung der Perforationslochgröße die Kanalreibungsdämpfung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Nutzmoden einer beweglichen Masse 1 am Beispiel eines Drehratensensors (DRS) für Antrieb (links) und Detektion (Mitte), sowie einer Störmode (rechts). Die Eigenfrequenzen der erstgenannten Moden werden größtenteils von der Gesamtmasse dominiert - unabhängig davon wie die Masse in vertikaler Richtung Z verteilt ist. Die Frequenz der Störmode hat dagegen eine Abhängigkeit von der Massenverteilung in Z-Richtung Z (siehe z.B. wie 6 in unten) und kann damit (in Grenzen) unabhängig von den Nutzmoden ausgelegt werden. Durch den Erfindungsgedanken ergibt sich insbesondere die Möglichkeit, manche Nutzmoden (z.B. in-plane-Antriebsmode und out-of-plane-Detektionsmode) gezielt auf Wunschfrequenzen auszulegen, dabei jedoch gleichzeitig die Designfreiheit zu erhalten, gewisse out-of-plane-Moden unabhängig von den Grundmoden spezifisch einzustellen.
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3 zeigt ein Beispiel von Elementarzellen 2, die annähernd konstante elektrostatische Eigenschaften besitzen, sich jedoch bezüglich Masse und Dämpfung voneinander unterscheiden können. Diese und die nachfolgenden Darstellungen sind schematisch zu verstehen, insbesondere sind die Verhältnisse der Schichtdicken zueinander nicht maßstabsgetreu abgebildet. Jede Schichtdicke kann je nach Bedarf individuell gewählt werden.
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Die bewegliche Masse 1 besteht hier aus einer ersten Schicht 3 und einer darüber angeordneten zweiten Schicht 4. In der linken Elementarzelle 2 ist die laterale Ausdehnung 30 des Durchgangslochs 11 in beiden Schichten 3, 4 gleich, in der rechten Elementarzelle 2 ist die laterale Ausdehnung 3', 4' in der zweiten Schicht 4 größer als in der ersten Schicht 3. Die laterale Ausdehnung 3' bzw. 30 in der ersten Schicht 3 (und damit die Ausdehnung der Öffnung an der Unterseite) ist links und rechts jeweils gleich. Da die elektrostatischen Eigenschaften der Struktur hier im Wesentlichen von der Fläche an der Unterseite der Elementarzelle 2 bestimmt werden, die der auf dem Substrat angeordneten Elektrode 10 zugewandt ist und mit dieser in elektrostatischer Wechselwirkung steht, weisen die beiden Elementarzellen 2 zwar unterschiedliche Gesamtmassen auf, unterscheiden sich jedoch bezüglich der elektrostatischen Eigenschaften nicht.
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In der 4 ist eine Elementarzelle 2 mit drei Schichten 3, 4, 5 abgebildet. Hier und in den nachfolgenden Figuren wurde zur kompakteren Darstellung auf eine Draufsicht verzichtet. Die abgebildeten Elementarzellen 2 sind analog zu 3 aufgebaut und um eine dritte Schicht 5 erweitert. Eine Verallgemeinerung auf beliebig viele Schichtfolgen ergibt sich in unmittelbar ersichtlicher Weise. Mit Hilfe des durch die dritte Schicht 5 geschaffenen zusätzlichen Gestaltungsfreiheitsgrades (dieser und der mit der zweiten Schicht verbundene Freiheitsgrad ist durch die Doppelpfeile angedeutet) kann die Gesamtmasse so eingerichtet werden, dass sich die Ausführungen links und rechts nur in den Dämpfungseigenschaften, nicht aber in der Elektrostatik oder Gesamtmasse unterscheiden.
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5 ist eine schematische Darstellung einer beweglichen Masse mit einer Schichtfolge aus drei Schichten 3, 4, 5 (zusammengesetzt aus lateral angeordneten Elementarzellen 2). Im oberen Fall sind in diesem Beispiel alle drei Schichten 3, 4, 5 massiv ausgebildet. Diese analog zu einer Verbundplatte aufgebaute Struktur hat eine definierte Masse, sowie gegebene Elektrostatik-Eigenschaften (insbesondere Kapazität C und deren Ableitung in Z-Richtung dC/dz) und Dämpfungskonstanten. Im unteren Fall sind in der mittleren Schichtebene 4 Hohlräume 12 in Form von Blindlöchern eingebracht. Dadurch hat sie insgesamt eine geringere Masse, bei ansonsten gleicher Elektrostatik und Dämpfungsbeiträgen, da die Slide-Film und Squeeze-Film-Effekte unverändert bleiben. Der Kanalreibungsbeitrag existiert in diesem Beispiel nicht, da es keine durchgehenden Kanäle gibt. Analog zu diesem Anwendungsbeispiel kann jedoch auch die obige Platte in größeren Abständen durch alle drei Schichten 3, 4, 5 durchgängig perforiert gestaltet werden und in den unperforierten Zwischenbereichen wieder Blindlöcher vorgesehen sein. Dadurch würde sich wiederum ein Kanalreibungsbeitrag ergeben, der jedoch in beiden Fällen unverändert wäre.
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6 zeigt ein schematisches Beispiel von Elementarzellen 2, die annähernd konstante Masse besitzen, sich jedoch bezüglich der elektrostatischen Eigenschaften und der Dämpfung voneinander unterscheiden. Die elektrostatische Wechselwirkung ist hier durch die Kraftlinien 23 angedeutet, die jeweils auf der Elektrode 10 und an der Unterseite der Elementarzelle 2 enden. Die beiden linken Ausführungen entsprechen einem Fall mit hoher Elektrostatik, die rechten Ausführungen einem Fall mit geringer Elektrostatik.
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Oben ist jeweils eine Realisierung mit zwei Schichten abgebildet. Hierbei befindet sich der Massenschwerpunkt 22 in Z-Richtung Z außermittig (was erwünscht oder unerwünscht sein kann). Unten ist jeweils eine Realisierung mit drei Schichten 3, 4, 5 abgebildet. Hierbei befindet sich der Massenschwerpunkt 22 in Z-Richtung / mittig.
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Werden die in 6 skizzierten Elementarzellen 2 (links und rechts) zu größeren Flächen z.B. von beweglichen Massen 1 oder Detektionselektroden aufbaut, können diese zwar jeweils die gleiche Gesamtmasse und damit gleich Frequenzlage von Grundmoden aufweisen, sich jedoch in höherfrequenten Störmoden deutlich unterscheiden. Siehe dazu auch 2.
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7 zeigt ein Prinzipbild eines horizontalen Strömungskanals in Seitenansicht (unten) und Draufsicht (oben). Die Eintrittsöffnung 6 an der Oberfläche der unteren Schicht 3 erlaubt Gasmolekülen (gekennzeichnet durch den gestrichelter Pfeil 31) in den Bereich der zweiten Schichtebene 4 einzudringen. Dort werden sie horizontal durch den Kanal geleitet bis sie am Ende eine Ausnehmung in der dritten Schichtebene erreichen und durch die Austrittsöffnung 7 entweichen. Auf diese Weise lässt sich die Kanalreibung durch Skalierung der Kanallänge stufenlos einstellen. Die Position (bezüglich X und Y) von Eintritts- und Austrittsöffnung 6, 7 kann frei gewählt werden, z.B. benachbart oder in unmittelbarer Nähe, oder gezielt weiter voneinander beabstandet. Im letzteren Fall können dadurch z.B. bei Z-Auslenkung unter der Platte 1 entstehende Gasdrücke gezielt an andere Stellen geleitet werden und dort als Dämpfungsbeiträge wirken.
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8 zeigt eine Variante des Kanals aus 7. Die beiden äußeren Schichten sind analog zu 7 gestaltet während die mittlere Schicht 4 (hier in Draufsicht dargestellt) einen modifizierten Kanalverlauf aufweist. Der Strömungskanal führt hier am rechten Ende nicht direkt zur Austrittsöffnung 7, sondern wird um einen Zwischensteg 31 in der zweiten Schichtebene 4 herum U-förmig umgeleitet und strömt danach in Gegenrichtung zur Austrittsöffnung 7 hin, die sich bezüglich der lateralen Richtung X, Y in der Nähe der Eintrittsöffnung 6 befindet. Dadurch erhält der Kanal die doppelte Länge. Dieses Prinzip lässt sich selbstverständlich in weiteren Ausführungsformen fortsetzen, z.B. als Mäander- oder Spiral-Verlauf (nicht dargestellt).
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9 zeigt eine schematische Darstellung einer beweglichen Masse 1 mit einer Schicht (links) bzw. zwei Schichten 3, 4 mit durch Ausnehmungen 12' der ersten Schicht 3 gebildeten Rillen an der Unterseite (Mitte und rechts, wobei die Rillen um 90° zueinander gedreht sind). Im links dargestellten Fall weist die in der Ebene bewegliche Masse 1 sowohl in X- als auch in Y-Richtung gleiche Dämpfungseigenschaften auf. Im in der Mitte dargestellten Fall ist die Dämpfung in X-Richtung höher als in Y-Richtung, da die Rillen an der Unterseite quer zur Bewegungsrichtung ausgerichtet sind. Im rechten Fall (bei gleichen Elektrostatik-Eigenschaften wie im zweiten Fall) ist es entsprechend umgekehrt, d.h. die X-Richtung ist weniger gedämpft als die Y-Richtung.
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Diese Fälle sind insbesondere z.B. für DRS relevant, bei denen eine Antriebsbewegung eine hohe Güte (geringe Dämpfung) jedoch Bewegungen quer dazu (parasitäre Bewegungen) eine geringe Güte (hohe Dämpfung) haben sollen.
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10 zeigt eine schematische Darstellung eines Falles, in dem eine Nutzkapazität 41, z.B. Detektionskapazität eines DRS oder BS, direkt neben einer Parasitärkapazität 42 liegt. Diese Parasitärkapazität 42 könnte z.B. eine Zuleitung zu einer Antriebselektrode sein. Für die Nutzelektroden 41 ist es üblicherweise erstrebenswert hohe Kapazitäten und für Parasitärelektroden 42 umgekehrt möglichst geringe Kapazitäten zu realisieren. Im linken Fall ist dies nur unzureichend möglich, im rechten Fall wird dies durch Anwendung des erfinderischen Grundgedankens ermöglicht, indem in die erste Schicht 3 in dem der Parasitärelektrode 42 gegenüberliegenden Bereich eine Ausnehmung 12" erzeugt wurde.
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11 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrostatischen Kamm-Antriebsstruktur aus dem Stand der Technik. Die Struktur umfasst Antriebsfinger 44, 45 (fest und beweglich) sowie eine bewegliche Masse 1. Zwischen festen und beweglichen Fingern 44, 45 wird eine periodische elektrische Spannung angelegt, die zu einer Auslenkung der beweglichen Masse 1 führt.
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Elektrostatische Kammantriebe sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sich über weite Strecken in Eintauchrichtung linear bezüglich der Antriebskraft (bzw. im Falle einer Detektionsstruktur bezüglich des Detektionssignals) verhalten. Eine Folge dieser Eigenschaft ist, dass sie dadurch im Idealfall keine parasitären Mitkoppeleffekte verursachen. Der Fokus soll im Folgenden auf dem gekennzeichneten Bereich 20 liegen, in dem sich die Stirnfläche 47 des bewegten Fingers 45 und die zwischen den substratfesten Fingern 44 angeordnete Fläche 48 der Kammbasis 46 gegenüberliegen und einander zugewandt sind. Die beiden Flächen 47, 48 kommen sich bei starken Auslenkungen der beweglichen Masse 1, so dass der Bereich 20 zusammengestaucht wird.
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12 zeigt prinzipielle Charakteristiken von a) Kapazität, b) Kraft und c) Dämpfung bei ausgelenkten Kammstrukturen. Bei großen Auslenkungen (z.B. wenn der Abstand von Finger-Stirnseite 47 zur Kammbasis 46 kleiner oder gleich dem Doppelten der Fingerbreite wird) hat dies zunehmend negative Auswirkungen, sowohl auf die Nichtlinearität von elektrostatischen Kräften bzw. Detektionssignalen, als auch auf die Dämpfungseigenschaften, da die im Sensor vorhandene Gas-Atmosphäre hier lokal komprimiert wird und ein gewisser Staudruck entsteht. Der Bereich 51 in der Charakteristik c) wird von Slide-Film-Dämpfung dominiert, wohingegen der Bereich 52 von Squeeze-Film-Dämpfung bestimmt ist.
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13 zeigt verschiedene Designmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Kammelektrode: Durch Vorhalt von Löchern 50, 51 (Röhren) bzw. Aussparungen 50', 50", 51', 51" oben/unten in den Fingern 45 bzw. der Kammbasis 46 von festen und/oder beweglichen Kämmen werden die in 12 dargestellten unerwünschten Nebeneffekte minimiert. Die in Draufsicht (oben) dargestellte Struktur stellt entweder die bewegliche oder die substratfeste Kammstruktur (oder beide) dar. Schnitt B verläuft durch die Kammfinger 44 bzw. 45, Schnitt C durch die Kammbasis 46. Der Bereich 25 wird jeweils als Querschnitt im Detail in a) - c), bzw. der Bereich 24 im Detail in d) - f) dargestellt. Dabei sind a) und d) jeweils die herkömmliche Umsetzung gemäß dem Stand der Technik. In b) und c) bzw. e) und f) sind die Umsetzung des erfindungsgemäßen Konzepts mit je einer alternativen Ausführungsform dargestellt. Bei den alternativen Ausführungsformen c) und f) deutet der vertikale Doppelpfeil jeweils an, dass der mittlere Quersteg je nach gewähltem Herstellungsprozess in vertikaler Richtung Z verschoben werden kann. Bezüglich der Elektrostatik ergibt sich die Wirkweise von b), c) sowie e) und f) dadurch, dass die effektive Fläche des Plattenkondensators an den Stirnflächen der Finger 44, 45 bzw. der Kammbasis 46 minimiert wird und damit die Parasitärkapazität und die damit verbundene Kraft sowie Mitkopplung stark reduziert wird. Dieser Vorteil kann u.a. auch dazu genutzt werden, kürzere Finger mit weniger Bewegungs-Vorhalt zu verwenden (Flächenverhältnis). Bei beweglichen Fingern 45 ergeben sich mit c) die geringsten Effekte durch Parasitärkapazitäten nach unten.
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Bei den Ausführungsformen b) und e) ist durch eine Ausnehmung 50 bzw. 51 in der mittleren Schicht 4 ein Blindloch in der Stirnfläche des Fingers 44, 45 realisiert, so dass der Finger 44, 45 oder zumindest ein Endabschnitt des Fingers 44, 45 die Form einer hohlen Röhre aufweist. Bei den Ausführungsformen c) und f) wird die gewünschte Wirkung durch Ausnehmungen 50', 50" bzw. 51', 51" in der ersten und dritten Schicht 3, 5 erreicht, d.h. durch grabenförmige Ausnehmungen 50', 50", 51', 51", die parallel zur Längsrichtung X des Fingers an dessen Unter- und Oberseite verlaufen und bezüglich der Breitenrichtung Y mittig im Finger 44, 45 angeordnet sind, so dass sich ein H-förmiger Querschnitt ergibt.
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Bezüglich der Dämpfung ergibt sich die Wirkweise von b), c) sowie e) und f) dadurch, dass die effektive Fläche an den Stirnseiten der Finger 44, 45 bzw. der Kammbasis 46 minimiert wird und damit die Sqeeze-Film-Anteile reduziert werden. Bei beweglichen Fingern 45 ergeben sich mit c) die geringsten Effekte durch Slide-Film-Dämpfung von unten.
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Für beide physikalischen Domänen (Elektrostatik sowie Dämpfung) ist der Vorteil am größten, wenn man b) mit f), oder c) mit e) kombiniert, da dann seitens der Finger 44, 45 sowie der Kammbasis 46 insgesamt die geringste Überlappfläche entsteht. Die erfinderische Grundidee schließt u.a. den Gedanken ein, dass es allgemein günstig ist, unter- und oberhalb der Kammstrukturen möglichst viel Freiraum zu erzeugen, da damit sowohl parasitäre elektrostatische Effekte nach unten (z.B. zum Substrat hin gerichtete Levitation) sowie Dämpfungsanteile reduziert werden (weniger Slide-Film, bzw. komprimiertes Gas kann leichter entweichen). Dieser Freiraum lässt sich u.a. dadurch ermöglichen, dass unterhalb der Kammfinger 44, 45 auf Leiterbahnen verzichtet wird, so dass der vertikale Abstand zum Substrat maximal wird. Nach oben können entsprechend Aussparungen in der Kappe vorgesehen sein bzw. Kappenanschlagsstege so minimal gestaltet werden, dass sie ihre Aufgabe als mechanischer Anschlag erfüllen, dabei aber möglichst geringe Flächen ausfüllen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2013/0263662 A1 [0006]
- JP 2014149234 A [0006]
- US 2018/0252745 A1 [0006]
