DE19744292A1 - Elektrostatischer Aktor und Sensor - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Aktoren und Sen­ soren und insbesondere auf elektrostatische Aktoren und Sen­ soren mit Stellweg bzw. sensitiver Achse senkrecht zur Hauptebene eines Halbleitersubstrats.

Elektrostatische Aktoren mit Stellweg senkrecht zu einer Oberfläche eines Substrats, in bzw. auf dem die selben ge­ bildet sind, und kapazitive Sensoren mit sensitiver Achse in dieser Richtung wurden bisher durch Plattenkondensatoren re­ alisiert, wobei die Plattenkondensatoren parallel zur Sub­ stratoberfläche angeordnet sind. Ist ein Substrat beispiels­ weise in der xy-Ebene angeordnet, so sind bei solchen elek­ trostatischen Aktoren bzw. Sensoren die beiden Kondensator­ platten ebenso in der xy-Ebene angeordnet. Eine Veränderung des Kondensatorplattenabstands in der z-Richtung führt zu einer Änderung der Kapazität dieser Anordnung. Ein solches Bauelement wird ein Sensor genannt, da es aufgrund einer Verschiebung der Kondensatorplatten ein Meßsignal ausgibt. Bei einem Aktor wird zwischen den Kondensatorplatten eine Spannung angelegt, wodurch sich der Plattenabstand verän­ dert, wenn zumindest eine der beiden Kondensatorplatten be­ züglich der anderen beweglich angeordnet ist. Durch ge­ eignete Wechselspannungen kann eine Schwingung der bewegli­ chen Kondensatorelektrode bezüglich der festen Kondensator­ platte erzeugt werden.

Nachteile dieser bekannten elektrostatischen Aktoren bzw. Sensoren mit Kondensatorplatten parallel zur Substratober­ fläche sind vor allem kurze Verfahrwege, nichtlineares Ver­ halten und eingeschränkte Designmöglichkeiten.

Weiterhin bekannt sind mikromechanisch gefertigte Kamman­ triebe, wobei ein beispielhafter mikromechanisch gefertigter Kammantrieb oder Combdrive in Fig. 6A beispielhaft darge­ stellt ist. Fig. 6B zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-B von 6B. Links unten in den Fig. 6A und 6B sowie in den meisten weiteren Fig. dieser Anmeldung ist ein dreidimensio­ nales Koordinatenkreuz eingezeichnet, das eine erste Rich­ tung (x), eine zweite Richtung (y) und eine dritte Richtung (z) aufweist, wobei die drei Richtungen aufeinander senk­ recht stehen.

Der bekannte elektrostatische Aktor in Fig. 6A umfaßt eine erste Kammelektrode 100 und eine zweite Kammelektrode 110. Die erste Kammelektrode weist Kammfinger 102 auf, während die zweite Kammelektrode Kammfinger 104 umfaßt. Zwischen die beiden Kammelektroden 100 und 110 wird eine Spannung U an­ gelegt, damit zwischen den Kammfingern 102 der ersten Kamm­ elektrode 100 und den Kammfingern 104 der zweiten Kammelek­ trode 110 ein inhomogenes Feld vorhanden ist, was dazu führt, daß die Kammelektrode 110 gegen die Kraft einer Rück­ holfeder 120 zu der festangebrachten ersten Kammelektrode 100 hingezogen wird. Diese Situation ist durch einen Pfeil 122 symbolisch dargestellt.

Wie es in Fig. 6A zu sehen ist, zeigen die Kammfinger der zweiten Elektrode 110 in die y-Richtung während die Kamm­ finger der ersten Kammelektrode 100 ebenfalls parallel zur y-Achse ausgerichtet sind, jedoch zu der y-Richtung des Koordinatenkreuzes entgegengesetzt zeigen. Die Finger 102 und 104 können als Quader ausgeführt sein, deren Seitenober­ flächen parallel zur yz-Ebene sind. Wie es in Fig. 6A ge­ zeigt ist, überlappen sich die Finger der ersten Kammelek­ trode und die Finger der zweiten Kammelektrode teilweise in der y-Richtung.

Fig. 6B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-B des in Fig. 6A dargestellten elektrostatischen Aktors. Es ist zu sehen, daß bei dem elektrostatischen Aktor gemäß dem Stand der Technik eine im wesentlichen vollständige Überlappung der Kammfinger 102 der ersten Kammelektrode und der Kamm­ finger 104 der zweiten Kammelektrode 110 in der z-Richtung vorhanden ist. Die Teile der Kammelektroden 100 und 110, an denen die Kammfinger 102 bzw. 104 befestigt sind, sind in Fig. 6B aufgrund der Schnittdarstellung nicht gezeigt. In Fig. 6B ist lediglich eine Substratstruktur 24 symbolisch dargestellt, an der beispielsweise hinter bzw. vor der Zei­ chenebene bezüglich Fig. 6B die Teile der Kammelektroden 100, 110 befestigt sind, an denen die jeweiligen Finger an­ gebracht sind.

Ein typischer bekannter Kammaktor, wie er in Fig. 6A und in Fig. 6B gezeigt ist, zeichnet sich dadurch aus, daß die bei­ den gegenüberstehenden Kämme in z-Richtung dieselbe Aus­ dehnung aufweisen und auf derselben Höhe angebracht sind. In Richtung des Stellweges, d. h. in y-Richtung, sind die Kämme gegeneinander versetzt. Der Stellweg liegt in der Hauptaus­ dehnungsebene des Substrats 124, wodurch ein üblicher Kamin­ aktor ein im wesentlichen planares Bauelement ist. Die Über­ lapplänge in der y-Richtung, d. h. in der Richtung, in der die Finger zeigen, muß hierbei kleiner als die Länge der einzelnen Finger sein, damit eine elektrostatische Kraft und damit eine Auslenkung erzeugt werden kann. Kräfte in z-Rich­ tung, die senkrecht zur Substrathauptoberfläche des Aktors wirken, werden in der Literatur als Störeffekt (Levitation) zusammen mit entsprechenden Kompensationsmaßnahmen beschrie­ ben, wie es in W. C. Tang, M. G. Lim und R. T. Howe, "Electrostatic Comb Drive Levitation and Control Method", Journal of Microelectromechanical Systems, Bd. 1, Nr. 4, De­ zember 1992, ausgeführt ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, elek­ trostatische Aktoren bzw. Sensoren zu schaffen, deren Soll­ auslenkung bzw. sensitive Achse nicht in der Ebene liegt, die durch die Kammfinger aufgespannt ist.

Diese Aufgabe wird durch einen elektrostatischen Aktor gemäß Anspruch 1 und durch einen elektrostatischen Sensor gemäß Anspruch 2 gelöst.

Elektrostatische Sensoren und Aktoren gemäß der vorliegenden Erfindung dienen zur Detektion von Bewegungen bzw. zur Er­ zeugung von Kräften und Stellwegen senkrecht zu der Ebene, die durch die parallel angeordneten Finger und die "Zeige­ richtung" der Finger definiert ist. Solche erfindungsgemäßen Strukturen bestehen aus zwei gegenüberliegenden ineinander­ greifenden Kämmen, die senkrecht zur Hauptausdehnungsebene gegeneinander versetzt angeordnet sind, so daß durch Anlegen einer Spannung an die beiden Kämme aufgrund des inhomogenen elektrischen Feldes eine Kraft in der Richtung resultiert, die senkrecht zur besagten Ebene ist. Bewegungen in dieser Richtung können kapazitiv gemessen werden.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin­ dung greifen die Kammfinger der beiden Kammelektroden bezüg­ lich der Richtung, in die bzw. gegen die die Finger zeigen, im wesentlichen vollständig ineinander ein, wodurch Stör­ kräfte in dieser Richtung im wesentlichen eliminiert sind. Aktoren bzw. Sensoren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erlauben die Erzeugung bzw. Detektion von im wesentlichen linearen Bewegungen der Kammelektroden zueinander senkrecht zur Substrathauptebene.

Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel sind die Kammfinger der Kammelektroden derart angeordnet, daß parallel zur Fingerzeigerichtung ein inhomogenes elektrisches Feld vor­ handen ist, wodurch zusätzlich zur vertikalen Auslenkung auch eine parallel zur Substrathauptoberfläche gerichtete Auslenkung zwischen den Kammelektroden erzeugbar bzw. detek­ tierbar ist. Unter Verwendung geeigneter Federaufhängungen für die bewegliche Kammelektrode ist somit eine zweiachsige Detektion bzw. Bewegungserzeugung möglich. Diese Bewegung wird im allgemeinen Fall eine Ellipse sein, mit den Grenz­ fällen eines Kreises bzw. einer Gerade wie beim ersten Aus­ führungsbeispiel.

Außerdem ist es nun möglich mit geeigneter Elektronik gleichzeitig Auslenkungen zu erzeugen und zu erfassen, und zwar lineare oder ellipsenförmige Auslenkungen senkrecht zu der Hauptebene des Substrats, in bzw. auf dem das erfin­ dungsgemäße Bauelement realisiert ist.

Einige Vorteile der erfindungsgemäßen Aktoren und Sensoren gegenüber bekannten Elementen mit Kondensatorplatten liegen in einem erweiterten Linearitätsbereich, langen Verfahrwegen und einfacheren Herstellungsverfahren.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich­ nungen detaillierter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen Aktor bzw. Sensor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A-2D einen Schnitt entlang der Linie A-B von Fig. 1 für verschiedene Ausgestaltungen des Aktors bzw. Sensors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;

Fig. 3A-3D eine Sequenzdarstellung für ein beispielhaf­ tes Herstellungsverfahren, um ein erfindungs­ gemäßes Element zu erhalten;

Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel für einen elektrosta­ tischen Aktor gemäß der vorliegenden Erfin­ dung bei einer Mikropumpe; und

Fig. 5A-5C eine Draufsicht bzw. zwei Schnitte eines Ak­ tors bzw. Sensors gemäß einem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6A und 6B eine Draufsicht bzw. einen Schnitt durch ei­ nen herkömmlichen Aktor mit Sollauslenkung in Fingerrichtung.

Fig. 1 zeigt einen elektrostatischen Aktor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, der eine erste feste Kammelektrode 10 und eine gegenüber der ersten Kammelektrode 10 bewegliche zweite Kammelektrode 12 umfaßt. Die Kammelektrode 10 besteht aus einem Halteabschnitt 10a, an dem Kammfinger 10b ange­ bracht sind. Analog dazu umfaßt die zweite Kammelektrode 12 einen Halteabschnitt 12a sowie Kammfinger 10b. Aus Über­ sichtlichkeitsgründen ist der elektrostatische Aktor aus Fig. 1 im wesentlichen übereinstimmend mit einem Koordina­ tenkreuz 14 gezeichnet, das eine erste Richtung (x) und eine zweite Richtung (y) sowie eine dritte Richtung (z) aufweist, wobei alle drei Richtungen aufeinander senkrecht stehen, wie es bei kartesischen Koordinatensystemen der Fall ist.

Wie es in Fig. 1 zu sehen ist, zeigen die Kammfinger 12b der zweiten Kammelektrode in die y-Richtung, während die Kamm­ finger 10b der ersten Kammelektrode in eine Richtung zeigen, die der y-Richtung genau entgegengesetzt ist, d. h. in die negative y-Richtung. Die Kammfinger 10b und 12b der ersten bzw. zweiten Kammelektrode zeigen somit in Richtungen, die parallel zur y-Achse sind. Wie es ebenfalls aus den in Fig. 2A-2D gezeigen Schnitten entlang der Linie A-B von Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Elektrodenfinger üblicherweise Quader mit großen Oberflächen parallel zur yz-Ebene und kleinen Oberflächen parallel zur yx-Ebene, welche auch die Hauptebene eines Substrats ist, in der der Aktor bzw. Sensor vorzugsweise ausgebildet ist. Wie es aus Fig. 1 ferner ersichtlich ist, überlappen sich die Finger 10b und 12b der ersten Kammelektrode 10 bzw. der zweiten Kammelektrode 12 beim ersten Ausführungsbeispiel im wesentlichen vollständig in der y-Richtung, wodurch ein nahezu homogenes elektrisches Feld in y-Richtung zwischen den beiden Kammelektroden 10 und 12 vorhanden ist, was dazu führt, daß im wesentlichen keine Auslenkung in y-Richtung, d. h. in der xy-Ebene, stattfin­ det. Hier sei angemerkt, daß Fig. 1 eine Draufsicht ist, weshalb aus Fig. 1 nicht sichtbar ist, daß die Kammelektrode 10 auf einer anderen Höhe als die Kammelektrode 12 ausgebil­ det ist. Dieser Sachverhalt ist jedoch aus den Fig. 2A-2D deutlich erkennbar.

Die vollständige Überlappung in y-Richtung stellt einen Spe­ zialfall eines erfindungsgemäßen Aktors bzw. Sensors dar, um die Störkräfte in y-Richtung im wesentlichen zu eliminieren.

Fig. 2A zeigt einen Schnitt durch den Sensor bzw. Aktor ge­ mäß dem ersten Ausführungsbeispiel aus Fig. 1. Die erste Kammelektrode 10 ist bei diesem Beispiel die feste Kammelek­ trode, wie es durch die Schraffur über der ersten Kammelek­ trode 10 dargestellt ist. Dieser Sachverhalt wird durch ei­ nen Trägerabschnitt 10c wiedergegeben, der im wesentlichen parallel zu der xy-Ebene angeordnet ist und eine Dicke auf­ weist, die sich in z-Richtung erstreckt. Aus der Fig. 1 zu­ sammen mit der Fig. 2A ist erkennbar, daß die Kammfinger 10b der ersten Kammelektrode gewissermaßen von zwei Seiten gehalten werden. Sie werden zum einen durch den Träger­ abschnitt 10c in der xy-Ebene und zum anderen durch den Halteabschnitt 10a in der xz-Ebene gehalten. Die Kammfinger 12b werden dagegen lediglich durch den Halteabschnitt 12a gehalten, der sich in der yz-Ebene erstreckt, weshalb er in der Schnittdarstellung in Fig. 2A nicht sichtbar ist. Aus Fig. 2A geht ferner hervor, daß sich die Kammfinger 12b und 10b teilweise überlappen, wobei die Länge der Kammfinger nicht unbedingt gleich sein muß, sondern auch unterschied­ lich sein kann. Das Anlegen einer Spannung U zwischen der ersten Kammelektrode 10 und der zweiten Kammelektrode 12 wird dazu führen, daß die Kammfinger 12b gemeinsam tiefer in die Kammfinger 10b eintauchen, als es in Fig. 2A gezeigt ist, die ja ebenso wie die Fig. 2B-2D Situationen zeigen, bei denen keine Spannung angelegt ist.

Fig. 2B zeigt eine weitere Schnittdarstellung entlang der Linie A-B des elektrostatischen Aktors bzw. Sensors von Fig. 1, wobei jedoch die Kammfinger 12b und 10b im wesent­ lichen nicht überlappen. Dennoch ist zwischen den beiden Kammelektroden 10 und 12 ein inhomogenes elektrostatisches Feld vorhanden, wenn eine Spannung angelegt wird, was dazu führt, daß die Kammfinger 12b zu den Kammfingern der festen Kammelektrode 10 hinbewegt werden können. Dieser Fall ist jedoch als Extremfall anzusehen, da die Wirkung einer elek­ trostatischen Kraft bei teilweiser Überlappung stärker sein wird.

Fig. 2C zeigt einen Fall, der Fig. 2A ähnelt, wobei die Kammfinger 12b und 10b im Ruhezustand teilweise in z-Rich­ tung überlappend dargestellt sind. Im Unterschied zu Fig. 2A ist jedoch der Trägerabschnitt 10c aus technologischen Grün­ den nicht vorhanden. Daß heißt, daß die feste Elektrode 10 lediglich durch den Halteabschnitt 10a gehalten wird, der sich in der xz-Ebene erstreckt und in Fig. 2C gewissermaßen hinter der Zeichenebene angeordnet ist. Der Halteabschnitt 12a, der die Elektrodenfinger 12b der zweiten Kammelektrode hält, befindet sich ebenfalls nicht in der Zeichenebene, weshalb auch er in der Schnittdarstellung nicht dargestellt ist.

Fig. 2D zeigt einen weiteren Extremfall für die Ausgestal­ tung des in Fig. 1 in Draufsicht dargestellten Kammaktors bzw. Kammsensors. Hier sind die Kammfinger 12b deutlich kleiner bezüglich der z-Richtung dimensioniert als die Kamin­ finger 10b. Dadurch, daß sie jedoch bezüglich der Kammfinger 10b in der oberen Hälfte derselben angeordnet sind und sich dennoch in dieselben hinein erstrecken, ist wieder ein in­ homogenes elektrostatisches Feld zwischen den Kammelektroden 10 und 12 vorhanden, wodurch eine Kraft erzeugt bzw. eine Kapazitätsänderung detektiert werden kann.

Aus den Fig. 2A bis 2D ist somit ersichtlich, daß die Elek­ trodenfinger nicht vollständig überlappend angeordnet sein dürfen, da sonst im wesentlichen keine Kraft in z-Richtung auftritt. "Nicht vollständig überlappend" bedeutet daher ei­ nerseits kein Ineinandergreifen (Fig. 2B) und andererseits ein vollständiger Ineinandergreifen (Fig. 2D), wobei in die­ sem Falle jedoch die ineinandergreifenden Finger unter­ schiedliche Längen haben und daher nicht vollständig über­ lappen, weshalb trotz vollständigem Ineinandergreifen der Finger mit unterschiedlicher Länge ein inhomogenes elektri­ sches Feld zwischen denselben vorhanden ist.

Fig. 3A-3D zeigen eine Sequenz zur Veranschaulichung eines möglichen Herstellungsverfahrens, um einen elektrostatischen Aktor bzw. Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung zu produ­ zieren. Das in den Fig. 3A-3D dargestellte mikromecha­ nische Herstellungsverfahren basiert auf einem SOI-Wafer und Plasmaätzen. Fig. 3A zeigt ein Si-Substrat 30, auf dem ein Oxid 32 aufgebracht ist, über dem sich wiederum ein Silizi­ umfilm 34 erstreckt, der durch Oxidieren mit einem weiteren Oxid 36 bedeckt wird, über dem ein Fotolack 38 aufgebracht ist. Das Substrat ist somit ein SOI-Wafer, welcher zunächst durch Standardprozeßschritte mit Leiterbahnen und Bondpads versehen wird (nicht dargestellt). Anschließend wird das zweite Oxid 36 als Oxidmaske aufgebracht und zweimal struk­ turiert, wonach eine zusätzliche Fotolackmaske 38 in der gewünschten Form aufgebracht wird. Über der zusätzlichen Fotolackmaske 38 wird der Siliziumfilm 34 anisotrop geätzt, um zunächst zwei Gräben 40a und 40b im Siliziumfilm 34 zu erzeugen. Anschließend wird die Fotolackmaske 38 wieder ent­ fernt, wonach das Silizium erneut anisotrop geätzt wird, um die Gräben 40a und 40b zu vertiefen und weitere Gräben 42a und 42b an den Stellen zu schaffen, an denen kein Oxid 36 vorhanden ist. Auf die in Fig. 3B entstandene Struktur wird in Fig. 3C Oxid abgeschieden, wonach das Oxid anisotrop ge­ ätzt wird, und anschließend das Silizium erst anisotrop und dann isotrop geätzt wird. Dies führt zu einer Verbreiterung der Gräben 40a, 40b, 42a und 42b ab der Breite, die sie vor der Oxidabscheidung hatten, innerhalb des Siliziumfilms 34, wobei sich die Gräben 40a, 40b, 42a und 42b oberhalb des Oxids 32 vereinigen. Abschließend wird eine anisotrope Oxidätzung, eine anisotrope Siliziumätzung und dann eine anisotrope Oxidätzung durchgeführt, um die in Fig. 3D ge­ zeigte Endstruktur zu erhalten. Lediglich beispielhaft sind zwei Kammfinger 12b der zweiten Kammelektrode sowie ein Kammfinger 10b der ersten Kammelektrode gezeigt, welche sich in z-Richtung teilweise überlappen. Die erste Elektrode 10b wird lediglich lateral gehalten und nicht durch einen Trä­ gerabschnitt 10c, weshalb die in Fig. 3D gezeigte Situation am Ende des Herstellungsverfahrens der in Fig. 2C gezeigten Anordnung entsprechen würde. An dieser Stelle sei gesagt, daß die feste bzw. bewegliche Elektrode beliebig ist, d. h., daß auch die Elektrode 12 fest sein kann, währen die Elek­ trode 10 beweglich ist. Selbstverständlich können auch beide Elektroden beweglich gehalten sein. Für die Erfindung ist es nur wesentlich, daß eine der Elektroden bezüglich der ande­ ren beweglich ist.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß der in den Fig. 3A-3D gezeigte Prozeßablauf lediglich beispielhaft ist. Derselbe muß ferner nicht unbedingt mit einem SOI-Wafer durchgeführt werden. Werden "normale" Wafer verwendet, wird am Ende des Prozesses ganzflächig oxidiert und metallisiert, wie es zum Beispiel mit dem SCREAM-Prozeß möglich ist. Dadurch werden Kontaktierungsmöglichkeiten hergestellt. Die Isolierung von Gebieten erfolgt durch umlaufende Gräben, an deren Fuß der Metallfilm abreißt. Für Fachleute sind viele Variationen der dargestellten Prozesse denkbar.

Das in den Fig. 3A und 3D gezeigte Verfahren dient zur Strukturierung des Aktors bzw. Sensor aus im wesentlichen einem Substrat. Weiterhin ist eine Strukturierung aus im we­ sentlichen zwei Substraten unter Verwendung einer geeigneten Fügetechnik möglich. Zwei Substrate werden dabei struktu­ riert, wie z. B. durch mikromechanisches KOH-Ätzen oder Trockenätzen, durch Funkenerosion, Spritzguß, Stanzen, Sä­ gen, Schneiden oder Laser-Trennverfahren, und anschließend so zusammengefügt, daß zwei ineinandergreifende Kämme ent­ stehen.

Ein sequentielles Aufbringen und Strukturieren von Schich­ ten, beispielsweise unter Verwendung einer konventioneller Oberflächen-Mikromechanik sowie Abformtechniken unter Ver­ wendung von Tiefenlithographie und Galvanik, LIGA oder Spritzguß, können ebenfalls verwendet werden, um die erfin­ dungsgemäßen vertikalen Combdrives herzustellen.

Für die Aktoren bzw. Sensoren gemäß der vorliegenden Erfin­ dung eröffnet sich eine Vielzahl von möglichen Anwendungs­ formen, und zwar alle Anwendungen, bei denen die Erzeugung bzw. Erfassung von Sollauslenkungen in der Achse senkrecht zu einer Hauptsubstratoberfläche erwünscht ist. Dabei ist zunächst an den Einsatz von Sensoren in Beschleunigungssen­ soren zu denken, um eine Beschleunigung in z-Richtung zu messen. Der Sensor ist insbesondere interessant für mehr­ achsige Beschleunigungssensoren.

Fig. 4 zeigt eine Einsatzmöglichkeit eines Aktors bei einer Mikropumpe. Ist die bewegliche Kammelektrode 12 mit einer Ventilmembran 42 verbunden, so kann durch Hinzufügen einer Ventileinheit vorzugsweise auf der dem Kamm 12b gegenüber­ liegenden Seite der Membran 42 eine Membranpumpe hergestellt werden. Das in Fig. 4 gezeigte Beispiel umfaßt zwei passive Rückschlagventile 44a und 44b, die einen Aus- bzw. Eintritt eines Pumpfluids in eine Pumpenkammer 46 ermöglichen. Durch Anlegen einer Spannung zwischen der ersten Kammelektrode 10 und der zweiten Kammelektrode 12 kann das Volumen der Pump­ kaminer 46 erhöht werden, wodurch durch das passive Rück­ schlagventil 44b Fluid in die Pumpkammer 46 einfließen kann. Wird die Spannung wieder abgeklemmt, so wird das Volumen der Pumpkammer 46 wieder in den in Fig. 4 gezeigten Zustand zu­ rückkehren, weshalb das gerade eben eingetretene Pumpfluid über das Austrittsventil 44a wieder ausgestoßen wird.

Ähnlich wie bei der in Fig. 4 gezeigten Pumpe ist bei einem Mikroventil ein Kamm mit einer Membran, einer Klappe oder einer anderen Struktur verbunden, die durch den Kammaktor bewegt wird und dadurch eine Ventilöffnung schließt oder öffnet. Vertikale Kammantriebe bzw. Kammsensoren können ebenfalls zur Erregung einer Schwingung bzw. zur Messung einer Schwingung von resonanten Sensoren, und zur Messung von Kraft, Druck, Temperatur bzw. Winkelgeschwindig­ keit/Drehrate eingesetzt werden. Insbesondere können verti­ kale Kammstrukturen in Coriolis-Drehratensensoren eingesetzt werden, wodurch eine Vielzahl von neuen Strukturen und ins­ besondere eine Realisierung von mehrachsigen Sensoren er­ reichbar ist. Bei nicht vollständig überlappenden Kammfin­ gern in y-Richtung, wie es in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel weiter hinten beschrieben wird, können Drehbewegungen mit festem, d. h. zeitlich konstantem, Dreh­ impuls erzeugt werden.

Aktoren bzw. Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung kön­ nen ebenfalls für mikromechanische Schalter und Relais ein­ gesetzt werden. Dadurch sind größere Verfahrwege in z-Rich­ tung möglich. Das Bereitstellen von Verfahrwegen in der z-Richtung ermöglicht den Einsatz einfacherer Beschich­ tungsverfahren für die Relais- bzw. Schalterkontakte. Der Einsatz mikromechanischer Aktoren, die Stellwege senkrecht zur Substratoberfläche erlauben, ist ferner besonders vor­ teilhaft bei optischen Bauteilen, insbesondere in Zusam­ menhang mit mikrooptischen Licht- und Wellenleitern parallel zur Substratoberfläche. Shutter und verschiedene Schalter und Spiegel sind damit den Geometrien mikrooptischer Licht­ leiter angepaßt, wodurch die Integrationsmöglichkeit im optischen Bereich stark erweitert werden kann.

Die Fig. 5A zeigt eine Draufsicht eines Aktors bzw. Sensors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Er­ findung. Fig. 5B zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-B, während Fig. 5C einen Schnitt entlang der Linie C-D darstellt. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung überlappen sich die Finger in y-Rich­ tung nicht vollständig, wie es Fig. 5A deutlich zeigt. Durch eine entsprechende Federaufhängung 30 ermöglicht das Element gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Erzeugung bzw. De­ tektion in zwei Achsen, d. h. parallel zur z-Achse und zu­ sätzlich parallel zur y-Achse. Dieser Sachverhalt ist in Fig. 6C dargestellt. Der bewegliche Finger 12b (aus Einfachheitsgründen ist nur einer gezeichnet) bewegt sich auf einer ellipsenförmigen Bahn bezüglich des festen Fingers 10b. Aus der ellipsenförmigen Bahn ergibt sich als Spe­ zialfall zum einen ein Kreis in der yz-Ebene, sie es in Fig. 5C schematisch dargestellt ist, und zum anderen eine Gerade in der z-Richtung, wie es in Fig. 5B dargestellt ist und in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert wur­ de.

Eine Kreisbewegung der beweglichen Elektrode bezüglich der festen Elektrode wird erreicht, wenn zumindest eine Kraft (in y- oder z-Richtung) wegabhängig ist. Allgemein gesagt wird die Kreisbewegung auftreten, wenn die Wegabhängigkeit der Kräfte in den Richtungen y oder z unterschiedlich sind. Bei dem in Fig. 2B gezeigten Beispiel, bei dem die beiden Elektroden in z-Richtung überhaupt nicht ineinandergreifen, wird die elektrostatische Kraft zunächst klein sein. Diesel­ be wird aber zunehmen, wenn ein Eintauchen der Kammfinger der beweglichen Elektrode zwischen die Kammfinger der festen Elektrode auftritt. Diese Kraft ist somit in z-Richtung weg­ abhängig.

Claims (9)

1. Aktor mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Kammelektrode (10) und einer bezüglich der ersten Kammelektrode (10) beweglich angeordneten zweiten Kammelektrode (12) mit Kammfingern (10b, 12b), wobei die Kammfinger (10b, 12b) der ersten (10) und der zweiten (12) Kammelektrode in einer ersten Richtung (x) neben­ einander angeordnet sind, parallel zu einer zweiten Richtung (y) zeigen und sich in einer Ebene erstrecken, die durch die zweite (y) und eine dritte (z) Richtung gebildet ist, wobei die erste (x), die zweite (y) und die dritte (z) Richtung zueinander im wesentlichen senk­ recht sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kammfinger (10b, 12b) der ersten und der zweiten Kaminelektrode (10, 12) in der dritten Richtung (z) derart nicht vollständig überlappend angeordnet sind, daß durch Anlegen einer elektrischen Spannung (U) zwi­ schen der ersten (10) und der zweiten (12) Kammelektrode eine Sollauslenkung der zweiten Kammelektrode (12) be­ züglich der ersten Kammelektrode (10) parallel zu der dritten Richtung (z) erreichbar ist.

2. Sensor mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Kammelektrode (10) und einer bezüglich der ersten Kammelektrode (10) beweglich angeordneten zweiten Kaminelektrode (12) mit Kammfingern (10b, 12b), wobei die Kaminfinger (10b, 12b) der ersten (10) und der zweiten (12) Kammelektrode in einer ersten Richtung (x) neben­ einander angeordnet sind, parallel zu einer zweiten Richtung (y) zeigen und sich in einer Ebene erstrecken, die durch die zweite (y) und eine dritte (z) Richtung gebildet ist, wobei die erste (x), die zweite (y) und die dritte (z) Richtung zueinander im wesentlichen senk­ recht sind, dadurch gekennzeichnet, daß
die Kammfinger (10b, 12b) der ersten und der zweiten Kammelektrode (10, 12) in der dritten Richtung (z) der­ art nicht vollständig überlappend angeordnet sind, daß eine Sollauslenkung der zweiten Kammelektrode (12) be­ züglich der ersten Kammelektrode (10) parallel zu der dritten Richtung (z) zu einer erwünschten Veränderung der Kapazität des elektrostatischen Sensors führt.

3. Aktor bzw. Sensor gemäß Anspruch 1 bzw. Anspruch 2, bei dem eine Ebene, die durch die erste (x) und die zweite (y) Richtung definiert ist, parallel zur Hauptoberfläche eines Substrates verläuft, in dem zumindest eine der beiden Kammelektroden (10, 12) ausgebildet ist.

4. Aktor bzw. Sensor nach einem entsprechenden der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem sich die Kammfinger (10b, 12b) der ersten und zweiten Kammelektrode (10, 12) in der dritten Richtung (z) teilweise überlappen.

5. Aktor bzw. Sensor gemäß einem entsprechenden der An­ sprüche 1 bis 3, bei dem sich die Kammfinger (10b, 12b) der ersten und der zweiten Kammelektrode (10, 12) in der dritten Richtung (z) nicht überlappen.

6. Aktor bzw. Sensor nach einem entsprechenden der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem die Kammfinger der zweiten, beweglichen Kammelektrode (12) kürzer als die Kammfinger (10b) der ersten, festen Kammelektrode (10) sind, und umgekehrt.

7. Aktor bzw. Sensor nach einem entsprechenden der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem die Kammfinger (10b) der ersten, festen Kammelektrode (10) sowohl in der Ebene, die durch die erste (x) und die zweite (y) Richtung definiert ist, als auch in einer Ebene, die durch die erste (x) und die dritte (z) Richtung definiert ist, gehalten werden.

8. Aktor bzw. Sensor nach einem entsprechenden der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem die Kammfinger (12b) der zweiten Elektrode (12) in der dritten (z) Richtung kür­ zer als die Kammfinger (10b) der ersten Kammelektrode (10) dimensioniert sind, und wobei die Kammfinger (12b) der zweiten Kammelektrode (12) mit den Kammfingern (10b) der ersten Kammelektrode (10) vollständig überlappt sind und umgekehrt.

9. Aktor bzw. Sensor nach einem entsprechenden der vorher­ gehenden Ansprüche, bei dem die Kammfinger (12b) der zweiten Kammelektrode (12) und die Kammfinger (10b) der ersten Kammelektrode (10) in der zweiten (y) Richtung im wesentlichen vollständig überlappend angeordnet sind, wodurch bei Anlegen einer Spannung an die Kammelektroden lediglich eine Sollauslenkung der zweiten Kammelektrode bezüglich der ersten Kammelektrode in der dritten Rich­ tung (z) erreichbar ist.