WO2020193288A1 - MEMS MIT GROßER FLUIDISCH WIRKSAMER OBERFLÄCHE - Google Patents

MEMS MIT GROßER FLUIDISCH WIRKSAMER OBERFLÄCHE Download PDF

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Sergiu Langa
Holger Conrad
Bert Kaiser
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    • H04R2201/003—Mems transducers or their use

Definitions

  • the present invention relates to a microelectromechanical system (MEMS) that is designed to have a large effective area for interaction with a fluid.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the present invention relates in particular to NED (Nanoscopic Electrostatic Drive, nanoscopic electrostatic drive), with an enlargement of the transverse area by stacking and / or the arrangement of a rear structure or resistance structure.
  • NED Nonoscopic Electrostatic Drive, nanoscopic electrostatic drive
  • MEMS micro electromechanical system
  • NED is a new kind of MEMS (micro electromechanical system) actuator principle. From a technological point of view, there are basically two basic types of NED actuators.
  • V-NED Vertical NED
  • L-NED lateral NED
  • the object moves, e.g. B. a silicon (Si bar) vertically, d. H. out of the substrate plane, for example defined by a Si disk or wafer.
  • L-NED the object, such as a Si beam, moves laterally, i.e. i.e., in the plane, for example a Si wafer.
  • the situation can be described in such a way that the smaller the electrode gap, the greater the electrical forces that act and the greater the desired deflection of the beam. In other words, very small gap distances (e.g. in the nanometer range) are almost always desirable.
  • DSi deep silicon etching
  • Bosch method Even very small gap distances can be etched, but only if the aspect ratio, i.e. i.e. the quotient between the depth and the width of a trench is not much greater than 30.
  • the Bosch method can only etch approximately 10 pm deep with a reasonable quality.
  • the depth of only 10 pm is for many L- NED applications not sufficient. If depths of e.g. B. 100 pm are necessary, this can mean that the width of the trench must also be made ten times larger, that is, about 3 pm wide.
  • the MEMS 1000 can have a substrate layer 1002, for example a handle wafer of a BSOI (Bonded Silicon On Insulator, connected Silicon on insulator) wafers.
  • a device layer of the BSOI wafer is stacked thereon, the layers 1002 and 1004 being connected via an oxide layer, a buried oxide (BOX), of the BSOI wafer.
  • Outer electrodes 1008a and 1008b formed from layer 1004 are arranged such that an inner electrode 1008c from layer 1004 is arranged between outer electrodes 1008a and 1008b, with NED gaps 1012 1 and 1012 2 arranged between the electrodes which can be obtained, for example, via the aforementioned DSi method.
  • Outer trenches 1014i and 1014z between the outer electrodes 1008a or 1008b and the material of the layer 1004 remaining as the outer substrate can define the movable beam that is formed by the electrodes and can also be formed, for example, by DSi.
  • a height 1016 of the INED actuator can relate to an extension of the movable element, possibly with the addition of a gap between the electrodes 1008a, 1008b and / or 1008c and the layer 1002 and perpendicular to a substrate plane, for example, defined by a Main direction of propagation of the layer 1002.
  • 11b shows a schematic top view of the MEMS 1000.
  • the electrodes 1008a and 1008c as well as 1008b and 1008c can each be mechanically firmly connected to one another via an insulation layer 1022 arranged in discrete areas.
  • the movable element formed by the movable electrodes 1008a, 1008b and 1008c can be movable along the lateral, in-plane (in the plane) movement direction 1024.
  • the lateral movement of the L-NED actuator can lead to a movement of the medium (e.g. air or liquid) in which the actuator is moving.
  • This movement of the medium can be exploited and (micro) loudspeakers or (micro) pumps can be produced on the basis of L-NED actuators.
  • the volume of a loudspeaker or the performance of a pump depends on the size of the moving volume (air or liquid).
  • the moved volume is determined by the size of the deflection, i.e. H. determines the amplitude along the direction of movement 1024 and the height 1016 of the L-NED actuator. It is therefore desirable to make MEMS loudspeakers and / or MEMS pumps in which the L-NED actuator is high and has a large deflection.
  • micro loudspeakers or micro pumps based on L-NED The principle of micro loudspeakers or micro pumps based on L-NED is described in DE 10 2015 210 919 A1.
  • FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of a MEMS 2000 known from this, which roughly corresponds to the side sectional view of the MEMS 1000, wherein the layer 1002 can additionally have an opening 1026 in order to generate a volume flow between a cavity 1028 in which the electrodes 1008a, 1008b are located and 1008c, and allow an external environment of the MEMS 2000.
  • a further substrate layer 1032 is arranged by means of a further insulator layer IOO6 2 , which, for example, can form a cover of the MEMS 2000 and also has an opening 1034, which can serve, for example, as an inlet opening for the cavity 1028 if the opening 1026 is an acoustic one or fluidic outlet is used.
  • Distances 1036i between the layer 1002 and the electrodes 1008a, 1008b and / or 1008c and / or a distance 1036 2 between the electrodes and the cover wafer 1032 can normally have values of approximately 1 pm (determined by the thermal oxidation of Si: 10nm -10mm).
  • the L-NED bar can move laterally and in this way generate an acoustic effect or a pump effect.
  • the acoustic effect and the pumping effect are more effective when the ratio between L-NED height and L-NED gap is large; the larger the better.
  • the ratio between L-NED height 1016 and L-NED gap 1012 is approximately 30. This limitation is due to the manufacturing process in Si technology.
  • pulse-in mechanical and / or electrical contact between the L-NED bar and cover wafer or handle wafer, for example by electrostatic forces
  • a key concept of the present invention is to have recognized that the electrode layer of the L-NED devices can be supplemented by a further, second layer which provides additional surface for the interaction with the fluid.
  • This second layer can be produced with processes that already exist and can be controlled and, in so far, enable simple production while at the same time increasing the effectively effective aspect ratio.
  • a MEMS comprises a substrate that has a cavity.
  • the MEMS comprises a movable layer arrangement arranged in the cavity, comprising a first beam, a second beam and a third beam arranged between the first beam and the second beam and fixed electrically isolated from the same in discrete regions, the movable layer arrangement being designed to responsive to an electrical potential between the first bar and the third bar or to execute a movement along a direction of movement in a substrate plane in response to an electrical potential between the second bar and the third bar.
  • the first, second and third bars are part of a first layer of the movable layer arrangement.
  • the movable layer arrangement comprises a second layer which is arranged adjacent to the first layer along a direction perpendicular to the substrate plane and which is arranged to be movable along the direction of movement.
  • the second layer enables an additional effective surface for interaction with a fluid compared to the bar arrangement, i. H. a gas and / or a liquid.
  • the second layer is structured into a fourth, fifth and sixth bar.
  • the fourth bar is arranged adjacent to the first bar, the fifth bar adjacent to the second bar and the sixth bar adjacent to the third bar, at least when the MEMS is in an idle state.
  • the first bar is mechanically connected to the fourth bar and / or the second bar to the fifth bar and / or the third bar to the sixth bar via an intermediate layer arranged between the first layer and the second layer. This enables low fluid losses between the bars and the mechanical coupling of the movement of the individual bars.
  • the third bar and the sixth bar are mechanically connected to one another via an intermediate layer arranged between the first layer and the second layer.
  • the intermediate layer is removed between the first beam and the fourth beam on the one hand and the second beam and the fifth beam on the other hand in order to space the first beam from the fourth beam and to space the second beam from the fifth beam.
  • the first layer and the second layer are connected to one another in a region of the substrate via an intermediate layer, for example an insulation layer, for example silicon oxide, silicon nitride, or polymer.
  • the intermediate layer is removed in a region of the cavity between the first bar and the fourth bar, between the second bar and the fifth bar and between the third bar and the sixth bar. This allows the first, second and third bars to move independently relative to the fourth, fifth and sixth bars.
  • the first, second and third bars form a first movable element of the movable layer structure.
  • the fourth, fifth and sixth bars form a second movable element of the movable layer structure.
  • the first movable element is arranged to be movable relative to the second movable element along the direction of movement. This enables an individual deflection of the movable elements, which offers a high degree of freedom in terms of both sensors and actuators.
  • different electrical potentials can be applied between the first bar and the third bar on the one hand and between the fourth bar and the sixth bar on the other hand.
  • different electrical potentials can be applied between the second bar and the third bar on the one hand and between the fifth bar and the sixth bar on the other hand.
  • the second layer is structured in bars and an effective area enlargement is obtained by means of an additional bar area compared to the first layer.
  • the features of which can alternatively or additionally be combined with a device according to the invention relate to the fact that the second layer provides a resistance structure for an interaction with a fluid in the cavity. For this it can be sufficient to design the resistor structure to be electrically passive, which enables simple implementation. At the same time, pull-in effects between the resistor structure and outer surfaces can be reduced or avoided.
  • the resistor structure is connected to the first layer by means of an intermediate layer.
  • the first layer comprises, in addition to the first, second and third bar, a piggyback element that is mechanically fixed to the first or second bar on a side facing away from the third bar, that is, in-plane on the outside of the bar arrangement.
  • the resistor structure is at least partially arranged on the piggyback element. This enables the resistance structure to be arranged on an element which is not necessarily actively deformed electrically, so that a small amount of deformation energy is required to deform the resistance structure
  • the piggyback element is mechanically fixed to the first, second or third beam.
  • the resistance structure is at least partially arranged on the piggyback element. This enables simple production.
  • the sub-elements are at a distance from one another when projected into a plane perpendicular to the substrate plane and perpendicular to the direction of movement. This enables freedom from contact during the deformation and / or a low mass of the resistor structure.
  • the distance is at most 100 pm, preferably at most 10 pm, and particularly preferably at most 2 pm. This enables low fluidic losses or the fluidic effect of the resistance structure as a wall-like structure.
  • the sub-elements are mechanically firmly connected either to the first beam or to the second beam or to the third beam. This enables low fluidic losses by reducing or avoiding diagonally moving fluid points.
  • a first distance between the resistor structure and the substrate is greater than a second distance between the first bar and the third bar along or opposite to the direction of movement. Since the resistance structure can be made passive and implemented for fluidic interaction, the arrangement of gap structures, which are subject to the limitations of the aspect ratios, can be dispensed with. As a result, larger gaps overall are possible, so that large effective dimensions can be obtained along the z-direction without the need for complicated processes, which is advantageous.
  • the first distance is greater than the second distance by at least the factor range 1 to 20, preferably 3 to 10, particularly preferably 5 to 7.
  • the second layer has a layer cover perpendicular to the substrate plane, for example along z, which is at least by the factor range 1 to 20, preferably 3 to 10, particularly preferably 5 to 7 larger than the first layer.
  • a layer cover perpendicular to the substrate plane for example along z, which is at least by the factor range 1 to 20, preferably 3 to 10, particularly preferably 5 to 7 larger than the first layer.
  • an aspect ratio of the first layer with respect to a layer thickness of the first layer and a distance between the first bar and the third bar or the second bar and the third bar is less than 40, which enables simple process control.
  • the resistance structure is a first resistance structure which is arranged on a first side of the first layer.
  • the MEMS furthermore has a second resistor structure which is arranged on a second side of the first layer which is arranged opposite the first side.
  • the first movable element is mechanically connected to the second movable element, which, taking into account the technological limits of aspect ratios, enables higher aspect ratios and enables low operating voltages, since high forces can be generated even with low voltages.
  • the resistance structure is a first resistance structure, wherein the MEMS has a second resistance structure that is connected to the second movable element. On the one hand, this enables a high degree of flexibility through individual control and / or sensing or detection with the different movable elements, the effective area of which is enlarged on both sides, and simple manufacture.
  • the first movable element and the second movable element are arranged adjacent to one another and along a direction perpendicular to the substrate plane between the first resistor structure and the second resistor structure. This enables the arrangement of possibly passive resistance structures to the outside to structures that are possibly grounded, so that low attractive forces act there and pull-in effects can be avoided.
  • the first resistance structure and the second resistance structure are arranged adjacent to one another and along a direction perpendicular to the substrate plane between the first movable element and the second movable element. This enables a large distance between the movable elements and thus low electrical cross-influences.
  • the movable layer structure comprises a bending beam structure which is arranged on the substrate in a clamped manner on one side.
  • a bending beam structure clamped in on one side enables large deflections at the free end, which is particularly advantageous because, according to the previous exemplary embodiments, pull-in effects are reduced or prevented, and to avoid them, a double-sided clamping can be provided, the amplitude reduction of which, however, can be avoided in the present case.
  • a layer thickness of the first layer and the second layer perpendicular to the substrate plane is at least 50 ⁇ m. This enables particularly large MEMS.
  • an axial direction of extent of the movable layer arrangement parallel to the substrate plane and perpendicular to the direction of movement is designed so that a dimension of at least a factor of 0.5 to the height of the movement structure is obtained, which is particularly advantageous since the dimension or length the Efficiency is influenced as well as the height or thickness.
  • the cavity is fluidically connected to the outer surroundings of the substrate via at least one opening, the at least one opening being arranged in a plane of the movable layer arrangement.
  • the MEMS is formed as a MEMS pump, as a MEMS loudspeaker, as a MEMS microphone or as a MEMS THz waveguide.
  • the MEMS includes a control device which is designed to control the movable layer structure.
  • the first, second and third beams form a first movable element
  • the MEMS having a plurality, i. H. has at least two movable elements.
  • the control device is designed to individually control the plurality of movable elements, which enables a high degree of freedom in the implementation of the MEMS.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a MEMS according to an embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which an additional actuator thickness is kept by additional electrodes;
  • 3a shows a schematic cross-sectional view of a MEMS according to an embodiment, in which the outer electrodes of a first and a second layer are connected to one another via an intermediate layer, while the intermediate layer in the case of inner electrodes is completely or partially removed or not arranged;
  • FIG. 3b shows a schematic cross-sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment in which, compared with the MEMS from FIG. 3a, the intermediate layer is arranged between the inner electrodes in order to mechanically firmly connect the two electrodes to one another, but has been removed between the outer electrodes;
  • FIG. 4b shows a schematic cross-sectional view of the MEMS from FIG. 4a, in which the resistance structure is mechanically firmly connected to an external electrode;
  • FIG. 4d shows a schematic plan view of a MEMS according to a further exemplary embodiment, in which the coupling element is arranged at a freely deployable end of the movable element firmly clamped on one side of the substrate;
  • FIG. 4e shows a schematic cross-sectional view of the MEMS from FIG. 4d in a sectional plane A’A from FIG. 4d;
  • FIG. 5a shows a schematic view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which the movable element is firmly clamped on both sides;
  • FIG. 5b shows a schematic view of the MEMS from FIG. 5a in a deflected state of the movable element;
  • FIG. 5b shows a schematic view of the MEMS from FIG. 5a in a deflected state of the movable element;
  • FIG. 6a shows a schematic plan view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which sub-elements of the resistance structure are arranged on one of the electrodes;
  • 6b shows a schematic plan view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which sub-elements of the resistance structure are arranged on at least two of the electrodes;
  • FIG. 7a shows a schematic cross-sectional view of a MEMS according to an embodiment that, for example, the MEMS from FIG. 4a through a cover layer;
  • FIG. 7b shows a schematic cross-sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, in which an opening for connecting the cavity to an external environment is arranged outside the substrate in a plane of the movable layer arrangement;
  • FIG. 8a shows a schematic cross-sectional view of a MEMS according to an exemplary embodiment, which combines the features of the double-implemented electrodes and the rear structure or resistor structure;
  • FIG. 8b shows a schematic cross-sectional view of the MEMS according to an exemplary embodiment, in which the relative alignment or orientation of two movable elements is interchanged with respect to the MEMS from FIG. 8a, so that the resistance structures are arranged adjacent to one another;
  • FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of the MEMS according to an embodiment in which electrodes of different layers are connected to one another and are offset from one another;
  • Fig. 1 1 a is a schematic cross-sectional view or a cross-section through a known, designed as an L-NED MEMS;
  • FIG. 1 1 b shows a schematic top view of the MEMS from FIG. 1 1 a;
  • FIG. 12 shows a schematic cross-sectional view of another known MEMS.
  • MEMS microelectromechanical system
  • a MEMS transducer can have one or more electroactive components which, based on an applied electrical quantity (current, voltage, charge or the like), cause a change in a mechanical component, i. i.e., cause a change.
  • This change can relate, for example, to a deformation, heating or tensioning of the mechanical component.
  • a mechanical influence on the component such as deformation, heating or tension, can lead to an electrical signal or electrical information (voltage, current, charge or the like) that can be detected at electrical connections of the component .
  • Some materials or components have a reciprocity, which means that the effects can be interchanged.
  • piezomaterials can have the inverse piezoelectric effect (deformation based on an applied electrical signal) and the piezoelectric effect (provision of an electrical charge based on a deformation).
  • an actuator configuration can be designed so that the electrode arrangement is macroscopically deformed along a lateral direction of movement, ie, an element or Area can be movable along the lateral direction of movement.
  • the element or area can be, for example, a bar end or a central area of a bar structure.
  • a deformation of the deformable element can occur perpendicular to the lateral direction of movement.
  • the exemplary embodiments described below relate to the macroscopic approach.
  • exemplary embodiments described below relate to the electrodes that are connected to one another via mechanical fixings and are designed to perform a movement based on an electrical potential.
  • exemplary embodiments are not restricted to this, but rather any type of bar structures, i.e. That is, bars which are designed to provide a force converted into a movement via the mechanical fixation in response to an actuation (actuator) and / or to detect a deformation (sensor), for example using piezoelectric materials , or other actuatable substances.
  • the bars can be, for example, electrostatic, piezoelectric and / or thermomechanical electrodes which provide a deformation based on an applied potential.
  • the MEMS 10 comprises a substrate 12, which has, for example, a layer stack 14 composed of a plurality of individual layers, the substrate 12 having a cavity 16 which is arranged in the interior of the substrate 12 by partially removing individual layers.
  • the layer stack 14 can comprise a plurality of layers.
  • the shift tape! 14 have a first substrate layer 18i on which an active layer or device layer (device layer) 24i is arranged by means of an intermediate layer 22i, for example by means of bonding, the layer sequence 18i, 22i and 24i with regard to the materials used and / or dimensions, for example that in 11a can correspond to the layer stack shown.
  • a further active layer 24 2 can form part of the layer stack via a further intermediate layer 22 2 .
  • a further substrate layer 18 2 can form part of the layer stack 14 via an intermediate layer 22 3 .
  • the layer sequence 18 2 , 22 3 and 24 2 can, at least with regard to the layer types and layer sequence, possibly also with regard to the dimensions, the layer sequence 18i, 22i and 24i, so that two half-layer stacks are connected to one another by means of the intermediate layer 22 2 .
  • the sequence of layers shown is selected merely as an example.
  • the substrate layers 18i and I82 can correspond to layers 1002 and 1032, respectively.
  • the intermediate layers 22i, 22 S and / or 223 can be formed as an intermediate layer 1006.
  • the layer stack 14 may include other and / or additional layers and / or may not include one or more of the illustrated layers. For example, it is conceivable not to arrange the substrate layer 181 or 18 2 or to produce it using another substrate, for example a printed circuit board or the like, on which the further layers are arranged. Despite the absence of the layer 181 and / or 18 2 , the cavity 16 can still be obtained in the substrate 12.
  • the MEMS 10 is designed, for example, in such a way that two active layers 24i and 24 2 are connected to one another via the intermediate layer 22 2 .
  • the active layers 24i and / or 24 2 can, for example, comprise electrically conductive materials, for example doped semiconductor materials and / or metal materials.
  • the layer-by-layer arrangement of electrically conductive layers enables a simple configuration, since the cavity 16 can be obtained by selective detachment from the layer 24i and 24 2 and the intermediate layer 22 2 and electrode structures 26a to e can remain through suitable adjustment of the processes.
  • the substrate layers 181 and 18 2 can have openings 28i and 28 2 , respectively, which can each provide fluidic inlets and / or fluidic outlets, as is described for the openings 1026 and 1034.
  • the MEMS 10 can have the MEMS 2000 by at least one additional layer, which is formed as an active layer according to the exemplary embodiment shown and, for example, forms the layer 24 2 .
  • the electrodes 26a, 26b and 26c can be fixed to one another in discrete areas in an electrically insulating manner, as is described for the MEMS 1000 in FIG. 11b, in which part elements of the resistance structure are arranged on at least two of the electrodes.
  • a movement of a movable element 32 obtained by mechanical fixation at the discrete points along a movement direction 34 can be obtained, for example can correspond to the direction 1024 and be arranged in the x / y plane of a Cartesian x / y / z coordinate system.
  • the x / y plane can be the plane that defines the in-plane movement along which the direction of movement 34 takes place.
  • the electrodes 26d to 26f can be remaining parts of the layer 24 2 and are arranged perpendicular to the substrate plane x / y adjacent to the layer 24i.
  • the electrodes 26a to 26c at least partially form a first layer of a layer arrangement 36, the electrodes 26d to 26f at least partially forming a second layer of the layer arrangement 36.
  • a dimension 38 of the movable layer arrangement 36 can be increased along the z-direction, although column 42 between electrodes 26a and 26c or 26d and 26f and column 42 2 between electrodes 26b and 26c or 26e and 26f are the same or comparable Same dimensions as with the MEMS 2000 because the same processes can be used.
  • An aspect ratio between the gap dimensions 42 and 42 2 and the dimensions of the electrodes 26a to 26c or 26d to 26f along the z-direction can, for example, be the same or similar to that described for the MEMS 2000 and, for example, a value of less than 40, in particular have about 30.
  • the actual effective aspect ratio can, however, be higher, since the juxtaposition of the layers or electrodes 26a to 26f results in an increase, for example doubling, of the dimension 38 along the z direction, without the gaps 42i and 42 2 being enlarged as a result.
  • a partial dimension or partial height 44i and 44 2 parallel to the z-direction of the MEMS 10 of the respective half-layer stack 14 combined via the intermediate layer 22 2 can correspond approximately to a corresponding dimension of the MEMS 1000 along the z-direction.
  • a movement of the electrodes 26d to 26f can be obtained in different ways. For example, by mechanically combining the electrode 26a and the electrode 26d, the electrode 26b and the electrode 26e and / or the electrode 26c and the electrode 26f from the movement of the electrode 26a, 26b or 26c of the movable element 32, a corresponding Movement of the mechanically firmly connected other electrode can be obtained.
  • mechanical fixations 46i and 46 2 which can for example correspond to elements 1022 of MEMS 1000, in the layer of electrodes 26d to 26f.
  • corresponding mechanical fixings 46 also in the plane of the layer 24 2 in order to mechanically fix the electrodes 26d to 26f to one another at discrete locations or areas. This enables a further movable element to be obtained, which can indeed be mechanically fixedly connected to the movable element 32 via the intermediate layer 22 2 , wherein a corresponding connection can also be completely or partially omitted.
  • the ratio between L-NED height and L-NED gap can be doubled, in the place of a device wafer (layer 24) with a cover wafer (layer 18i) fauxzubonden, two device wafer (24 i and 24 2 ) are bonded together, as shown in Fig. 1, so that Fig. 1 shows two device wafers that are bonded together so that the L-NED bars are mechanically connected together. In this way, the aspect ratio of the L-NED actuator is doubled.
  • the doubled L-NED height can lead to a higher flexural strength along the z-direction, which in turn leads to a lower sensitivity for the vertical (along the z-direction) pull-in effect and enables a high degree of design freedom.
  • This enables, for example, that the L-NED bars can be made longer, that is to say they can have a high axial extension along the y-direction.
  • the L-NED bars can be clamped on one side instead of on both sides, which is advantageous because L-NED bars clamped on one side allow a greater deflection than, for example, L-NED bars clamped on both sides; • Although it is still possible, a cover according to known configurations is not absolutely necessary, which offers potential for savings.
  • a device wafer made of layers 1002, 1006i and 10004 (referred to as technology 1) and a cover wafer 1032 (referred to as Technology 2) bonded by means of layer 1006 2 .
  • technology 1 a device wafer made of layers 1002, 1006i and 10004
  • Technology 2 a cover wafer 1032
  • the MEMS 10 according to FIG. 1 can be manufactured using only one of these technologies (technology 1), because the two components that are bonded together (441 and 44 2 ) are device wafers and accordingly with the same technology 1 getting produced. I.e. the use of technology 2 can be dispensed with, which enables simple production.
  • the role of the lid wafer now fulfills 18 2 .
  • FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of a MEMS 20 according to an exemplary embodiment in which the intermediate layer 22 2 between the electrodes 26a, 26b and 26c on the one hand and 26d, 26e and 26f on the other hand has been removed.
  • different electrical potentials can be applied between the electrodes 26a and 26c on the one hand and between the electrodes 26d and 26f on the other hand.
  • the electrodes 26b and 26c on the one hand, and 26e and 26f between the electrodes on the other hand from each other different electrical potentials can be applied, which can lead to mutually different Bewegun gene of the movable elements 32i and 32. 2
  • the corresponding electrodes are galvanically separated from one another and / or are only contacted in an optional control device, for example an application-specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • the L-NED bars of the upper device wafer are not directly connected to the L-NED bar of the lower device wafer.
  • the two L-NED bars can be controlled separately.
  • FIG. 3a shows a schematic cross-sectional view of a MEMS 30i according to an exemplary embodiment that provides a combinatorial configuration of the MEMS 10 and 20 in which the electrodes 26a and 26d and the electrodes 26b and 26e are connected to one another via the intermediate layer 22 2 , while the Intermediate layer 22 2 between electrodes 26c and 26f is completely or partially removed or not arranged in order to space electrodes 26c and 26f from one another.
  • Fig. 3b shows a schematic cross-sectional view of a MEMS 30 2 according to an exemplary embodiment, in which, compared to the MEMS 30i, the intermediate layer 22 2 is arranged between the electrodes 26c and 26f in order to mechanically connect the two electrodes firmly to one another, but between the Electrodes 26a and 26d and / or between electrodes 26b and 26e is removed.
  • some of the mechanical fixings 46 shown in FIG. 2 can be dispensed with, for example between the electrodes 26a and 26c and between the electrodes 26e and 26f or between the Electrodes 26b and 26c and between electrodes 26d and 26f. Movement can be transmitted via the mechanically fixed connection between electrodes 26c and 26f.
  • the L-NED bars of the upper device wafer can only partially be directly connected to the L-NED bars of the lower device wafer, according to FIG. 3b only the middle electrodes and according to FIG. 3a only the outer electrodes.
  • Embodiments create any configurations in which at least one pair of electrodes 26a and 26d, electrodes 26b and 26e and electrodes 26c and 26f are mechanically firmly connected to one another via an intermediate layer 22 2 arranged between the layers. A complete removal of this layer can optionally also be provided, as is described with reference to FIG. 2.
  • MEMS 10, 20, 30i and 30i and 3Ü 2 described above comprise two actively formed layers which are arranged or stacked next to one another or on top of one another in order to increase the aspect ratio between dimension 38 and gap 42.
  • MEMS are described using two active layers, which are connected to one another by means of an interlayer, some silicon oxide or silicon nitride or a polymer or the like, exemplary embodiments are not limited to this, but also allow additional, further layers to be arranged in any number, such as 3 or more, 4 or more, 5 or more or higher.
  • FIG. 4a shows a schematic cross-sectional view of a MEMS 40 according to an exemplary embodiment, in which the second layer of the movable layer arrangement 36 comprises a resistance structure 48 which is formed, for example, from the substrate layer 18 which remains in the region of the cavity 16, is arranged or is not detached and is connected to at least one of the electrodes 26a, 26b and / or 26c in order to provide an additional fluidic resistance compared to the electrodes 26a, 26b and 26c.
  • the resistor structure 48 can be retained during a selective etching process. Opposite a height 52 of the electrodes 26a, 26b and 26c along the z-direction, which can correspond to the height 1016, for example an effective height 54 of the movable element 32 can be increased by the resistance structure 48, which is advantageous.
  • a height or dimension 56 of the resistor structure 48 can be very large, in particular in view of a selective arrangement of the resistor structure 48 along the x-direction at a location on the y-axis.
  • a purpose used aspect behaves nis that by gaps or voids 58i between the substrate layer 18 and the resistive structure 48 and / or 48 2 on the height 56 of the resistor structure is based 48 relative between the substrate layer 18 and the resistor pattern 48, and a value of have approximately the limiting ratio of less than 40, for example less than 35 or about 30 or less, ie the dimension 52 can be larger by this factor than the column 42i and / or 42 2 .
  • this aspect ratio can lead to equally disproportionately larger dimensions 56 along the z-direction if this is compared with the dimension 52.
  • the dimension 56 which can also be referred to as the layer thickness of the layer 18 in the region of the cavity and therefore the resistance structure, can be greater by a factor of at least 2, at least 3, at least 4 or more than the dimension 52 of the layer 24 in the region of electrodes 26a to 26c.
  • FIG. 4a shows the L-NED beams with a rear structure with a placement of the rear structure under the central electrode.
  • FIG. 4b shows a schematic cross-sectional view of the MEMS 40 in which the resistance structure 48 is mechanically firmly connected to the electrode 26b.
  • the resistance structure 48 is mechanically firmly connected to the electrode 26b.
  • at least a part of the resistor structure 48 also be mechanically firmly connected to the electrode 26a, for example via the intermediate layer 22.
  • the resistance structure 48 or sub-elements thereof are mechanically firmly connected to the movable element 32, so that the resistance structure 48 is moved along with the movable element 32.
  • the coupling element 64 can, for example, provide electrical insulation, but this is optional. It is also possible that the coupling element 64 represents an at least local widening along the x-direction over at least one area along the y-direction, for example in the sense of a local thickening, which, however, leads to asymmetries with regard to the generated electrostatic forces can.
  • the piggyback element 62 is preferably arranged on a side of the electrode 26b facing away from the electrode 26c. Alternatively, the Huckepackele element 62 can also be mechanically firmly connected to the electrode 26a, preferably on a side facing away from the electrode 26c.
  • a distance between the resistor structure 48 and the substrate, the layer 18, can be greater than a distance between the electrodes, which is described by the gaps 42i and 42 2 .
  • the distance can preferably be greater by a factor of at least 3 than the second distance, preferably by a factor of at least 4 or at least 16.
  • the resistance structure 48 can provide a fluidic resistance for a fluid arranged in the cavity 16.
  • the MEMS 40 and MEMS 40 'are shown with the resistor structure 48 arranged on only one side of the electrode structures 26a to 26c along the negative z-direction exemplary embodiments relate readily to the resistor structure being arranged along the positive z-direction.
  • Further exemplary embodiments relate to combining the two versions so that a further resistance structure is arranged, which are arranged on both sides along the positive and negative z-direction of the layer 24 or the electrodes 26a to 26c.
  • the additional cover layers 18i and / or 18 2 shown for example in FIGS. 3a and 3b can be arranged and provided with corresponding openings.
  • the openings are shown as part of the outer layers of the layer stack in the exemplary embodiments described here, there is alternatively or additionally the possibility of providing openings laterally, for example in layers 24i and / or 24 2 of MEMS 10, 20, 30i or 30 2 and / or in layer 24 and / or 18 of MEMS 40 or 40 '. This enables the avoidance of a corresponding cover layer with openings and / or the other use of corresponding silicon area.
  • the mechanical fixations 46 are not shown in FIGS. 4a, 4b and 4c.
  • FIG. 4d shows a schematic plan view of a MEMS 40 ′′ according to a further exemplary embodiment, in which the coupling element 64 is arranged at a freely deflectable end of the movable element 32 firmly clamped on one side on the substrate 12i and that the movable element or the freely deflectable end thereof connects to a plurality of resistance structures 48i, 48 2 , which form a comb structure which is movable in a recess 65 of the cavity of the MEMS.
  • FIG. 4e shows a schematic cross-sectional view of the MEMS 40 ′′ from FIG. 4d in a sectional plane A'A from FIG. 4d, where it becomes clear that the movable element 32 moves along the z-direction adjacent to a substrate 12 2 , approximately above of the substrate performs a wiping movement parallel to the direction of movement 38.
  • the resistive elements may also be moved along the direction of movement 38 and that in the recess 65 of the cavity.
  • the recess 65 can be delimited laterally along the x-direction by the substrate 12 2 , so that a corresponding aspect ratio or a dimension of the movable element 32 and / or the electrodes thereof along the z-direction can be avoided.
  • the substrate 12 2 has, for example, a dimension 67 that is greater than 75 pm, greater than 150 pm or greater than 300 pm, for example as large as the resistor structures 48i, 48 2 and 48 3 .
  • the coupling element 64 enables the movement of the movable element 32 to be transmitted to the comb structure.
  • the stern structure is attached to a moving but not deformed part, the coupling element 64, which moves the movable element, the NED which is deformed.
  • the coupling element 64 which moves the movable element, the NED which is deformed.
  • an increase in stiffness in the lateral deflection direction for the deforming structure cannot be actuated, ie avoided, and thus no deflection reduction can occur.
  • the advantage of the reduced vertical pull-inn effect or risk is retained. This is where the increase in stiffness through the resistance structures becomes effective.
  • the connection between the NED and the rear structure is made via a coupling element.
  • the number of resistance structures in the MEMS 40 ′′ is arbitrary £ 1.
  • a lateral dimension 71 of the comb structure along the direction of movement 38 can be greater than 150 pm, greater than 300 pm or greater than 600 pm, for example 725 pm.
  • FIG. 5 a shows a schematic view of a MEMS 50 according to an exemplary embodiment, for example a top view from an underside.
  • the movable element which comprises electrodes 26a, 26b and 26c that are fixedly mechanically connected to one another via the mechanical fixations 46i to 46e at discrete locations and is thereby formed to be movable, can be firmly clamped on both sides.
  • the electrodes 26a and 26c can be electrically and / or galvanically connected to one another, for example by being formed from the same uninterrupted layer 24.
  • the electrode 26c on the other hand, can be electrically insulated from the electrodes 26a and 26b using insulating regions 66 1 and 66 2 in order to enable the application of an electrical potential different from the electrodes 26a and 26b.
  • FIG. 5b shows a view of the MEMS 50 comparable to FIG. 5a, the movable element being deflected in FIG. 5b.
  • a bending direction of the movable element for example along the positive x-direction, can be set via an orientation of the mechanical fixings 46.
  • MEMS 50 is shown in such a way that the movable element is clamped on both sides, clamping on one side is also easily possible.
  • the stern structure is directly connected to the L-NED electrodes, when the L-NED beam is deflected, the stern structure adopts exactly the same shape as that of the beam itself. That is, the deflection or curvature of the stern structure can be precise be the same as that of an L-NED bar.
  • the stern structure can be made as high as desired, ie the dimension 56 can be as large as desired. It can for example be as large as the thickness of the handle wafer, that is, for example at least 300 ⁇ m, at least 500 ⁇ m or at least 600 ⁇ m or more, since this structure is no longer subject to the L-NED limitations, ie narrow gaps and aspect ratios ⁇ 30.
  • the rear structure can be structured from the back of the BSOI wafer in a simple manner by means of wider gaps (trench).
  • the trenches / trenches on the back are still subject to manufacturing-specific limitations (for example a Bosch limitation with an aspect ratio of ⁇ 30), since the trenches can be made wider, especially when using only one resistor structure along the trench direction, they can therefore also be etched much deeper, resulting in the large dimension 56.
  • the rear structure can of course also be made under the outer L-NED electrodes 26a or 26b or even as an extra structure parallel to the L-NED bars, as shown in FIG. 4c.
  • the L-NED height 52 may be 75 pm and the stern structure height may be 600 pm. As a result, a corresponding structure can move eight times more air than the L-NED structure alone.
  • embodiments provide for the stiffness of the stern structure in the lateral direction, ie, along the x direction or along the direction of movement 34, to be as small as possible, which can be done, for example, by a resistor structure 48 that is thin along this direction.
  • An exemplary dimension of the resistance structure 48 along the direction 34 corresponds, for example, to a maximum of 100 ⁇ m, a maximum of 50 ⁇ m or a maximum of 1 ⁇ m.
  • the MEMS 60 has measures that reduce the rigidity of the resistor structure 48.
  • the resistor structure can comprise any number of at least two, at least three, at least 5 or at least 10 or more sub-elements 48a to 48j, which are arranged on one or more electrodes 26a, 26b and / or 26c.
  • the sub-elements 48a to 48j are on the middle electrode 26c arranged along an axial course along the y-direction thereof.
  • the sub-elements 48a to 48j are based on the structuring of the resistance element 48 at distances 72a to 72i spaced apart from one another, which provides the reduction in rigidity, that is, the contribution to the increase in rigidity by the resistance structure is low or minimized.
  • the distances 72a to 72j can be the same or different from one another and, for example, amount to a maximum of 100 ⁇ m, a maximum of 50 ⁇ m or a maximum of 5 ⁇ m in order to avoid fluidic losses or at least keep them low when the perpendicular to the movement direction 34 along the axial extension direction y arranged partial elements 48a to 48j move along the movement direction 34.
  • FIG. 6b shows a schematic top view of a MEMS 60 'according to an embodiment, in which the partial elements 48a to 48i are arranged on at least two of the electrodes 26a, 26b and 26c; in the example shown, partial elements are on each of the electrodes 26a, 26b and 26c.
  • the sub-elements are arranged distributed along the axial direction of extent y in order to provide the fluidic resistance in the cavity.
  • some of the projections 48'a to 48'i can be spaced apart from neighboring projections, it can be advantageous that neighboring projections overlap.
  • fixations 46i to 46s are arranged symmetrically between electrodes 26a and 26c on the one hand and 26b and 26c on the other hand
  • fixations 46i to 467 in FIG. 6b can be asymmetrical, for example in order to adapt to the movement profile and / or to set the load profile of the movable element.
  • the fluidic resistance is maintained along the direction of movement 34, although the partial element 48a is attached to the electrode 26a and the partial element 48b is attached to the electrode 26b. is arranged.
  • the stiffness reduction is obtained by subdivision or segmentation.
  • the overlap 76 between the projections simultaneously enables low fluidic losses. That this is an optional feature becomes clear when considering the projections 48'b and 48'c, which instead of the overlap 76 have a distance 78 which is preferably set in accordance with the distances 72a to 72h, around the to keep fluidic losses low.
  • FIGS. 6a and 6b show stern structures with interruptions.
  • the construction of a micro loudspeaker or a micro pump based on a rear structure is shown; H.
  • the rear structure from FIGS. 4a to 4c can have a cover layer above and / or below and can be provided with inlets and / or outlets.
  • the rear structure in a micro loudspeaker and / or a micro pump offers a further important advantage in terms of design.
  • Known micro loudspeakers suffer, as described, from the so-called vertical Pufl-In effect. This means that the drive voltage must not be so high that the L-NED bar is pulled up or down and comes into contact with the cover layers, ie the vertical pull-in effect occurs.
  • the vertical pull-in is particularly critical with the L-NED bars clamped on one side.
  • the L-NED bars clamped on one side can normally deflect more at least at the free end than the bars clamped on both sides in the middle.
  • this advantage may be partially forfeited if the drive voltage is chosen to be lower than with comparable L-NED bars because of the vertical pull-in effects.
  • long bars with a restraint of low rigidity are desirable for the micro-speaker and / or the micro-pump with regard to the design in order to obtain a high deflection.
  • the explained stern structure / resistance structure offers a solution to the dilemma described. Since the height of the stern structure can be chosen almost arbitrarily, about eight times greater than that of the L-NED bars, the stiffness of the overall structure is considerably increased by the stern structure in the vertical direction and dominates in terms of overall stiffness. This creates additional leeway when designing the length and / or the Clamping of the L-NED beam gained. For example, in order to obtain more lateral deflection, the beam can be made longer and the restraint softer. The resulting disadvantage in terms of the vertical pull-in effect is then compensated for by the height of the rear structure. The advantage applies to L-NED bars clamped on one side as well as on both sides.
  • FIG. 7b shows a schematic cross-sectional view of a MEMS 70 according to an exemplary embodiment in which the opening 28 2 for connecting the cavity 16 to an external environment 88 is arranged outside of the substrate 12 in a plane of the movable layer arrangement, that is, it at least overlaps partially with the resistance element 48 and / or the layer 24 of the electrodes 26a, 26b and 26c and / or the interlayer 22.
  • a laterally arranged opening can make it possible to use the layer 78 2 for purposes other than for an opening .
  • the opening 28i can also be arranged laterally.
  • a lateral arrangement of one or more openings is possible in all of the MEMS described herein without restrictions.
  • the openings 28i and 28 2 can also be arranged in the area of the restraints of a beam clamped on both sides in the area of the movable layer arrangement or in the area of the clamped and freely movable end of a beam of the movable layer arrangement that is clamped in on one side.
  • Fig. 8a shows a schematic cross-sectional view of a MEMS 8O 1 according to an exemplary embodiment, which combines the features of the duplicated electrodes and the rear structure or resistor structure.
  • the movable structure described in connection with the MEMS 70i is designed twice in the cavity 16 and / or that the MEMS 10, 20, 30i or 30 2 is additionally provided with the resistance structure or with several resistance structures is provided.
  • the layers 24i and 24 2 can be structured in the electrodes 26a, 26b and 26c or 26d, 26e and 26f, which are wholly or partially connected to one another via the intermediate layer 22 2 .
  • a corresponding resistance structure 48i or 48 2 can be mechanically permanently connected to the respective movable element 32i and 32 2 or be part thereof.
  • the resistor structures 48i and 48 2 may be formed while the same or different, such as by patterning into a different number of sub-areas, an arrangement of the resistance structure or Subregions thereof on different electrodes and / or different dimensions along the z-direction, as is possible for all of the layers of the movable elements 32i and 32 2 .
  • the MEMS 8O 1 can be formed such that the movable elements with regard to the electrode arrangements 26a to 26c and 26d to 26f are arranged adjacent to one another along the direction z perpendicular to the substrate plane between the first resistor structure 48i and 48 2 .
  • FIG. 8b shows a schematic cross-sectional view of the MEMS 8O 2 in which the relative alignment or orientation of the movable elements 32i and 32 2 with respect to the MEMS 8O 1 is reversed, so that the resistor structures 48i and 48 2 are adjacent to one another and perpendicularly along the z-direction to the substrate plane between the movable union elements 32 1 and 32 2 or the electrode arrangements 26a to 26c and 26d to 26f are arranged.
  • the intermediate layer 22 2 between the resistor structures 48i and 48 2 is shown removed, it can also be provided for a mechanical fixation between the resistor structures 48i and 48 2 . In the variant shown, however, the resistor structures 48i and 48 2 can be moved relative to one another, which enables different control.
  • Both resistance structures can then be connected to an active structure that enables or controls this movement, for example via the movable elements 32 1 and 32 2 .
  • a control device provided for the MEMS 80 1 and 80 2 can be designed to control the movable elements 32i and 32 2 individually or together.
  • the control device 86 can be provided for each of the other MEMS described herein in order to control the movable layer structure.
  • FIGS. 8a and 8b Exemplary combinations are shown in FIGS. 8a and 8b.
  • This can double the moving volume, ie in the case of a micro loudspeaker, another 6 dB more volume can be obtained.
  • the vertical pull-in can even be completely eliminated. If the tail structures 48i and 48 2 as well as the covers 78i and 78 2 are grounded, then the generation of electrical forces between the rear structure and the cover wafers can be avoided, ie the vertical pull-in can practically no longer occur.
  • FIGS. 8a and 8b each show a stacking of two L-NED-T actuators, the T indicates the shape of the electrodes combined with the resistor structure, the concept can be expanded as required so that, for example, additional electrode structures or L. -NED actuators can be added.
  • FIG. 9 shows a schematic side sectional view of a MEMS 100 according to an exemplary embodiment, in which the electrodes or bars 26a, 26b and 26c are offset by a possibly electrode-specific offset 91 1 compared to the bars or electrodes 26d, 26e and 26f arranged in the adjacent layer , 91 2 or 91 3 are offset, with the offset alternatively also being able to be at least equal in terms of amount in the case of two or more elements or it can also point in different directions along the x-direction.
  • the layers 24i and 24 2 are connected to one another via intermediate layers 22i and 22 2 , for example.
  • Embodiments include that the distances 91 1 , 91 2 , and 91 3 do not have to have the same values, but can.
  • Embodiments of the present invention also make it possible to design the inlet openings and / or outlet openings laterally in the plane of the stern structure so that the cover and base plane are available for the electrical signal distribution. This enables a preferred higher packing density to be achieved.
  • Embodiments enable a high, for example 16 times, enlargement of the transverse area of an L-NED-based actuator.
  • this can generate up to 24 dB more sound level, which is a considerable amount.
  • the effect is also advantageous for micropumps according to the invention.
  • the vertical pull-in tension is greatly increased as the height of the overall structure increases Stern structure is enlarged.
  • a higher pull-in voltage provides several design freedoms, e.g. B. to make the L-NED length larger and to make the restraint (on one or both sides) softer in order to achieve a greater NED deflection.
  • other applications also relate to MEMS waveguides for high frequencies, especially in the THz range.

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  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)

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

MEMS mit großer fluidisch wirksamer Oberfläche
Beschreibung
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 Elektro denspalt 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 pm tief ätzen. Die Tiefe von nur 10 pm ist für viele L- NED Anwendungen nicht ausreichend. Wenn Tiefen von z. B. 100 pm notwendig sind, kann dies dazu führen, dass die Breite des Grabens auch zehnmal größer gemacht werden muss, d. h., in etwa 3 pm breit.
Fig. 1 1 a 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 Insula- tor, 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 ange ordnet, 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-Verfah- ren erhalten werden können. Äußere Gräben 1014i und 1014z 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.
Fig. 11 b 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 Me diums kann man ausnutzen und auf der Basis von L-NED Aktuatoren (Mikro-) Lautsprecher oder (Mikro-) Pumpen hersteilen. Die Lautstärke eines Lautsprechers oder die Leistung ei ner 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 herzusteflen, 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.
Fig. 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 IOO62 eine weitere Substratschicht 1032 angeordnet, die beispiels weise 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 1036i 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 pm aufweisen (bestimmt durch die thermische Oxidation von Si: 10nm -10 Mm).
Das Hauptprinzip gemäß der Fig. 12 ist ein L-NED Aktuator, hergestellt auf einem BSOI Wafer, auch Device-Wafer genannt, wie es im Zusammenhang mit Fig. 1 1 a und Fig. 11 b 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 vorgese hen.
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 Fig. 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 1036i und 10362 zwischen L-NED Balken und Deckel-Wafer 1032 oder Handle-Wafer 1002 relativ klein sind (im Bereich 1 bis 2 pm), 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 füh ren (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. Wünschenswert wären demnach MEMS mit in-plane beweglichen Elementen, die ein gro ßes 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 auf weist. 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.
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, ak tiv 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 Ver luste 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 beabstan- den und um den zweiten Balken von dem fünften Balken zu beabstanden. Dies ermöglicht eine geringe zu bewegende Masse, da eine Bewegungskopplung dennoch über mechani sche 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 zu sätzliche 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 Widerstandsstruk tur 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 ver formt 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 pm, bevorzugt höchstens 10 pm, und besonders bevorzugt höchstens 2 pm. Dies ermöglicht geringe flui- dische 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 Wi derstandstruktur 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 Wider standstruktur 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 Widerstandstruk tur, 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 ange ordneten 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 aktuatori- sche Implementierung als Lautsprecher oder Pumpe, aber auch für eine sensorische Im plementierung, 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 Sub stratebene 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 pm. 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 Bewegungs struktur 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 äu ßeren Umgebung des Substrats fluidisch verbunden, wobei die zumindest eine Öffnung in einer Ebene der beweglichen Schichtanordnung angeordnet ist. Dies ermöglicht, dass Bo denschicht 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:
Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine zusätzliche Aktuatordicke durch zusätzliche Elektroden er halten wird; Fig. 3a eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungs beispiel, 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;
Fig. 3b eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem gegenüber dem MEMS aus Fig. 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;
Fig. 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;
Fig. 4b eine schematische Querschnittansicht des MEMS aus Fig. 4a dar, bei der die Widerstandstruktur mit einer äußeren Elektrode mechanisch fest verbunden ist;
Fig. 4c eine schematische Querschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element in einer Ebene der Elektroden der ers ten Schicht ein Huckepackelement aufweist, mit dem die Widerstandstruktur über ein Koppelelement mechanisch fest verbunden ist;
Fig. 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;
Fig. 4e eine schematische Querschnittansicht des MEMS aus Fig. 4d in einer Schnittebene A’A aus Fig. 4d;
Fig. 5a eine schematische Ansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element beidseitig fest eingespannt ist; Fig. 5b eine schematische Ansicht des MEMS aus Fig. 5a in einem ausgelenkten Zustand des beweglichen Elements;
Fig. 6a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Teilelemente der Widerstandsstruktur an einer der Elektroden angeordnet sind;
Fig. 6b eine schematische Draufsicht auf ein MEMS gemäß einem Ausführungsbeispief, bei dem Teilelemente der Widerstandsstruktur an zumindest zwei der Elektroden angeordnet sind;
Fig. 7a eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungs beispiel, dass beispielsweise das MEMS aus Fig. 4a durch eine Deckelschicht;
Fig. 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 Schichtanord nung angeordnet ist;
Fig. 8a eine schematische Querschnittansicht eines MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, das die Merkmale der doppelt ausgeführten Elektroden und der Heckstruktur oder Widerstandstruktur kombiniert;
Fig. 8b eine schematische Querschnittansicht des MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die relative Ausrichtung oder Orientierung zweier beweglicher Ele mente gegenüber dem MEMS aus Fig. 8a vertauscht ist, sodass die Widerstand strukturen benachbart zueinander angeordnet sind;
Fig. 9 eine schematische Querschnittansicht des MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Elektroden unterschiedlicher Schichten mit einander verbunden sind und einen Versatz zueinander aufweisen;
Fig. 10 eine schematische Querschnittansicht des MEMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem Elektroden unterschiedlicher Schichten berührungslos zueinander sind und einen Versatz zueinander aufweisen; Fig. 1 1 a eine schematische Querschnittsansicht bzw. einen Querschnitt durch ein bekann tes, als L-NED ausgebildetes MEMS;
Fig. 1 1 b eine schematische Draufsicht auf das MEMS aus Fig. 1 1 a; und
Fig. 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, funktions gleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedli chen 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. Alter nativ 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 ver formbaren Elements senkrecht zu der lateralen Bewegungsrichtung auftreten. Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die makroskopische Betrachtungsweise.
Manche der nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Elektro den, 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 Ak- tuierung eine über die mechanische Fixierung in eine Bewegung umgewandelte Kraft bereitzustellen (Aktuator) und/oder um eine Verformung zu erfassen (Sensor), etwa unter Ver wendung 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.
Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS 10 umfasst ein Substrat 12, das beispielsweise einen Schicht stapel 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 Schichtstape! 14 eine erste Substratschicht 18i aufweisen, an der mittels einer Zwischenschicht 22i eine aktive Schicht oder Device-Schicht (Vorrichtungsschicht) 24i angeordnet ist, etwa mittels Bonding, wobei die Schichtfolge 18i, 22i und 24i bezüglich der verwendeten Materialien und/oder Abmessungen beispielsweise dem in Fig. 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 Schichtrei henfolge, möglicherweise auch im Hinblick auf die Abmessungen, die Schichtfolge 18i, 22i und 24i spiegeln, sodass zwei hälftige Schichtstapel mittels der Zwischenschicht 222 miteinander verbunden sind.
Die dargestellte Schichtfolge ist dabei lediglich beispielhaft gewählt. Die Substratschichten 18i und I82 können beispielsweise den Schichten 1002 bzw. 1032 entsprechen. Die Zwi schenschichten 22i, 22S 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 vor stellbar, 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 den noch die Kavität 16 in dem Substrat 12 erhalten werden.
Das MEMS 10 ist beispielhaft so ausgeführt, dass zwei aktive Schichten 24i und 242 mitei nander über die Zwischenschicht 222 verbunden sind. Die aktiven Schichten 24i und/oder 242 können beispielsweise elektrisch leitfähige Materialien aufweisen, beispielsweise do tierte Halbleitermaterialien und/oder Metallmaterialien. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht 24i 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 ver bleibenden Teilen der Schicht 24i und 242 unterschiedlich gebildet sein, d. h. unterschiedliche Materialien aufweisen.
Die Substratschichten 181 und 182 können Öffnungen 28i 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 Fig. 11 b, bei dem Teilele mente 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 24i 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 42 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 42 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 42i und 422 vergrößert werden.
Eine Teilabmessung oder Teilhöhe 44i 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-Rich tung 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 me chanische Fixierungen 46i 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 18i) zusammenzubonden, zwei Device-Wafer (24i und 242) zusammengebondet werden, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, sodass Fig. 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 Mikrolautspre chern zu einer Vergrößerung des Schallpegels um 6 dB führen;
• die verdoppelte L-NED Höhe kann zu einer höheren Biegefestigkeit entlang der z-Rich- tung 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 Fig. 12, so wird dort für einen Lautsprecher oder Pumpe ein Device-Wafer aus den Schichten 1002, 1006i 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 Fig. 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 hinge wiesen, dass die beispielhaft erläuterte Verdoppelung der Abmessung entlang der z-Rich- tung eine der möglichen Ausgestaltungen ist. Die Schichten 24i 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.
Fig. 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 dargesteilten 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 32i 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 Bewegun gen der beweglichen Elemente 32i und 322 führen kann. Dies bedeutet, dass die entspre chenden Elektroden galvanisch voneinander getrennt sind und/oder erst in einer optionalen Ansteuereinrichtung, etwa einer applikationsspezifischen integrierten Schaltung (applica- tion 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.
Fig. 3a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 30i gemäß einem Aus führungsbeispiel, 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 Fig. 3a nicht dargestellte mechanische Fixierungen 46 an beliebigen Orten angeordnet werden können, etwa gemäß der Konfiguration aus Fig. 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.
Fig. 3b zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 302 gemäß einem Aus führungsbeispiel, bei dem gegenüber dem MEMS 30i die Zwischenschicht 222 zwischen den Elektroden 26c und 26f angeordnet ist, um die beiden Elektroden mechanisch fest mit einander 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 Fig. 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 Bewegungsüber tragung 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 Fig. 3b nur die mittleren Elektroden und gemäß Fig. 3a nur die äußeren Elektroden.
Ausführungsbeispiele schaffen beliebige Konfigurationen, bei denen zumindest ein Elekt rodenpaar 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 Fig. 2 beschrieben ist.
Vorangehend beschriebene MEMS 10, 20, 30i und 3Ü2 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.
Fig. 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 Ätzver- fahrens 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 pm und 1 mm, bevorzugt zwischen 50 pm und 400 pm, besonders bevorzugt zwischen 70 pm und 150 pm betragen. Unter Bezugnahme auf die Fig. 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 pm, 2 pm oder 10 pm. Die Abmes sung 56 kann dahingehend ebenfalls zumindest 50 pm, zumindest 100 pm oder zumindest 200 pm 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 Aspektverhält nis, das durch Spalte oder Leerräume 58i 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 42i und/oder 422. Dieses Aspektverhältnis kann in Anbetracht der verglichen mit den Spalten 42i und 422 zwischen den Elektroden 26a bis 26c ungleich größeren Spalten 58i 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 Fig. 4a die L-NED Balken mit Heckstruktur mit einer Platzierung der Heckstruktur unter der mittleren Elektrode.
Während in Fig. 4a die Widerstandstruktur eine der mittleren Elektrode 26c des beweglichen Elements 32 angeordnet ist, stellt Fig. 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 Fig. 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 Fig. 4a und der Fig. 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 Ele ment 32 mitbewegt wird.
In anderen Worten zeigt Fig. 4b die Platzierung der Heckstruktur unter der äußeren Elektrode im Querschnitt.
Fig. 4c zeigt eine schematische Querschnittansicht eines MEMS 40‘ gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel, 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-Rich- tung 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 Huckepackele ment 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 Deh nungsamplituden zwischen dem Bereich höchstens geringfügiger Verformung und dem Be reich 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 42i 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 an geordnetes 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 Ausführungsbei spiele 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 beispiels weise in Fig. 3a und 3b dargestellten zusätzlichen Deckelschichten 18i 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, Öffnun gen lateral vorzusehen, beispielsweise in den Schichten 24i und/oder 242 des MEMS 10, 20, 30i 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 Fig. 4a, 4b und 4c nicht dargestellt sind.
In anderen Worten zeigt Fig. 4c die Platzierung der Heckstruktur seitlich zu den Elektroden im Querschnitt.
Fig. 4d zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 40“ gemäß einem weiteren Aus führungsbeispiel, bei dem das Koppelelement 64 an einem frei auslenkbaren Ende des an dem Substrat 12i einseitig fest eingespannten beweglichen Elements 32 angeordnet ist und dass das bewegliche Element bzw. das frei auslenkbaren Ende hiervon mit einer Mehrzahl von Widerstandstrukturen 48i, 482 verbindet, die eine Kammstruktur bilden, die in einer Vertiefung 65 der Kavität des MEMS beweglich ist.
Fig. 4e zeigt eine schematische Querschnittansicht des MEMS 40“ aus Fig. 4d in einer Schnittebene A’A aus Fig. 4d, wo deutlich wird, dass sich das bewegliche Element 32 entlang derz-Richtung benachbart zu einem Substrat 122 bewegt, etwa oberhalb des Substrats eine Wischbewegung parallel zu der Bewegungsrichtung 38 ausführt. Über das Koppelele ment 64, an dem, beispielsweise unter Verwendung der Zwischenschicht 22, die Widerstandselemente 48i, 482 und 48a 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 be grenzt 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 pm, größer als 150 pm oder größer als 300 pm ist, beispielsweise so groß wie die Widerstandstrukturen 48i, 482 und 483. Das bedeutet, dass anstelle einer direkten fluidi- schen Interaktion mittels des beweglichen Elements 32 eine indirekte Aktuierung oder Sen- sierung über die Kammstrukturen, die Widerstandstrukturen 48i bis 48a erfolgt, die aufgrund der großen Abstände 69i und 692 zwischen den Widerstandstrukturen 48i 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 Auslen kungsrichtung für die deformierende Struktur nicht aktorisch wirksam werden, d. h. vermieden werden, und somit keine Auslenkungsverringerung eintreten. Der Vorteil des verringer ten vertikalen Pull-Inn Effekts oder Risikos bleibt dahingegen erhalten. Hier wird die Stei figkeitserhöhung 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 pm, größer als 300 pm oder größer als 600 pm sein, beispielsweise 725 pm.
Fig. 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 46i bis 46e an diskreten Orten fest mechanisch mitei nander verbundene Elektroden 26a, 26b und 26c umfasst und dadurch beweglich gebildet wird, kann beidseitig fest eingespannt seih. 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.
Fig. 5b zeigt eine zur Fig. 5a vergleichbare Ansicht des MEMS 50, wobei in Fig. 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 Fig. 4a beschrieben ist, kann die Widerstandstruktur 48 mit der Elektrode 26c mechanisch fest verbunden sein und mit dieser mitbewegt werden. Aus der Ansicht der Fig. 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 pm und höchstens 5.000 pm, bevorzugt von zumindest 100 gm und höchstens 2.000 gm und besonders bevorzugt von zumindest 400 gm und höchstens 1.500 gm 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, da mit 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 pm, zumindest 500 pm oder zumindest 600 pm 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 Aspektver hältnis 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 her gestellt werden oder sogar als Extrastruktur parallel zu den L-NED Balken, wie es in Fig. 4c dargestellt ist. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel kann die L-NED Höhe 52 75 pm und die Heckstrukturhöhe 600 pm 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 bei spielhafte Abmessung der Widerstandstruktur 48 entlang der Richtung 34 entspricht bei spielsweise höchstens 100 pm, höchstens 50 pm oder höchstens 1 pm. Solange die Heckstruktur mechanisch stabil ist, kann die Heckstruktur so dünn wie möglich gemacht werden, um die T rägheit 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 Fig. 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.
Fig. 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 Teil elemente 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 pm, höchstens 50 pm oder höchstens 5 pm betra gen, 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 T eilelemente 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.
Fig. 6b zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS 60‘ gemäß einem Ausführungs beispiel, bei dem die Teiielemente 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 bereit zustellen. 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 Teiielemente 48a bis 48i in eine Ebene 74, die parallel zu der axialen Erstreckungsrich tung 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 Fig. 6a, wo Fixierungen 46i bis 46s zwischen den Elektroden 26a und 26c einerseits und 26b und 26c andererseits symmetrisch angeordnet sind, können die Fixierungen 46i bis 467 in Fig. 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 ange- ordnet ist. Durch die Unterteilung oder Segmentierung wird die Steifigkeitsreduzierung er halten. Der Überlapp 76 zwischen den Projektionen ermöglicht jedoch gleichzeitig geringe fluidische Verluste. Dass es sich hierbei um ein optionales Merkmal handelt, wird bei Be trachtung 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 Untertei lungen 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 Fig. 6b dargestellt ist, sodass flui- disch 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 Fig. 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 Fig. 4a bis 4c kann eine Deckelschicht oben und/oder unten aufweisen und mit Einlässen und/oder Auslässen versehen werden.
Fig. 7a zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines MEMS 70i gemäß einem Ausführungsbeispiel, das beispielsweise das MEMS 40 aus Fig. 4a durch die erwähnten Deckelschichten 78i und 782 ergänzt, die mittels weiterer Zwischenschichten oder Bondschichten 82i und 822 mit den Schichten 18 bzw. 24 verbunden sein können. Die Schichten 78i und 782 können gleich gebildet sein, wie die Schicht 18. Die Bondschichten 82i 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 42i und 422, sodass hier für die Höhe 52 keine wesent liche 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 Pufl- 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 zumin dest am freien Ende mehr auslenken, als die je zweiseitig eingespannten Balken in der Mitte. Dieser Vorteil wird aber möglicherweise teilweise eingebüßt, wenn die Antriebspan nung 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 ge wählt 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 Redu zierung 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 Ge samtsteifigkeit. 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.
Fig. 7b zeigt eine schematische Querschnittansicht eines MEMS 70 gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel, 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 Widerstand selement 48 und/oder der Schicht 24 der Elektroden 26a, 26b und 26c und/oder der Zwi schenschicht 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 28i lateral angeordnet sein. Eine laterale Anordnung einer oder mehrerer Öffnungen ist in sämtlichen der hierin beschriebenen MEMS ohne Einschränkungen möglich. Die Öffnungen 28i 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.
Fig. 8a zeigt eine schematische Querschnittansicht eines MEMS 8O1 gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel, 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 70i beschriebene bewegliche Struktur in der Kavität 16 doppelt ausgeführt ist und/oder dass das MEMS 10, 20, 30i oder 302 zusätzlich mit der Widerstandstruktur versehen wird oder mit mehreren Widerstandstrukturen versehen wird. So können beispielsweise die Schichten 24i 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 32i und 322 erhalten werden, die durch die Verbindung mit der Zwischenschicht 222 mechanisch miteinander fest verbunden sein können. Mit dem jeweiligen beweglichen Element 32i und 322 kann eine entsprechende Widerstandstruktur 48i bzw. 482 mechanisch fest verbunden sein oder Teil hiervon sein. Die Widerstandstrukturen 48i 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 Abmes sungen entlang der z-Richtung, wie es für sämtliche der Schichten der beweglichen Elemente 32i und 322 möglich ist.
Das MEMS 8O1 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 48i und 482 benachbart zueinander angeordnet sind.
Fig. 8b zeigt eine schematische Querschnittansicht des MEMS 8O2, bei dem die relative Ausrichtung oder Orientierung der beweglichen Elemente 32i und 322 gegenüber dem MEMS 8O1 vertauscht ist, sodass die Widerstandstrukturen 48i und 482 benachbart zueinander und entlang der z-Richtung senkrecht zu der Substratebene zwischen den beweg lichen Elementen 321 und 322 bzw. den Elektrodenanordnungen 26a bis 26c und 26d bis 26f angeordnet sind. Obwohl die Zwischenschicht 222 zwischen den Widerstandstrukturen 48i und 482 entfernt dargestellt ist, kann sie ebenso für eine mechanische Fixierung zwi schen den Widerstandstrukturen 48i und 482 vorgesehen sein. In der dargestellten Variante können die Widerstandstrukturen 48i 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 8O1 und 802 vorgesehene Ansteuereinrichtung kann ausgebildet sein, um die beweglichen Elemente 32i und 322 individuell oder gemeinsam anzusteuern. Die Ansteuereinrichtung 86 kann für je des 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 Fig. 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 Fig. 8a kann der vertikale Pull-In sogar komplett eliminiert werden. Wenn die Heckstrukturen 48i und 482 sowie die Deckel 78i 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 Fig. 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 Kon zept beliebig erweiterbar, sodass beispielsweise weitere, zusätzliche Elektrodenstrukturen oder L-NED-Aktuatoren hinzugefügt werden können.
Fig. 9 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 100 gemäß einem Aus führungsbeispiel, 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 ei nen 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 24i und 242, sowie die aus diesen Schichten herausstrukturierten beweglichen Elemente 32i und 322 sind bspw. über Zwischenschichten 22i und 222 miteinander verbunden. Ausführungsbeispiele beinhalten, dass die Abstände 911 , 912, und 913 keine gleichen Werte einnehmen müssen aber können.
Fig. 10 zeigt in einer Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels, dass die Schichten 24i und 242, die in Balken strukturiert sind, die zusammen die bewegliche Schichtanordnung 36 bilden. Analog zu Fig. 9 sind die Abstände der Balken 911, 912, und 913 zueinander ist höchstens 100 pm, bevorzugt 50 pm, besonders bevorzugt 5 pm 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 An wendungen 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 Verfah rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein ent- sprechender 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

Patentansprüche
1. 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; 24i) 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; 24i) angeordnet ist; wobei die zweite Schicht (242; 18) entlang der Bewegungsrichtung (34) beweglich angeordnet ist.
2. MEMS gemäß Anspruch 1 , bei dem die Balken (26a-c) elektrostatische, piezoelektrische, thermomechanische Elektroden sind.
3. MEMS gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Schicht (242) in einen vierten Balken (26d), einen fünften Balken (26e) und einen sechsten Balken (26f) strukturiert ist, wobei entlang der Richtung (z) senkrecht zu der Substratebene der vierte Balken (26d) benachbart zu dem ersten Balken (26a); und der fünfte Balken (26e) benachbart zu dem zweiten Balken (26b); und der sechste Balken (26f) benachbart zu dem dritten Balken (26c) angeordnet ist.
4. MEMS gemäß Anspruch 3, bei dem die Balken benachbarter Schichten versetzt zueinander angeordnet sind.
5. MEMS gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem zumindest einer aus dem ersten Balken
(26a) und dem vierten Balken (26d), dem zweiten Balken (26b) und dem fünften Balken (26e) und dem dritten Balken (26c) und dem sechsten Balken (26f) mechanisch über eine zwischen der ersten Schicht (24i) und der zweiten Schicht (242) angeordnete Zwischenschicht (222) miteinander verbunden sind.
6. MEMS gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der dritte Balken (26c) und der sechste Balken (26f) über eine zwischen der ersten Schicht (24i) und der zweiten Schicht (242) angeordnete Zwischenschicht (222) mechanisch miteinander verbunden sind; und die Zwischenschicht (222) zwischen dem ersten Balken (26a) und dem vierten Balken (26d) einerseits und dem zweiten Balken (26b) und dem fünften Balken (26e) andererseits entfernt ist, um den ersten Balken (26a) von dem vierten Balken (26d) zu beabstanden und um den zweitem Balken (26b) von dem fünften Balken (26e) zu beabstanden.
7. MEMS gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem der erste Balken (26a) und der vierte Balken (26d) einerseits und der zweite Balken (26b) und der fünfte Balken (26e) andererseits mechanisch über eine zwischen der ersten Schicht (24i) und der zweiten Schicht (242) angeordnete Zwischenschicht (22z) miteinander verbunden sind; und die Zwischenschicht (222) zwischen dem dritten Balken (26c) und dem sechsten Balken (26f) entfernt ist, um einen Spalt zwischen dem dritten Balken und dem sechsten Balken bereitzustellen.
8. MEMS gemäß Anspruch 3, bei dem die erste Schicht (24i) und die zweite Schicht (242) in einem Bereich des Substrats (12) über eine Zwischenschicht (222) miteinander verbunden sind; wobei die Zwischenschicht (222) in einem Bereich der Kavität (16) zwischen dem ersten Balken (26a) und dem vierten Balken (26d), zwischen dem zweiten Balken (26b) und dem fünften Balken (26e) und zwischen dem dritten Balken (26c) und dem sechsten Balken (26f) entfernt ist.
9. MEMS gemäß Anspruch 8, bei dem der erste, zweite und dritte Balken (26a-c) ein erstes bewegliches Element (32i) der beweglichen Schichtstruktur (36) bilden und bei dem der vierte, fünfte und sechste Balken (26d-f) ein zweites bewegliches Element (322) der beweglichen Schichtstruktur (36) bilden, wobei das erste bewegliche Element (32i) gegenüber dem zweiten beweglichen Element (322) entlang der Bewegungsrichtung (34) beweglich angeordnet ist.
10. MEMS gemäß Anspruch 9, bei dem zwischen dem ersten Balken (26a) und dem dritten Balken (26c) einerseits und zwischen dem vierten Balken (26d) und dem sechsten Balken (26f) andererseits voneinander verschiedene elektrische Potentiale anlegbar sind; und/oder zwischen dem zweiten Balken (26b) und dem dritten Balken (26c) einerseits und zwischen dem fünften Balken (26e) und dem sechsten Balken (26f) andererseits voneinander verschiedene elektrische Potentiale anlegbar sind.
11. MEMS gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem 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.
12. MEMS gemäß Anspruch 11 , bei der die Widerstandsstruktur (48) mittels einer Zwischenschicht (22) mit der ersten Schicht verbunden ist.
13. MEMS gemäß Anspruch 11 oder 12, bei der die erste Schicht (24i) 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.
14. MEMS gemäß Anspruch 13, 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.
15. MEMS gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 14, 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.
16. MEMS gemäß Anspruch 15, bei dem die Teilelemente (48a-j) entlang der axialen Erstreckungsrichtung (y) einen Abstand (72) zueinander aufweisen.
17. MEMS gemäß Anspruch 16, bei dem der Abstand (72) höchstens 100 pm, bevorzugt höchstens 100 pm, besonders bevorzugt höchstens 1 pm beträgt
18. MEMS gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, 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.
19. MEMS gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, 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.
20. MEMS gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 19, bei dem entlang oder entgegengesetzt zu der Bewegungsrichtung (34) ein erster Abstand (58i) 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).
21. MEMS gemäß Anspruch 20, bei dem der erste Abstand (58i) um zumindest den Faktorbereich 1 bis 20, bevorzugt 3 bis 10, besonders bevorzugt 5 bis 7 größer ist als der zweite Abstand (42i).
22. MEMS gemäß einem der Ansprüche 11 bis 21 , 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 (24i).
23. MEMS gemäß einem der Ansprüche 11 bis 22, bei der ein Aspektverhältnis der ersten Schicht (24i) bezüglich einer Schichtdicke (52) der ersten Schicht (24i) und einem Abstand (42i) zwischen dem ersten Balken (26a) und dem dritten Balken (26c) kleiner ist als 40.
24. MEMS gemäß einem der Ansprüche 11 bis 23, bei dem die Widerstandsstruktur (48) eine erste Widerstandsstruktur ist, die an einer ersten Seite der ersten Schicht (24i) angeordnet ist, und das ferner eine zweite Widerstandsstruktur aufweist, das an einer der ersten Seite gegenüberliegend angeordneten zweiten Seite der ersten Schicht (24i) angeordnet ist.
25. MEMS gemäß einem der Ansprüche 11 bis 24, bei dem die Widerstandsstruktur (48) einen fluidischen Widerstand für ein in der Kavität (16) angeordnetes Fluid bereitstellt.
26. MEMS gemäß einem der Ansprüche 11 bis 25, 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 (32i) bilden und wobei der vierte, fünfte und sechste Balken (26d-f) ein zweites bewegliches Element (322) der beweglichen Schichtanordnung (36) bilden.
27. MEMS gemäß Anspruch 26, bei dem das erste bewegliche Element (32i) mechanisch mit dem zweiten beweglichen Element (322) verbunden oder nicht verbunden ist.
28. MEMS gemäß Anspruch 26 oder 27, bei dem die Widerstandsstruktur (48) eine erste Widerstandsstruktur (48i) ist, und die eine zweite Widerstandsstruktur (482) aufweist, die mit dem zweiten beweglichen Element (322) verbunden ist.
29. MEMS gemäß Anspruch 28, bei dem das erste bewegliche Element (32i) und das zweite bewegliche Element (322) benachbart zueinander und entlang einer Richtung (z) senkrecht zu der Substratebene zwischen der ersten Widerstandsstruktur (48i) und der zweiten Widerstandsstruktur (482) angeordnet sind.
30. MEMS gemäß Anspruch 28, bei dem die erste Widerstandsstruktur (48i) und die zweite Widerstandsstruktur (482) benachbart zueinander und entlang einer Richtung (z) senkrecht zu der Substratebene zwischen dem ersten beweglichen Element (32i) und dem zweiten beweglichen Element (322) angeordnet sind.
31. MEMS gemäß Anspruch 30, bei dem die erste Widerstandsstruktur (48i) und die zweite Widerstandsstruktur (482) relativ zueinander beweglich sind.
32. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die bewegliche Schichtstruktur (36) eine Biegebalkenstruktur umfasst, die einseitig eingespannt an dem Substrat (12) angeordnet ist.
33. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Schichtdicke der ersten Schicht (24; 24i) und der zweiten Schicht (242; 18) senkrecht zu der Substratebene zumindest 50 pm beträgt.
34. 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 pm, bevorzugt 100 pm bis 2000 pm, besonders bevorzugt 400 pm bis 1500 pm beträgt.
35. 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.
36. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das als MEMS-Pumpe oder als MEMS-Lautsprecher, als MEMS-Mikrofon oder als MEMS THz-Wellenleiter gebildet ist.
37. MEMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Ansteuereinrichtung (86), die ausgebildet ist, um die bewegliche Schichtstruktur anzusteuern.
38. MEMS gemäß Anspruch 37, bei dem der erste, zweite und dritte Balken (26a-c) ein erstes bewegliches Element (32i) bilden, und das MEMS eine Mehrzahl von beweglichen Elementen aufweist, wobei die Ansteuereinrichtung (86) ausgebildet ist, um die Mehrzahl von beweglichen Elementen individuell anzusteuern.
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