WO2022233997A1 - In-plane mems-varaktor - Google Patents

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electrode
actuator
substrate plane
electrical
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Michael Stolz
Shashank Shashank
Bert Kaiser
Anton MELNIKOV
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Definitions

  • the present invention relates to MEMS components and methods for changing an electrical capacitance value of a MEMS component, in particular those MEMS components which change a capacitance value by moving parallel to a substrate plane. More particularly, the present invention relates to a varactor.
  • a MEMS varactor is a variable capacitance in which the change in capacitance is usually realized by changing the electrode spacing.
  • MEMS varactors typically have small tuning ratios (TR) of less than 5 because the electrode excursion required for tuning is very limited. The limitation is explained by the actuators that can be used. Normally this is a classic electrostatic or direct Coulombic attraction between the grounded electrode and the signal line (RF line). Because of such limitations as B. the pull-ln (PI) effect can be used for example only about a third of the initial distance between the electrodes for capacity variation. The use of this distance or gap is thus inefficient independent of the starting distance and leads to a small tuning ratio, which is defined as follows:
  • One object of the present invention is therefore to create MEMS components with a high tuning ratio based on an electrical capacitance.
  • the core idea of the present invention is to change an electrode of an electrode arrangement that forms an electrical capacitor in-plane, i.e. parallel to the substrate plane, and to provide a separate actuator element for this purpose, whereby a corresponding holding force is exerted on the moving electrode , which can reduce the pull-in effect, with which the effectively usable travel can be comparatively large and thus a high tuning ratio can also be achieved.
  • actuators with two or more parallel bars spaced apart from the substrate plane and isolated in discrete areas and mechanically connected to one another are suitable for this purpose, as well as an arrangement in which several capacitance values are increased or decreased simultaneously.
  • a MEMS component includes a substrate arranged in a substrate plane. Furthermore, an electrode arrangement is arranged, which has a first electrode structure and a second electrode structure, the second electrode structure being arranged parallel to the substrate plane opposite the first electrode structure in order to form an electrical capacitor.
  • the MEMS component includes an actuator which is coupled to the electrode arrangement and is designed to change an electrode spacing between the first electrode structure and the second electrode structure parallel to the substrate plane in order to change an electrical capacitance value of the electrical capacitor.
  • the actuator includes at least two beams that are spaced parallel to the substrate plane and are mechanically connected to one another in discrete areas, if necessary also electrically isolated there, which form a common movable element that is designed to move in-plane with respect to the substrate plane to move to change the electrode gap.
  • the force of the actuator can provide a restoring force or holding force for an electrode moved by the actuator, which can prevent or inhibit the Pu II-In effect from occurring.
  • a MEMS component comprises a substrate arranged in a substrate plane and an electrode arrangement which has a first electrode structure and a second electrode structure, the second electrode structure being arranged parallel to the substrate plane opposite the first electrode structure in order to have a first to form an electrical capacitor having a first capacitance value. Furthermore, a second electrical capacitor is arranged, which forms a second capacitance value and has a third electrode structure which, together with the first electrode structure or an additional fourth electrode structure provides the second electrical capacitance value.
  • An actuator device is provided, which is coupled to the electrode arrangement and is designed to set the first capacitance value and the second capacitance value independently of one another and/or to simultaneously increase or simultaneously reduce the first capacitance value and the second capacitance value.
  • a method for changing an electrical capacitance value of a MEMS component includes driving at least one beam of an actuator having at least two parallel to a substrate plane of the MEMS component spaced apart and insulated in discrete areas and mechanically connected to each other, which a form a common movable element to move the movable element in-plane relative to the substrate plane.
  • the method is carried out in such a way that an electrode spacing between a first electrode structure of an electrode arrangement and a second electrode structure of the electrode arrangement arranged parallel to the substrate plane is changed parallel to the substrate plane by the actuator generating a force by deforming a bar parallel to the substrate plane exerts on the electrode arrangement.
  • FIG. 1a shows a schematic plan view of a MEMS component according to one exemplary embodiment
  • FIG. 1b shows a schematic perspective view of the MEMS component from FIG. 1a;
  • FIG. 2a shows a schematic plan view of a MEMS component according to an embodiment, which has two capacitance values
  • FIG. 2b shows a schematic plan view of the MEMS component from FIG. 2a, in which electrode structures are deflected compared to the undeflected state of FIG. 2a;
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of a MEMS component according to an exemplary embodiment, which has a dielectric layer between capacitor electrodes;
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a MEMS component, according to an exemplary embodiment, which has an increase in the surface area of the capacitor electrodes;
  • FIG. 5a shows a schematic plan view of a MEMS component according to an exemplary embodiment with a further increase in the surface area of the electrode structures
  • Fig. 5b shows a schematic plan view of a MEMS component according to an embodiment which extends the MEMS component from Fig. 5a in that an insulating layer is arranged on at least one of the electrode structures in the case of the capacitors;
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a MEMS component according to an exemplary embodiment in which a number of advantageous developments are implemented
  • FIG. 7 shows a schematic side sectional view of the MEMS component from FIG. 2a
  • FIG. 8 shows a schematic side sectional view of the MEMS component from FIG. 2a analogous to FIG. 7, but in a deflected state
  • FIG. 9 shows a schematic side sectional view of a MEMS component according to an embodiment, in which a signal line is arranged outside a plane of further electrode structures.
  • FIG. 10 is a schematic side sectional view of the MEMS device of FIG. 6.
  • Exemplary embodiments described below are described in connection with a large number of details. However, example embodiments can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of comprehensibility, exemplary embodiments are described using block diagrams as a substitute for a detailed illustration. Furthermore, details and/or features of individual exemplary embodiments can be combined with one another without further ado, as long as it is not explicitly described to the contrary.
  • FIG. 1a shows a schematic plan view of a MEMS component 10 according to an embodiment.
  • the MEMS device includes a substrate 12, which may be, for example, a semiconductor material, such as including silicon, gallium arsenide, or the like, in accordance with MEMS designs. However, without restricting the exemplary embodiments described herein, any other carrier material can also be used as the substrate 12, for example a metallic material, a fiber material or the like.
  • the substrate 12 extends in a substrate plane, which is shown as an x/y plane, for example. In other words, the substrate plane x/y can result from the orientation of the substrate 12 .
  • the substrate plane can be that plane, for example, in which a used wafer is oriented, from which at least part of the MEMS component is formed.
  • the MEMS device further comprises an electrode arrangement comprising an electrode structure 14i and an electrode structure 14 2 .
  • the electrode structures 14i and 14 2 are arranged opposite one another to form or provide an electrical capacitor. The opposite arrangement is parallel to the substrate plane, so that a change in a distance 16 between the electrode structures 14i and 14 2 includes a movement of at least one of the electrode structures 14i and/or 14 2 parallel to the substrate plane x/y, which means in -plane oriented.
  • the MEMS component 18 comprises an actuator 18 which is coupled to the electrode arrangement.
  • FIG. 1a shows a mechanical coupling through a coupling element 22 and to the electrode structure 14 2
  • a mechanical coupling to the electrode structure 14 i can also take place as an alternative or in addition.
  • Actuation of actuator 18 may cause distance 16 to change, thus based on the capacitor equation a change in the electrical capacitance value provided by the electrical capacitor is achieved.
  • e 0 is the dielectric constant of the vacuum
  • e r is a relative permittivity of the medium between the electrodes
  • A is the electrode area
  • d is the electrode spacing.
  • the actuator comprises at least two bars 24i and 24 2 which are mechanically connected to one another at two or more discrete areas 26i, 26 2 and/or 26 3 and are thus fixed.
  • the connected beams form a common moveable element configured to move in-plane with respect to the substrate plane to change the electrode spacing by imparting movement 28 of the actuator 18 to at least one of the electrode structures.
  • the MEMS component 20 can also comprise only one of these arrangements, which is already indicated in FIG.
  • Different actuator principles can be used for deflecting the movable element or the beam 24i and/or 24 2 , including an electrostatic drive, a piezoelectric drive and a thermomechanical drive. That is, beams 24i and/or 24 2 may, but not necessarily, be formed as electrode structures.
  • the beams ver can also be electrically isolated from one another by means of the discrete regions 26 1 - 26 3 , e.g. by providing an electrical insulator as the connecting material, for example silicon oxide or silicon nitride.
  • a possible structure of the actuator 18 based on an implementation in a MEMS loudspeaker can be found in WO 2018/193109 A1, for example.
  • the coupling element 22 can be formed either electrically insulating or electrically conductive.
  • FIG. 1b shows a schematic perspective view of the MEMS component 10 from FIG. 1a. It is shown again there that the electrode structures 14i and 14 2 are arranged opposite one another parallel to the substrate plane.
  • An extension along a third Cartesian direction z is only chosen as an example and can, in particular, to generate a large capacitance, also be larger than a measurement of the electrode structures along x and/or y.
  • the actuator 18 or the beams 24i and/or 24 2 can be arranged in the same plane as the electrode structures 14i and 14 2 , but can also be arranged in another plane, which is easily possible by the movement of the actuator by means of mechanical elements aligned perpendicularly to the substrate plane into the plane of the electrode structures 14i and/or 14 2 .
  • the MEMS component 10 can be formed, for example, as a MEMS varactor or as a capacitive high-frequency switch.
  • the electrode structures 14i and 14 2 as well as the actuator 18 can be supported on the substrate 12 in different ways.
  • the electrode structure 14i can be supported along the z-direction gene and/or a clamping or support along the x-direction and/or y-direction.
  • the actuator can be mechanically connected to the substrate 12 in any plane and can be supported on it.
  • FIG. 2a shows a schematic plan view of a MEMS component 20 according to an embodiment.
  • the MEMS component 20 is formed such that two actuators 18i and 182 are provided in order to change distances 161 and 16 2 of a first electrical capacitor 32i and a second electrical capacitor 32 2 independently of one another or synchronously or in a specific relationship to one another , as represented by Ci and C2.
  • the actuators 181 and 18 2 are formed, for example, in such a way that three beams 24i, 242 and 24 ß on the one hand and 24 4 , 24s and 24b on the other hand are mechanically connected and fixed to one another in discrete areas 26i to 2610 or 2611 to 2620.
  • the beams 24i to 24b are each formed as electrode structures in order to generate electrostatic forces between adjacent beams so as to cause the actuator 181 and/or 182 to deflect.
  • the actuators 181 and/or 182 can be supported on the substrate 12 in that the beams 24i to 24b are implemented as clamped beams, with both one-sided and two-sided support or clamping being considered.
  • the electrical capacitors 32i and 32 2 have a common electrode 142 formed as a radio frequency (RF) line, by way of example only.
  • This line can be connected to a signal input 34 and/or a signal output 36 so that, for example, a corresponding signal is routed from the input 34 to the output 36 .
  • RF radio frequency
  • This signal line or electrode 14 2 can now have a capacitance value Ci or C2 applied to it on both sides or form part of it, whereby the electrodes 14i and 14 ß can be set jointly or independently of one another by means of the actuators 181 and 182 for this purpose.
  • an additional electrode structure can also be arranged, so that, for example, the electrode structures 14i and 142 on the one hand and the electrode structure 14 3 and an electrode structure arranged opposite thereto and not shown form a respective electrical capacitor .
  • FIG. 2b shows a schematic plan view of the MEMS component 20 in which, compared to the undeflected state of FIG. 2 are reduced compared to the distances 16i and 16 2 from FIG. 2a. From the capacitor equation, this results in an increased electrical capacitance of the capacitors 32i and 32 2 .
  • the electrical capacitor In the configuration of the MEMS device 20 in such a way that a signal line can be used to provide an electrode structure, it can be advantageous to form the electrical capacitor with an electrode which is on a floating potential or is contacted with a reference potential, such as 0 volts, ground/GND or the like.
  • the actuators 18i and 182 can be advantageously contacted in such a way that a control signal is applied to an inner bar 242 or 24s, indicated by a “+V”.
  • the reference potential GND can be applied to the outer bars 24i and 24z on the one hand and 24 4 and 24b on the other hand. If this potential is also provided for the electrodes 14i and 14 3 , the coupling elements 22i and/or 222 can be made electrically conductive, for example, in order to easily transfer the potential from the bar 24 3 to the electrode 14i and/or from the bar 24 4 to the electrode 14 3 or vice versa, which can keep circuit complexity low.
  • the MEMS component 20 can have a control device 37 which is designed to control the actuator 181 and/or 182 .
  • the control device 37 can provide the reference potential GND, for example.
  • a control potential 39, indicated as “+V”, can be provided for both actuators jointly or also individually.
  • the actuator 18i and/or 182 can be set up to set a linear relationship or a hyperbolic relationship, ie for example a quadratic relationship, between the control signal 39 and an effected change in the electrical capacitance value.
  • the electrical capacitance value can have a relationship that can be represented via a function, which can be set without any problems via the geometry, the forces caused, the change in the distance and the other geometric properties.
  • a hyperbolic connection i.e. in accordance with a hyperbola, is given, for example, by an inverse dependence of the capacity on the distance.
  • Hyperbolic motion can be obtained by linearly displacing the movable electrode, since the capacitance can be expressed as:
  • the control device 37 can alternatively or additionally be designed to control the actuator quasi-statically.
  • a change in the deflection of the actuator far away from a resonant frequency is understood to be quasi-static. This is effected, for example, with a control frequency of at most 80%, preferably at most 50% and particularly preferably at most 20% of the resonant frequency of the actuator.
  • the varactor 20 consists of the substrate 12 or handle wafer fixed RF line 14 2 , in which a high-frequency signal (HF signal) can propagate.
  • the grounded movable varactor electrodes 14i, 14 ⁇ are arranged on both sides of the RF line.
  • the varactor electrodes are mechanically connected to the LNED actuators 18 clamped on both sides in the example by means of connecting elements 22 and are at a defined distance (e.g. from 1 pm to 50 pm, preferably from 2.5 pm to 5 pm) from the RF line 14 2 removed.
  • the electrodes 14 i , 14 3 are also mechanically connected to the surrounding substrate 12 .
  • Embodiments have a connection that has low rigidity as the substrate 12 and the electrode 14i, 14 3 (spring-like). They can also be connected only by connec tion elements 22 to actuators and accordingly to the substrate and not be connected to the surrounding substrate 12 .
  • the connecting elements 22 can have a spring-like design, which means that the rigidity of these elements is less than the rigidity of the electrodes 14 i , 14 3 or the actuators 18 .
  • the distance 16 between the RF line 14 2 and the grounded electrodes 14i, 14 3 defines an initial capacitance, which for one electrode side of the varactor 20 can be described by a plate capacitor model with a simple formula: where e 0 - the dielectric constant of the vacuum, e G - relative permittivity of the medium, A - electrode area, g - initial electrode spacing. If an electrical voltage is now applied to the LNED actuators 18, this leads to the deflection of the actuators 18 in the chip level and thus to the displacement of the grounded varactor electrodes 14i, 14 3 by x in the direction of the RF line 14 2 . The distance 16 between the electrodes decreases, which increases the capacity of the system. e 0 e n A
  • the unitless number that describes the change in capacitance is called the tuning ratio (TR) and is defined as follows:
  • TR tuning ratio
  • the movement of the GND electrode is not realized by the classic electrostatic attraction to the RF line, but is made possible by the LNED actuators 18, which are decoupled from the parasitic electrostatic attraction.
  • This enables a more efficient utilization of the initial electrode spacing and a continuous movement of the GND plate almost up to touching the RF line 14 2 .
  • significantly higher TR can be achieved than the state of the art can offer.
  • FIG. 2b shows the varactor 30 in a deflected state in a plan view.
  • the electrode spacing is significantly smaller and the volume of the cavity is reduced. The reduction in volume can be used to dampen the system.
  • Embodiments of the varactor provide adjustable damping.
  • the cavities can be connected to the environment via openings in the lid and/or handle wafer (not shown). In this case, fluid (air) can flow into or out of the cavity via the openings.
  • the movement of the electrodes 14i, 14 3 relative to the RF line 14 2 is static or quasi-static.
  • Typical frequencies of the movement are between 0 and 100% of the resonant frequency of the actuators 18.
  • the range of ⁇ 0-20% is to be seen as quasi-static and is particularly preferred.
  • 0% of the resonant frequency is the static range.
  • Preferred frequencies are between ⁇ 0 - 50% of the resonance frequency.
  • FIG. 3 shows a schematic top view of a MEMS component 30 according to one exemplary embodiment.
  • This has a comparable structure to the MEMS component 20 and also has dielectric layers 38i and 382, which include a dielectric material, for example silicon oxide or silicon nitride or another dielectric material that can preferably be processed by means of MEMS processes, for example an electrically non-conductive material - conductive material.
  • the dielectric layers 38i and/or 38 2 can be continuous or, as shown, structured. While dielectric layer 38i is disposed between electrode structures 14i and 14 2 , dielectric layer 38 2 may be disposed between electrode structures 14 2 and 14 3 .
  • both dielectric layers 38i and 38 2 are shown structured the same, they may be structured differently from each other, or only one of the two layers may be structured or both layers may be unstructured.
  • only one of the two layers can be arranged in a structured or unstructured manner, or neither of the two layers can be arranged, as is shown, for example, in FIGS. 2a and 2b.
  • the dielectric layer can also be referred to as an insulating layer and, on the one hand, makes it possible to avoid an electrical short circuit between electrode structures 14i and 14 2 or electrode structures 142 and 143 that are moved towards one another or away from one another.
  • an anti-stiction function can be implemented in particular by structuring the layers 38i and/or 382.
  • a control device (not shown) of the MEMS component can be designed to apply a potential to an electrode structure affected by the mechanical contact , to allow charge carriers to flow away from the electrode structure, thus releasing the stiction.
  • dielectric layer 38i is shown as being disposed on electrode structure 14i and dielectric layer 382 is shown as being disposed on electrode structure 14ß , a dielectric layer may alternatively or additionally be disposed on electrode structure 142 be arranged, for example facing the electrode structure 14i and/or the electrode structure 14 2 .
  • FIG. 3 shows an alternative exemplary embodiment of a varactor 30 which contains alternative electrodes 14i, 14 3 with an insulating layer 38 .
  • This insulating layer is preferably interrupted.
  • the effective relative dielectric number in the electrode gap 16i, 162 increased.
  • inadvertent sticking of the electrode 14i , 143 to the RF line 142 is prevented.
  • a similar preferably discontinuous insulating layer can be patterned on the RF line 142.
  • FIG. 4 shows a schematic plan view of a MEMS component 40 which is designed in accordance with the further exemplary embodiments described herein.
  • the electrode structure 14i and the side of the electrode structure 142 facing the electrode structure 14i and/or the electrode structure 14 3 and/or the side of the electrode structure 14 2 facing the electrode structure 14 3 can have an enlarged surface. This can be done, for example, by means of topography and/or structuring.
  • One or both capacitors 32i and/or 32 2 can also be formed in such a way that one of the two electrode structures or both of the electrode structures also have no surface area enlargement.
  • the increase in surface area can also be understood to mean that at least one of the two electrode structures of a capacitor has a variable electrode spacing from one another at least in regions along a variable location, for example along the y-direction, on a respective electrode surface of the electrode structure. As illustrated for example by the distances 16M and 161-2 , the distance between the electrode structures 14i and 142 can change along the y-direction.
  • Such a configuration has several positive advantages for the capacitor and therefore the varactor.
  • the effective surface of the electrodes compared to the off design in Figs. 2a and 2b can be increased.
  • there is mechanical contact between the electrode surfaces of the electrode structures 14i and 14 2 on the one hand and 14 3 and 14 2 on the other hand on a comparatively smaller surface which advantageously leads to low adhesive forces between the electrode structures.
  • geometry-supported field inhomogeneities are generated by the non-planar shape of the surfaces, in particular when the electrode spacing changes.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of a varactor 40 that includes alternative electrodes 14i, 142 and an alternative RF line 142.
  • FIG. In the top view it can be seen that neither the electrode 14i, 142 nor the RF line 142 are smooth have facing surfaces. Rather, the surfaces can have wavy or zigzag-shaped bulges that increase the respective surface. Zigzag-shaped bulges are provided as examples. The bulges on the two opposite surfaces cannot be periodic and not symmetrical.
  • Such an embodiment advantageously minimizes the contact surface between the electrode 14i , 14 ⁇ and the RF line 142 in the event of contact.
  • Another advantage of this design is the increase in the effective capacitance area and thus the capacitance value itself.
  • the geometry-based field inhomogeneities on the non-plane-parallel surfaces will lead to greater changes in capacitance when the electrode spacing 16i, 16 2 decreases or increases.
  • FIG. 5a shows a schematic plan view of a MEMS component 50i according to an embodiment.
  • the MEMS component 50i has an increase in the surface area of the electrode structures 14i, 14 2 and 14 3 .
  • this surface enlargement is designed in the manner of a comb, for example, so that a substantially constant spacing 16i and 16 2 in the capacitors 32i and 32 2 is obtained.
  • the feature that can also be implemented in the MEMS components 20, 30 and/or 40 is clearly recognizable, namely that the electrode structures 14i and 14 3 are only supported on the substrate above the actuator 18i or 18 2 , but towards the substrate 12 in the plane shown have a distance. This can bring about a homogeneous movement of the electrode structures 14i and 14 2 , it being entirely possible for additional stabilization along the z-direction to connect the electrode structures 14i and 14 3 to the substrate 12 in the plane shown.
  • Fig. 5b shows a schematic plan view of a MEMS component 50 2 , which expands the MEMS component 50i in such a way that the capacitors 32i and/or 32 2 on at least one of the electrode structures 14i and/or 14 2 or 14 2 and/or 14 3 the insulating layer 38 is arranged as a structured or unstructured layer.
  • the dielectric layer 38i on the electrode structure 14i, the dielectric layer 38 2 on a side of the electrode structure 14 2 facing the electrode structure 14i, the dielectric layer 38 3 on a side of the electrode structure 14 2 facing the electrode structure 14 3 and/or or the dielectric layer 384 can be arranged on the electrode structure 14 3 in a structured or unstructured manner.
  • FIG. 5b shows an alternative varactor 50 2 with an advantageously enlarged capacitance area and thus the capacitance value itself.
  • the alternative RF line 14 2 is structured like a comb, just like the alternative electrodes 14i, 14 3 . This comb-like structure is designed in such a way that the fingers of the respective combs of the electrodes 14i, 14 3 and 14 2 engage in one another. This advantageously increases the dielectric constant in the gap and improves the tuning ratio TR.
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a MEMS component 60 according to an exemplary embodiment in which several advantageous developments are implemented, which can be implemented individually or in combination and also individually or in combination with other MEMS components described herein can be combined.
  • the MEMS component 60 has modified electrical capacitors 32'i and 32' 2 .
  • each of the electrical capacitors is equipped with its own pair of electrodes.
  • the electrical capacitor 32'i has electrode structures 14i and 14 2 .
  • the electric capacitor 32' 2 has electrode structures 14 3 and 14 4 .
  • the electrode structures 14 2 and 14 4 are optionally arranged mechanically fixed on the high-frequency line 42, while the high-frequency line 42 in the exemplary embodiment in FIG. 6 is not part of the electrical capacitors 32'i and 32'2 , but with regard to the signal line properties is influenced by the variable capacitance of the electrical capacitors 32'i and 32' 2 .
  • the arrangement or attachment of the electrode structures 14 2 and 14 4 to the high-frequency line 42 can be effected by means of an insulator layer 44i and/or 44 2 . Although these can be formed from the same material as the dielectric layer 38 of the other exemplary embodiments, mechanical contacting and electrical insulation are more important here, while in other exemplary embodiments the dielectric constant of the material used may also be taken into account. Notwithstanding, suitable insulating materials may include, for example, silicon oxide and/or silicon nitride.
  • the electrode structures 14i and/or 14 3 can be electrically insulated from the respectively facing beams 26 3 and 26 4 , but this is optional.
  • electrical insulation can also be used, for example, when actuating the actuators 18 1 and 18 2 by applying a potential that is different from that used for the actuator.
  • an insulator layer 46i is provided between the coupling element 22i.
  • the coupling element 22i continued by an extension segment 48 in order to transmit the force of the actuator 18 1 flatly to the electrode structure 14i.
  • the insulator layer 46i can have the same or different materials compared to the insulator layers 44i and/or 44 2 .
  • a comparable effect can also be obtained by making the coupling element 22i electrically insulating. In such a case, the insulator layer 46i can be omitted while obtaining a comparable effect.
  • an insulator layer 46 2 is arranged between the extension segment 48 2 of the coupling element 22 2 and the electrode structure 14 3 in order to electrically insulate the bal ken 26 4 from the electrode structure 14 3 .
  • a comparable effect can also be obtained here by the coupling element 22 2 being formed in an electrically insulating manner.
  • all the electrode structures 14i, 14 2 , 14 3 and 14 4 are electrically insulated from a respective environment, which makes it possible to apply an individual potential to each of the electrode structures 14i to H 4 .
  • the electrical potential 52i is applied to the electrode structure 14i at one or more points.
  • the electrical potential 52 2 is applied to the electrode structure 14 2 at one or more points.
  • the electrical potential 52 3 can be arranged on the electrode structure 14 3 at one or more points, and the electrical potential 52 4 can likewise be applied to the electrode structure 14 4 at one or more points.
  • the potentials 52i to 52 4 can be provided, for example, by the control device 37, which is not shown in FIG.
  • Fig. 2a, 2b, 3, 4, 5a and 5b show representations in which at least one of the electrode structures forms at least part of a signal line for conducting a signal from a signal line input 34 to a signal line output 36 and the electrical capacitor is designed to Capacitance Ci and / or C 2 act on a signal line property of the signal line and the actuator is coupled to the other electrode structure in order to move this electrode structure in relation to the electrode structure of the signal line parallel to the substrate plane
  • Fig. 6 shows a representation in which Electrode structures 14 2 and 14 4 are mechanically firmly connected to the signal line.
  • the signal line 42 itself could easily provide an electrode structure for the capacitor 32i or 32 2 , as is described in connection with other exemplary embodiments.
  • the configuration of the electrode structures 14i and 14 3 as electrically insulated electrode structures that may be subjected to a floating potential remains unaffected by this.
  • FIG. 6 shows a further way of increasing the surface area, namely a kind of sawtooth pattern which interlocks in the opposing electrode structures 14i and 14 2 or 14 3 and H 4 .
  • This optional refinement can also be implemented independently of the other advantageous refinements in FIG. 6 .
  • the MEMS component 60 can also be provided with a dielectric layer, as is explained, for example, in connection with FIG. 3 or FIG. 5b.
  • a corresponding dielectric layer can be connected to at least one of the electrode structures, for example 14i and/or 14 2 or 14 3 and/or 14 4 .
  • a control device such as control device 37 for controlling at least part of the MEMS, such as actuators 18 1 and/or 18 2 , can be designed to protect against a change in the electrode spacing and/or in the event of mechanical contact between the electrode structures and the Dielectric layer to discharge the dielectric or to charge a predetermined potential with charge carriers. If both electrodes 14i and 14 2 or ' ⁇ 4z and 14 4 can be controlled independently of one another with regard to their potential, this also enables parallel control/charging/discharging of the electrode structures independently of one another.
  • the signal line is respectively opened on two opposite sides by two electrical capacitors 32i and 32 2 or 32'i and 32' 2 .
  • Corresponding MEMS components can be designed to drive the respective actuators 18i and 18 2 to within a tolerance range, such as im
  • MEMS devices consistent with embodiments described herein may be configured to adjust an electrical capacitance value of electrical capacitor 32i and/or 32 2 between a minimum capacitance value (largest electrode spacing) and a maximum capacitance value (minimum electrode spacing).
  • the actuators 18 1 and/or 18 2 or the actuator 18 can be designed to provide an actuator stroke that causes a ratio between the minimum capacitance value and the maximum capacitance value of at least 15.
  • the change in capacitance can be in a ratio of at least 1, at least 15 or preferably at least 20.
  • An upper limit of the ratio can alternatively or additionally be 1000, 500 or 100.
  • exemplary ratios of capacitance values between 1 and 100, 15 and 50 and/or 20 and 30 can be achieved.
  • the alternative varactor 60 has one/two additional electrodes 14i, ' ⁇ 4z and/or 14 2 , 14 4 in the gap 16 1 , 16 2 between the electrode 48i, 48 2 and the RF line 42 on which is mechanically connected to the electrode via an electrically insulating connection 44 and/or 46 me.
  • the electrodes 14i, 14 3 and/or 14 2 , 14 4 are floating electrodes, which each have a separate electrical connection 52i, 52 4 and/or 52 2 , 52 3 .
  • the floating electrodes 14i, 14 3 and/or 14 2 , 14 4 are normally maintained electrically floating or supplied with signals other than the GND and RF signals applied to the electrodes 48i, 48 2 and 48i, respectively, during operation of the varactor.
  • the RF line 42 can be given.
  • only one floating electrode with connection dielectric is used, normally the electrode 14i, 14 3 with insulator 44, together with an unstructured HF line 42.
  • this connection area is less rigid than the surrounding substrate and the electrodes themselves.
  • another exemplary embodiment is designed in such a way that the electrodes 48i, 48 2 and 14i, 14 3 are not connected to the surrounding substrate.
  • the electrodes are via the electrical contact 52i, 52 4 with a soft spring or a direct connection in a clamped state
  • 14 1 , 14 3 are connected to separate electrical connections, whereas the electrode 48i, 48 2 according to FIG. 3 is connected to an electrical signal (e.g. GND).
  • an electrical signal e.g. GND
  • the further electrodes 14i, 14 3 and/or 14 2 , 14 4 reduce the risk of the actuators self-actuating as a result of the DC component of the applied RF signal in the RF line and improve the operational reliability of the component.
  • the DC component of the RF signal increases with increasing RF signal power and frequency.
  • a floating electrode thus increases the HF power to be transmitted and the HF frequency at which the varactor 60 can be used reliably.
  • it is possible to use a continuous dielectric since there is less likelihood of the dielectric charging up and causing static friction, since the contact surfaces are metallic, ie electrically conductive.
  • FIG. 7 shows a schematic side sectional view of the MEMS component 20.
  • the representation here relates to the sectional plane AA from FIG. 2a.
  • the electrode structure 14 2 is at least part of a signal line. This is ver to the substrate 12 by an insulating layer 38 connected and supported thereon.
  • the actuators 18i and 18 2 can be arranged movably with respect to the substrate 12 .
  • FIG. 8 shows a schematic side sectional view of the MEMS device 20 analogous to FIG. 7, but in a deflected state such that due to the applied signals the distances 16 1 and 16 2 from FIG. 7 are reduced, as indicated by the distances 16'. i and 16' 2 is shown.
  • Figures 7 and 8 show the varactor 20 in the preferred embodiment in a view along section axis A-A. 7 shows the varactor 20 in a non-deflected state. 8 shows the varactor 20 in a deflected state.
  • the cavity defined by the distances 16' has a smaller volume.
  • Shown here is the necessary insulation layer 38, which is continuous in exemplary embodiments. This layer is preferably discontinuous.
  • Typical electrically insulating materials here are oxides, for example silicon oxides, or electrically non-conductive polymers.
  • the signal line which also serves as electrode structure 14 2 , is arranged outside the plane of electrode structures 14i and 14 3 and forms a kind of cover for the arrangement of actuators 18 1 and 18 2 .
  • a cover can, possibly in cooperation with a corresponding cover, both terms not restricting the orientation in space, used to control the movement of the electrode structures 14i du 14 3 on each other, since a fluid arranged between them can flow through the Column to De cover 14 2 or the floor is performed.
  • Such a fluidic resistance can set or influence an oscillation behavior of the electrodes, so that a spade between the electrode structures 14i and 14 2 on the one hand and 14 2 and 14 3 on the other hand as well as to the ground can be a design criterion of the MEMS component. It is clear in FIG. 9 that electrode structures, such as electrode structures 14i and 14 ⁇ arranged opposite one another, can move towards and/or away from one another or can change an electrode spacing of the capacitor formed by the electrode structures.
  • a constant distance between the electrode structures 14i and 14 ß can also lead to variable influences on a component if, for example, the distance between the electrode structures 14i and 14 2 increases at the same time and the distance between the electrode structures 14 2 and 14 3 is reduced to the same extent or vice versa.
  • Electrode structures 14i and 14 3 can be arranged parallel to the substrate plane x/y opposite one another. Electrode structures 14i and 14 2 on the one hand and 14 2 and 14 3 on the other hand can also have an offset perpendicular to the substrate plane to one another, with the electrode structures 14i and 14 2 , 14i and 14 3 and 14 2 and 14s each being able to form an electrical capacitor.
  • An actuator which is coupled to the arrangement of the electrodes, is designed to change an electrode spacing between at least two of the electrode structures parallel to the substrate plane.
  • the MEMS component 90 this is possible for all pairs of electrodes, for example in that a displacement of the electrode structures 14i and 14 3 towards one another influences the distance between them and a movement of the electrode structures 14i and 14 2 and/or the electrode structures 14 2 and 14 2 , relative to each other, meet this criterion to change an electrical capacitance value of the electrical capacitor.
  • the two actuators are designed to generate the in-plane movement, it also being possible for only one of the actuators to be provided with an electrode arranged on it.
  • two of the three electrode structures 14i and 14 3 are arranged in a common plane parallel to the substrate plane and a third electrode structure 14 2 of the three electrode structures is arranged offset perpendicular to the substrate plane.
  • the effect of this exemplary embodiment can also be obtained by arranging only the electrode structure pair 14i and 14 2 or 14 2 and 14 3 , for example, which can correspond to an offset of one of the electrode structures of the MEMS device 10 along the z-direction.
  • FIG. 9 shows a varactor 90 with an RF line 14 2 located above the actuation plane.
  • the gap 16 increases in comparison to the solutions shown up to now, for example in the MEMS component 20, so that the electrodes 14i and 14ß can perform a larger stroke.
  • Fig. 10 shows a schematic side sectional view of the MEMS device 60 in the BB plane.
  • Exemplary embodiments described above relate to MEMS components with one or more actuators, each of which comprises at least two beams connected to one another at discrete areas.
  • embodiments of the present inventions are not limited thereto.
  • other actuators can also be used, for example piezoelectric bending actuators and/or stack actuators, other forms of electrostatic or thermomechanical actuators or other functional principles, such as coil drives or the like .
  • Such a MEMS component comprises, for example with reference to Figures 2a and 2b, a substrate 12 arranged on a substrate plane and an electrode arrangement with a first electrode structure and a second electrode structure, for example the electrode structures 14i and 14 2 , which are parallel to the substrate plane are arranged face to face to form a first electrical capacitor 32i having a first capacitance value Ci. Furthermore, at least one third electrode structure 14 ß is provided, which is arranged parallel to the substrate plane opposite to the second electrode structure. A second electrical capacitor 32 2 with a second capacitance value C2 is formed with the second electrode structure 14 2 or with a fourth electrode structure 14 4 , see FIG. 6 for example.
  • An actuator device which is coupled to the electrode arrangement, is designed to set and/or simultaneously increase or reduce the first capacitance value and the second capacitance value independently of one another.
  • the actuator device may include the beam based actuators described herein or the other actuators just explained.
  • FIG. 1 For exemplary embodiments, relate to methods for driving such MEMS devices. While some methods for changing an electrical capacitance value of a MEMS component involve driving at least one beam of an actuator with at least two beams that are spaced apart parallel to a substrate plane of the MEMS component and are mechanically connected to one another in discrete areas form a common movable element in order to move the movable element in-plane with respect to the substrate plane, and be designed in such a way that an electrode spacing between a first electrode structure of an electrode arrangement and a second electrode structure of the electrode arrangement arranged parallel to the substrate plane is parallel to the If the substrate plane is changed by the actuator exerting a force on the electrode arrangement by deforming at least one beam parallel to the substrate plane, other methods for changing a first electrical capacitance value and a second electrical capacitance value of a MEMS component can be used, for example independently of the specific implementation of the actuator, comprising the step of: controlling an actuator device to create a first distance between a first electrode structure and a second electrode structure, which are
  • a second distance between at least one third electrode structure and a center of the third electrode structure, which forms a second electrical electrode structure, for example the second electrode structure 14 2 or an electrode structure 14 4 , and with which the third electrode structure forms a second electrical capacitor with the second capacitance value forms to reduce or increase.
  • Exemplary embodiments are based on the solution concept of adjusting the grounded varactor electrode, for example in one exemplary embodiment using electrostatically lateral LNED actuators.
  • This solves the pull-in problem for MEMS varactors described above, because the movement or pull-in of the GND plate is decoupled from the pull-in of the actuator. This makes it possible to use almost the entire distance between the electrodes, which enables TR factors of >30...50.
  • the problem of sticking does not exist here either, because the actuators represent a kind of additional return spring.
  • a linearity of the tunability can be achieved through a special form of the electrical voltage.
  • Another advantage of using the LNED actuator is that the chip depth and not the chip footprint can be used to increase the electrode area and thus the initial capacity C 0 . This leads to cost savings and enables miniaturization of the MEMS varactors with larger initial capacitances.
  • Exemplary embodiments relate to micromechanical components. These are required, for example, to translate electrical signals into mechanical effects.
  • deformation of the element results from an electrical input signal.
  • the deformable element is an actuator 18.
  • a deformable element consists of at least two spaced-apart, bal-shaped electrodes separated from each other by an electrically insulating layer 26, which may be discontinuous. Both electrodes are covered with different electrical potentials rule, as a result of which an electric field is spanned between the electrodes. As a result, the electrodes are deformed relative to one another. The direction of deformation can be influenced by the geometrical conditions of the electrodes. In the present case, a lateral deformation takes place within the substrate plane (in plane).
  • Some of the exemplary embodiments described herein relate to electrodes which are connected to one another via mechanical fixations and are designed to carry out a movement based on an electrical potential.
  • Some of the exemplary embodiments described herein relate to electrodes which are connected to one another via mechanical fixations and are designed to carry out a movement based on an electrical potential.
  • Beams that are designed to respond to an actuation by providing a force converted into a movement via the mechanical fixation (actuator), for example using piezoelectric materials or other actuatable substances.
  • the beams may be electrostatic, piezoelectric, magnetostrictive, and/or thermomechanical electrodes that provide deformation based on an applied potential.
  • the MEMS components presented below are layer stacks that consist of at least one substrate layer in which the electrodes and the passive elements are arranged. Further layers relate to a base, which is also referred to as a handle wafer, and a cover, which is also referred to as a cover wafer. Both cover and handle wafers are connected to the substrate plane using material-to-material methods, preferably bonding, which creates sealed gaps in the component. In this intermediate space, which corresponds to the device level, the deformable structural elements deform, in other words, the deformation takes place in plane.
  • the layers can, for example, have electrically conductive materials, for example doped semiconductor materials and/or metal materials.
  • electrically conductive materials for example doped semiconductor materials and/or metal materials.
  • the layered arrangement of electrically conductive layers enables a simple configuration, since electrodes (for deflectable elements) and passive ones can be separated from the layer by selective detachment elements can be formed. If electrically non-conductive materials have to be arranged, these materials are applied in layers by deposition processes.
  • 0% represents a static deflection.
  • the range 0-20% can be regarded as quasi-static.
  • the MEMS component is a varactor
  • the deflectable element is based on an electrostatic, piezo, thermomechanical deflection principle •
  • a change in capacity can be adjusted in a ratio of 1-100, preferably 15-50, particularly preferably 20-30
  • the change in capacitance can be adjustable in a ratio of up to 1000%
  • the RF line is connected to the handle wafer with an electrically insulated connection using an insulation layer.
  • the insulation layer can be broken. This means that the RF line is only partially connected to the handle wafer

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Abstract

Ein MEMS-Bauelement umfasst ein in einer Substratebene angeordnetes Substrat und eine Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um einen elektrischen Kondensator zu bilden. Das MEMS-Bauelement umfasst einen Aktuator, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators zu verändern. Der Aktuator weist dabei zumindest zwei parallel zu der Substratebene beabstandete und an diskreten Bereichen mechanisch miteinander verbundene Balken auf, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, das ausgebildet ist, um sich in-plane-bezogen auf die Substratebene zu bewegen, um den Elektrodenabstand zu verändern.

Description

ln-plane MEMS-Varaktor
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf MEMS-Bauelemente und Verfahren zum Andern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements, insbesondere solcher MEMS-Bauelemente, die durch eine Bewegung parallel zu einer Substratebene einen Ka pazitätswert ändern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Varak tor.
Ein MEMS-Varaktor ist eine variable Kapazität, bei der die Kapazitätsänderung meist durch die Änderung des Elektrodenabstands realisiert wird. MEMS-Varaktoren haben typischer weise kleine Durchstimmbarkeiten (engl.: tuning ratio, TR) von weniger als 5, weil der für die Durchstimmbarkeit notwendige Elektrodenhub stark begrenzt ist. Die Begrenzung ist durch die verwendbare Aktorik erklärt. Normalerweise ist das eine klassische elektrostati sche bzw. direkte Coulomb’sche Anziehung zwischen der geerdeten Elektrode und der Sig nallinie (RF-Line). Wegen solchen Limitierungen wie z. B. dem Pull-ln(PI)-Effekt kann bei spielsweise nur ca. ein Drittel vom initialen Abstand der Elektroden zur Kapazitätsvariation genutzt werden. Die Ausnutzung dieses Abstands oder Gaps ist somit ineffizient unabhän gig von dem Ausgangsabstand und führt zu einem kleinen Tuning Ratio, welches wie folgt definiert ist:
TR = C/C0
Ein Zusatzproblem bei dem Pull-In ist das Verkleben (engl.: sticking) der Elektroden, das auftreten kann.
Wünschenswert wären demnach MEMS-Bauelemente, die ein hohes Tuning Ratio aufwei sen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS-Bauelemente mit einem hohen Tuning-Ratio bezogen auf eine elektrische Kapazität zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektrode einer Elektro denanordnung, die einen elektrischen Kondensator bildet, in-plane, das bedeutet parallel zu der Substratebene, zu verändern und hierfür ein eigenes Aktuatorelement vorzusehen, wodurch eine entsprechende Haltekraft auf die bewegte Elektrode ausgeübt wird, was den Pull-In-Effekt reduzieren kann, womit der effektiv nutzbare Stellweg vergleichsweise groß ausfallen kann und damit auch ein hohes Tuning Ratio erzielt werden kann. Hierzu eignen sich einerseits Aktuatoren mit zwei oder mehr parallel zu der Substratebene beabstandeten und an diskreten Bereichen isolierten und mechanisch miteinander verbundenen Balken als auch eine Anordnung, bei der mehrere Kapazitätswerte gleichzeitig vergrößert oder gleichzeitig verkleinert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement ein in einer Substrat ebene angeordnetes Substrat. Ferner ist eine Elektrodenanordnung angeordnet, die eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur aufweist, wobei die zweite Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der ersten Elektro denstruktur angeordnet ist, um einen elektrischen Kondensator zu bilden. Das MEMS- Bauelement umfasst einen Aktuator, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators zu verändern. Der Aktuator um fasst zumindest zwei parallel zu der Substratebene beabstandete und an diskreten Berei chen mechanisch miteinander verbundene, im Bedarfsfall dort auch elektrisch isolierte Bal ken, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, das ausgebildet ist, um sich in- plane-bezogen auf die Substratebene zu bewegen, um den Elektrodenabstand zu verän dern. Die Kraft des Aktuators kann eine Rückstellkraft oder Haltekraft für ein durch den Aktuator bewegte Elektrode bereitstellen, was das Auftreten des Pu II- In- Effekts verhindern oder hemmen kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement ein in einer Substratebene angeordnetes Substrat und eine Elektrodenanordnung, die eine erste Elekt rodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur aufweist, wobei die zweite Elektroden struktur parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der ersten Elektrodenstruktur angeordnet ist, um einen ersten elektrischen Kondensator mit einem ersten Kapazitätswert zu bilden. Ferner ist ein zweiter elektrischer Kondensator angeordnet, der einen zweiten Kapazitätswert bildet und eine dritte Elektrodenstruktur aufweist, die zusammen mit der ersten Elektrodenstruktur oder einer zusätzlichen vierten Elektrodenstruktur den zweiten elektrischen Kapazitätswert bereitstellt. Es ist eine Aktuatoreinrichtung vorgesehen, die mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert unabhängig voneinander einzustellen und/oder den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert gleichzeitig zu erhöhen oder gleichzeitig zu reduzieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements ein Ansteuern zumindest eines Balkens eines Aktuators mit zumindest zwei parallel zu einer Substratebene des MEMS-Bauelements be- abstandeten und an diskreten Bereichen isolierten und mechanisch miteinander verbunde nen Balken, die ein gemeinsamem bewegliches Element bilden, um das bewegliche Ele ment in-plane bezogen auf die Substratebene zu bewegen. Das Verfahren wird so ausge führt, dass ein Elektrodenabstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur einer Elektro denanordnung und einer parallel zu der Substratebene angeordneten zweiten Elektroden struktur der Elektrodenanordnung parallel zu der Substratebene verändert wird, indem der Aktuator durch eine Verformung eines Balkens parallel zu der Substratebene eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt.
Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Ändern eines ersten elektrischen Kapazitätswerts und eines zweiten elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements umfasst ein Ansteuern einer Aktuatoreinrichtung, um einen ersten Abstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die parallel zu einer Sub stratebene des MEMS-Bauelements gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und einen ersten elektrischen Kondensator mit einem ersten elektrischen Kapazitätswert bilden, zu ändern. Ferner wird durch das Ansteuern ein zweiter Abstand zwischen zumindest einer dritten Elektrodenstruktur und einer mit der dritten Elektrodenstruktur den zweiten elektri schen Kapazitätswert bildenden Elektrodenstruktur, die parallel zu der Substratebene ge genüberliegend zu der dritten Elektrodenstruktur angeordnet ist, geändert, um dadurch den zweiten elektrischen Kapazitätswert zu reduzieren oder zu erhöhen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Aus führungsbeispiel;
Fig. 1b eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Bauelements aus Fig. 1a;
Fig. 2a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Aus führungsbeispiel, das zwei Kapazitätswerte aufweist;
Fig. 2b eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement aus Fig. 2a, bei dem gegenüber dem unausgelenkten Zustand der Fig. 2a Elektrodenstruktu ren ausgelenkt sind;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Aus führungsbeispiel, das eine dielektrische Schicht zwischen Kondensatorelektro den aufweist;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement, gemäß einem Aus führungsbeispiel, das eine Oberflächenvergrößerung der Kondensatorelektro den aufweist;
Fig. 5a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Aus führungsbeispiel mit einer weiteren Oberflächenvergrößerung der Elektroden strukturen;
Fig. 5b eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelementgemäß einem Ausfüh rungsbeispiel, das das MEMS-Bauelement aus Fig. 5a dahin gehend erweitert, dass bei den Kondensatoren an zumindest einer der Elektrodenstrukturen eine Isolationsschichtangeordnet ist;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Aus führungsbeispiel, bei dem mehrere vorteilhafte Weiterbildungen implementiert sind;
Fig. 7 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus Fig. 2a; Fig. 8 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus Fig. 2a analog Fig. 7, aber in einem ausgelenkten Zustand;
Fig. 9 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements gemäß ei nem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Signalleitung außerhalb einer Ebene weiterer Elektrodenstrukturen angeordnet ist; und
Fig. 10 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus Fig. 6.
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 unterschiedli chen 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 beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer De taildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausfüh rungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit ge genteilig beschrieben ist.
Fig. 1a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement weist ein Substrat 12 auf, das in Überein stimmung mit MEMS-Bauweisen beispielsweise ein Halbleitermaterial sein kann, etwa um fassend Silizium, Galliumarsenid oder dergleichen. Ohne Einschränkung der hierin be schriebenen Ausführungsbeispiele kann aber auch ein beliebiges anderes Trägermaterial als Substrat 12 verwendet werden, beispielsweise ein metallisches Material, ein Faserma terial oder dergleichen. Das Substrat 12 erstreckt sich in einer Substratebene, die beispiels weise als x/y-Ebene dargestellt ist. Anders ausgedrückt kann sich die Substratebene x/y aus der Orientierung des Substrats 12 ergeben. In Halbleiterprozessen kann die Substrat ebene beispielsweise diejenige Ebene sein, in welcher ein verwendeter Wafer orientiert ist, aus welchem zumindest ein Teil des MEMS-Bauelements gebildet wird. Das MEMS-Bauelement umfasst ferner eine Elektrodenanordnung, die eine Elektroden struktur 14i und eine Elektrodenstruktur 142 umfasst. Die Elektrodenstrukturen 14i und 142 sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, um einen elektrischen Kondensator zu bil den oder bereitzustellen. Die gegenüberliegende Anordnung erfolgt dabei parallel zu der Substratebene, so dass eine Änderung eines Abstands 16 zwischen den Elektrodenstruk turen 14i und 142 eine Bewegung zumindest einer der Elektrodenstrukturen 14i und/oder 142 parallel zu der Substratebene x/y umfasst, das bedeutet, in-plane orientiert ist.
Ferner umfasst das MEMS-Bauelement 18 einen Aktuator 18, der mit der Elektrodenano rdnung gekoppelt ist. Obwohl in Fig. 1a eine mechanische Kopplung durch ein Koppelele ment 22 und mit der Elektrodenstruktur 142 dargestellt ist, kann alternativ oder zusätzlich auch eine mechanische Kopplung mit der Elektrodenstruktur 14i erfolgen. Eine Aktuierung des Aktuators 18 kann eine Änderung des Abstands 16 bewirken, womit basierend auf der Kondensatorgleichung
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eine Änderung in dem durch den elektrischen Kondensator bereitgestellten elektrischen Kapazitätswerts erzielt wird. Dabei ist e0 die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, er eine relative Permittivität des Mediums zwischen den Elektroden, A die Elektroden fläche, und d der Elektrodenabstand.
Der Aktuator umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest zwei Balken 24i und 242, die an zwei oder mehr diskreten Bereichen 26i, 262 und/oder 263 mechanisch mitei nander verbunden sind und somit fixiert sind. Die verbundenen Balken bilden ein gemein sames bewegliches Element, das ausgebildet ist, um sich in-plane bezogen auf die Sub stratebene zu bewegen, um den Elektrodenabstand zu verändern, indem eine Bewegung 28 des Aktuators 18 an zumindest eine der Elektrodenstrukturen übertragen wird.
Obwohl eine symmetrische Anordnung zweier Aktuatoren und zweier Elektrodenstrukturen 14i und 14ß bezüglich der Elektrodenstruktur und142 dargestellt ist, kann das MEMS- Bauelement 20 auch lediglich eine dieser Anordnungen umfassen, was bereits in Fig. 1 angedeutet ist. Für die Auslenkung des beweglichen Elements bzw. des Balkens 24i und/oder 242 können unterschiedliche Aktuatorprinzipien angewendet werden, darunter ein elektrostatischer An trieb, ein piezoelektrisch erhaltener Antrieb und ein thermomechanischer Antrieb. Das be deutet, die Balken 24i und/oder 242 können möglicherweise, aber nicht notwendigerweise als Elektrodenstrukturen gebildet sein. Für den Fall, dass Elektrodenstrukturen verwendet werden, etwa zum Implementieren eines elektrostatischen Antriebs, können die Balken ver mittels der diskreten Bereiche 26^ bis 263 auch elektrisch voneinander isoliert werden, etwa indem ein elektrischer Isolator als Verbindungsmaterial vorgesehen wird, beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Ein möglicher Aufbau des Aktuators 18 ist angelehnt an eine Implementierung in einem MEMS-Lautsprecher beispielsweise der WO 2018/193109 A1 zu entnehmen.
Basierend auf einem Funktionsprinzip des Aktuators 18 und/oder einer Verschaltung des Balkens 242 und/oder der Elektrodenstruktur 142 kann das Koppelelement 22 wahlweise elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig gebildet sein.
Fig. 1b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Bauelements 10 aus Fig. 1a. Dort ist noch einmal dargestellt, dass die Elektrodenstrukturen 14i und 142 parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Eine Ausdehnung entlang einer dritten kartesischen Richtung z ist dabei lediglich beispielhaft gewählt und kann, insbesondere, zum Erzeugen einer großen Kapazität, auch größer sein als eine Ab messung der Elektrodenstrukturen entlang x und/oder y.
Der Aktuator 18 bzw. die Balken 24i und/oder 242 kann in derselben Ebene wie die Elekt rodenstrukturen 14i und 142 angeordnet sein, kann aber auch in einer anderen Ebene an geordnet sein, was problemlos möglich ist, indem die Bewegung des Aktuators vermittels senkrecht zur Substratebene ausgerichteter mechanischer Elemente in die Ebene der Elektrodenstrukturen 14i und/oder 142 übertragen wird.
Das MEMS-Bauelement 10 kann beispielsweise als MEMS-Varaktor oder als kapazitiver Hochfrequenzschalter gebildet sein.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass sich die Elektrodenstrukturen 14i und 142 ebenso wie der Aktuator 18 auf unterschiedliche Weise an dem Substrat 12 abstützen können. Bei spielsweise kann eine Abstützung der Elektrodenstruktur 14i entlang der z-Richtung erfol- gen und/oder eine Einspannung oder Abstützung entlang der x-Richtung und/oder y-Rich- tung. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass sich eine Elektrodenstruktur über den Aktuator am Substrat 12 abstützt, wie es beispielsweise für die Elektrodenstruktur 142 dar gestellt ist. Der Aktuator kann mit dem Substrat 12 in einer beliebigen Ebene mechanisch verbunden sein und sich daran abstützen.
Fig. 2a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement 20 ist beispielhaft so gebildet, dass zwei Ak tuatoren 18i und I82 vorgesehen sind, um unabhängig voneinander oder synchron oder in einem bestimmten Verhältnis zueinander Abstände 161 und 162 eines ersten elektrischen Kondensators 32i und eines zweiten elektrischen Kondensators 322 zu verändern, wie es durch Ci und C2 dargestellt ist.
Die Aktuatoren 181 und 182 sind beispielsweise so gebildet, dass jeweils drei Balken 24i, 242 und 24ß einerseits bzw. 244, 24s und 24b andererseits an diskreten Bereichen 26i bis 2610 bzw. 2611 bis 2620 miteinander mechanisch verbunden und fixiert sind.
Beispielsweise sind die Balken 24i bis 24b jeweils als Elektrodenstrukturen gebildet, um elektrostatische Kräfte zwischen benachbarten Balken zu erzeugen, um so eine Auslen kung des Aktuators 181 und/oder I82 ZU bewirken. Die Aktuatoren 181 und/oder 182 können dabei an dem Substrat 12 abgestützt sein, indem die Balken 24i bis 24b als eingespannte Balken implementiert werden, wobei sowohl eine einseitige als auch eine zweiseitige Ab stützung oder Einspannung in Betracht kommen.
Die elektrischen Kondensatoren 32i und 322 weisen eine gemeinsame Elektrode 142 auf, die lediglich beispielhaft als Hochfrequenz(HF; engl.: radio frequency, RF)-Ieitung gebildet ist. Diese Leitung kann mit einem Signaleingang 34 und/oder einem Signalausgang 36 ver bunden sein, so dass beispielsweise ein entsprechendes Signal vom Eingang 34 zum Aus gang 36 geleitet wird.
Diese Signalleitung bzw. Elektrode 142 kann nun beidseitig mit einem Kapazitätswert Ci bzw. C2 beaufschlagt werden bzw. einen Teil hiervon bilde, wobei hierfür die Elektroden 14i und 14ß gemeinsam oder unabhängig voneinander vermittels der Aktuatoren 181 und 182 eingestellt werden können. Es ergibt sich aber unmittelbar, dass anstelle der gemeinsamen Elektrode 142 auch eine zusätzliche Elektrodenstruktur angeordnet sein kann, so dass beispielsweise die Elektro denstrukturen 14i und 142 einerseits und die Elektrodenstruktur 143 und eine gegenüber liegend hierzu angeordneten und nicht dargestellte Elektrodenstruktur einen jeweiligen elektrischen Kondensator bilden.
Fig. 2b zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 20, bei dem gegen über dem unausgelenkten Zustand der Fig. 2a die Elektrodenstrukturen 14i und 143 auf die dazwischenliegend angeordnete Elektrodenstruktur 142 zu bewegt sind, so dass Abstände 16‘i und 16‘2 gegenüber den Abständen 16i bzw. 162 aus Fig. 2a verringert sind. Aus der Kondensatorgleichung ergibt sich daraus eine vergrößerte elektrische Kapazität der Kon densatoren 32i und 322.
In der Ausgestaltung des MEMS-Bauelements 20 dahin gehend, dass eine Signalleitung verwendet werden kann, um eine Elektrodenstruktur bereitzustellen, kann es vorteilhaft sein, den elektrischen Kondensator demgegenüber mit einer Elektrode zu bilden, die auf einem fliegenden Potenzial (engl.: floating) liegt oder aber mit einem Referenzpotenzial, etwa 0 Volt, Masse/GND oder dergleichen kontaktiert ist.
In der beispielhaften Ausgestaltung des Aktuators 18i und 182 vermittels jeweils dreier be nachbart zueinander angeordneter Balken, kann eine vorteilhafte Kontaktierung dieser Bal ken so erfolgen, dass ein innerer Balken 242 bzw. 24s mit einem Steuersignal beaufschlagt wird, angedeutet durch ein „+V“. Die äußeren Balken 24i und 24z einerseits bzw. 244 und 24b andererseits können mit dem Referenzpotenzial GND beaufschlagt werden. Wird die ses Potenzial auch für die Elektroden 14i und 143 vorgesehen, so können beispielsweise die Koppelelemente 22i und/oder 222 elektrisch leitfähig gebildet sein, um das Potenzial problemlos von dem Balken 243zu der Elektrode 14i und/oder von dem Balken 244 zu der Elektrode 143 zu übertragen oder andersherum, was eine Schaltungskomplexität gering halten kann.
We es in Fig. 2b beispielhaft dargestellt ist, kann eine der Elektrodenanordnungen 14i bzw.
143 zugewandte Elektrode des Aktuators 181 bzw. 182 und eine dem Aktuator zugewandte Elektrodenstruktur der Elektrodenanordnung elektrisch miteinander verbunden sein.
Das MEMS-Bauelement 20 kann eine Ansteuereinrichtung 37 aufweisen, die ausgebildet ist, um den Aktuator 181 und/oder 182 anzusteuern. Optional aber nicht notwendigerweise kann die Ansteuereinrichtung 37 beispielsweise das Referenzpotenzial GND bereitstellen. Ein Ansteuerpotenzial 39, angedeutet als , ,+V“ kann für beide Aktuatoren gemeinsam oder auch individuell bereitgestellt werden. Der Aktuator 18i und/oder 182 kann eingerichtet sein, um einen linearen Zusammenhang oder einen hyperbolischen, also beispielsweise einen quadratischen Zusammenhang zwischen dem Ansteuersignal 39 und einer bewirkten Än derung des elektrischen Kapazitätswerts einzustellen. Der elektrische Kapazitätswert kann bezüglich seiner Änderungen einen über eine Funktion darstellbaren Zusammenhang auf weisen, was über die Geometrie, die bewirkten Kräfte, die Änderung des Abstands sowie die weiteren geometrischen Eigenschaften problemlos einstellbar ist.
Ein hyperbolischer Zusammenhang, also in Übereinstimmung mit einer Hyperbel ist bspw. gegeben durch eine inverse Abhängigkeit der Kapazität zum Abstand. Eine hyperbolische Bewegung kann erhalten werden, indem die bewegliche Elektrode linear verschoben wird, da die Kapazität ausgedrückt werden kann als :
C~1/(g-x(t)) g ist dabei ein Anfangsabstand und x(t) eine Elektrodenverschiebung. Für x(t) gilt x(t)=f(U(t)) und ist eine Funktion der Aktuatorspannung. Wird eine spezielle Form der elektrischen Ak tuatorspannung erzeugt und verschiebt damit die Elektrode nicht linear sondern quasi „in vers hyperbolisch“ ändert sich die Kapazität basierend auf dieser Anpassung eher linear mit der angelegten Spannung als hyperbolisch.
Die Ansteuereinrichtung 37 kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, um den Aktu ator quasi-statisch anzusteuern. Als quasi-statisch wird eine Änderung der Auslenkung des Aktuators fernab einer Resonanzfrequenz verstanden. Dies wird beispielsweise mit einer Ansteuerfrequenz von höchstens 80%, bevorzugt höchstens 50% und besonders bevorzugt höchstens 20% der Resonanzfrequenz des Aktuators bewirkt.
Ein Ausführungsbeispiel kann anhand von Fig. 2a und Fig. 2b und anhand von beidseitig festeingespannten LN ED Aktoren 18 präsentiert und näher erläutert werden, wobei die Aus führung der Aktorik (z. B. Einspannungsart, Anzahl der Aktorelektroden, Anzahl der Akto ren, Aktorform usw.) variabel sein kann. Der Varaktor 20 besteht aus der am Substrat 12 bzw. Handle- Wafer fixierten RF-Line 142, in der ein hochfrequentes Signal (HF-Signal) pro pagieren kann. Von den beiden Seiten der RF-Line werden die geerdeten beweglichen Va raktorelektroden 14i, 14ß angeordnet.
Die Varaktorelektroden sind mit den im Beispiel beidseitig eingespannten LNED Aktoren 18 mechanisch mittels Verbindungselementen 22 verbunden und sind in einem definierten Ab stand (bspw. von 1 pm bis 50 pm, bevorzugt von 2,5 pm bis 5 pm) von der RF-Line 142 entfernt. Die Elektroden 14i, 143 sind weiterhin mechanisch mit dem umgebenden Substrat 12 verbunden.
Ausführungsbeispiele weisen eine Verbindung auf, die eine geringe Steifigkeit als das Sub strat 12 und die Elektrode 14i, 143 haben (federartig). Sie können auch nur durch Verbin dungselemente 22 mit Aktoren und entsprechend mit dem Substrat verbunden werden und nicht mit dem umgebenen Substrat 12 verbunden sein. Die Verbindungselemente 22 kön nen federartig ausgestaltet sein, das bedeutet, dass die Steifigkeit dieser Elemente geringer als die Steifigkeit der Elektroden 14i, 143 oder der Aktoren 18 ist. Der Abstand 16 zwischen der RF-Line 142 und der geerdeten Elektroden 14i, 143 definiert eine Anfangskapazität, was für eine Elektrodenseite des Varaktors 20 durch ein Plattenkondensatormodel mit einer simplen Formel beschrieben werden kann:
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wobei e0 - die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, eG - relative Permittivität des Medi ums, A - Elektrodenfläche, g - initiale Elektrodenabstand sind. Wird nun eine elektrische Spannung an die LNED-Aktoren 18 angelegt, führt das zum Auslenken der Aktoren 18 in der Chipebene und somit zur Verschiebung der geerdeten Varaktorelektroden 14i, 143 um x in Richtung der RF-Line 142. Der Abstand 16 zwischen den Elektroden wird kleiner, was die Kapazität des Systems vergrößert. e0enA
C(x) = g - x
Die einheitslose Zahl, die die Kapazitätsänderung beschreibt, wird tuning ratio (TR) genannt und ist wie folgt definiert: Im Vergleich zu den klassischen MEMS-Varaktoren wird bei dieser Anordnung die Bewe gung der GND-Elektrode nicht durch die klassische elektrostatische Anziehung zur RF-Line realisiert, sondern durch die von der parasitären elektrostatischen Anziehung entkoppelten LNED-Aktorik 18 ermöglicht. Das ermöglicht eine effizientere Ausnutzung des initialen Elektrodenabstandes und eine kontinuierliche Bewegung der GND-Platte fast bis zur Be rührung mit der RF-Line 142. Dadurch können deutlich höheren TR erreicht werden als Stand der Technik anbieten kann.
In anderen Worten zeigt Fig. 2b in einer Draufsicht den Varaktor 30 in einem ausgelenkten Zustand. Hierbei ist der Elektrodenabstand deutlich geringer und das Volumen der Kavität verringert sich. Die Verringerung des Volumens kann zur Dämpfung des Systems genutzt werden. Ausführungsbeispiele des Varaktors sehen eine einstellbare Dämpfung vor. Hier bei können die Kavitäten über Öffnungen im Deckel- und/oder Handlewafer (nicht darge stellt) mit der Umgebung verbunden werden. In diesem Fall kann Fluid (Luft) über die Öff nungen in die Kavität hineinströmen oder aus dieser herausbefördert werden.
Die Bewegung der Elektroden 14i, 143 gegenüber der RF Line 142 erfolgt statisch oder quasistatisch. Typische Frequenzen der Bewegung liegen zwischen 0 und 100 % der Re sonanzfrequenz der Aktoren 18. Dabei ist der Bereich von < 0 - 20 % als quasistatisch an zusehen und besonders bevorzugt. 0 % der Resonanzfrequenz ist der statische Bereich. Bevorzugte Frequenzen liegen zwischen < 0 - 50% der Resonanzfrequenz.
Fig. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 30 gemäß einem Aus führungsbeispiel. Dieses ist vergleichbar aufgebaut mit dem MEMS-Bauelement 20 und weist darüber hinaus dielektrische Schichten 38i und 382 auf, die ein dielektrisches Material umfassen, beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder ein anderes, bevorzugt ver mittels MEMS-Prozessen verarbeitbares dielektrisches Material, bspw. ein elektrisch nicht- leitendes Material. Die dielektrischen Schichten 38i und/oder 382 können dabei durchge hend oder, wie dargestellt, strukturiert sein. Während dielektrische Schicht 38i zwischen den Elektrodenstrukturen 14i und142 angeordnet ist, kann die dielektrische Schicht 382 zwi schen den Elektrodenstrukturen 142 und143 angeordnet sein. Obwohl beide dielektrischen Schichten 38i und 382 gleichstrukturiert dargestellt sind, können sie auch unterschiedlich voneinander strukturiert sein, oder es kann lediglich eine der beiden Schichten strukturiert sein oder es können beide Schichten unstrukturiert sein. Optional kann auch lediglich eine der beiden Schichten, strukturiert oder unstrukturiert angeordnet sein oder es kann keine der beiden Schichten angeordnet sein, wie es beispielsweise in den Fig. 2a und 2b darge stellt ist.
Die dielektrische Schicht kann auch als Isolationsschicht bezeichnet werden und ermöglicht einerseits eine Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen aufeinander zu o- der voneinander weg bewegten Elektrodenstrukturen 14i und142 bzw. Elektrodenstrukturen 142 und 143.
Neben einer Kapazitätserhöhung vermittels einer Dielektrizitätskonstante er > 1 kann ins besondere durch eine Strukturierung der Schichten 38i und/oder 382 eine Anti-Stiction- Funktion implementiert werden. Durch eine Verringerung einer Oberfläche, die mit der ge genüberliegenden Elektrode mechanisch in Anschlag gebracht werden kann, beispiels weise verglichen mit der Darstellung in der Fig. 2a, werden beispielsweise auch die Haf tungskräfte verringert, so dass es einfacher ist, das Anhaften der Elektroden zu lösen und/o der zu vermeiden.
Im Falle eines mechanischen Kontakts zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der Iso lationsschicht einerseits und der Isolationsschicht und der zweiten Elektrodenstruktur an dererseits kann eine nicht-dargestellte Steuereinrichtung des MEMS-Bauelements ausge bildet sein, um ein Potenzial an eine von dem mechanischen Kontakt betroffene Elektro denstruktur anzulegen, um es zu ermöglichen, dass Ladungsträger von der Elektroden struktur abfließen und so die Anhaftung (stiction) gelöst wird.
Obwohl die dielektrische Schicht 38i so dargestellt ist, dass sie an der Elektrodenstruktur 14i angeordnet ist und die dielektrische Schicht 382 so dargestellt ist, dass sie an der Elekt rodenstruktur 14ß angeordnet ist, kann alternativ oder zusätzlich auch eine dielektrische Schicht an der Elektrodenstruktur 142 angeordnet sein, beispielsweise der Elektrodenstruk tur 14i und/oder der Elektrodenstruktur 142 zugewandt.
In anderen Worten zeigt Fig. 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Varaktors 30, der alternative Elektroden 14i, 143 mit einer Isolationsschicht 38 enthält. Diese Isolationsschicht ist vorzugsweise unterbrochen. Dadurch wird vorteilhaft die effektive relative Dielektrizitäts- zahl im Elektrodenspalt 16i, 162 vergrößert. Gleichermaßen wird ein unbeabsichtigtes an haften der Elektrode 14i, 143 an der RF Linie 142 verhindert. Eine ähnliche vorzugsweise unterbrochene Isolationsschicht kann auf der RF Linie 142 strukturiert werden..
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 40, das in Überein stimmung mit den weiteren hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgestaltet ist. Anders als beispielsweise das MEMS-Bauelement 20 kann die Elektrodenstruktur 14i und die der Elektrodenstruktur 14i zugewandte Seite der Elektrodenstruktur 142 und/oder die Elektrodenstruktur 143 und/oder die der Elektrodenstruktur 143 zugewandte Seite der Elekt rodenstruktur 142 eine Oberflächenvergrößerung aufweisen. Dies kann beispielsweise ver mittels einer Topographie und/oder Strukturierung erfolgen. Eine oder beide Kondensato ren 32i und/oder 322 können dabei auch so gebildet sein, dass eine der beiden Elektroden strukturen oder beide der Elektrodenstrukturen auch keine Oberflächenvergrößerung auf weisen.
Die Oberflächenvergrößerung kann auch so verstanden werden, dass zumindest eine der beiden Elektrodenstrukturen eines Kondensators zumindest bereichsweise einen entlang eines veränderlichen Orts, etwa entlang der y-Richtung, auf einer jeweiligen Elektroden oberfläche der Elektrodenstruktur einen veränderlichen Elektrodenabstand zueinander auf weisen. Wie es beispielsweise anhand der Abstände 16M und 161-2 dargestellt ist, kann sich entlang der y-Richtung der Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 14i und 142 verändern.
Eine derartige Ausgestaltung hat mehrere positive Vorteile für den Kondensator und mithin den Varaktor. Zunächst kann die wirksame Oberfläche der Elektroden gegenüber der Aus gestaltung in den Fig. 2a und 2b vergrößert werden. Darüber hinaus erfolgt beispielsweise bei einem mechanischen Kontakt, etwa infolge eines Pull-Ins eine mechanische Kontaktie rung zwischen den Elektrodenflächen der Elektrodenstrukturen 14i und142 einerseits als auch 143 und 142 andererseits an einer vergleichsweise geringeren Fläche, was in vorteil hafter Weise zu geringen Haftkräften zwischen den Elektrodenstrukturen führt. Darüber hin aus werden geometriegestützte Feldinhomogenitäten durch den nicht-planaren Verlauf der Flächen, insbesondere bei einer Veränderung des Elektrodenabstands erzeugt.
In anderen Worten zeigt Fig. 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Varaktors 40, der alternative Elektroden 14i, 142 und eine alternative RF Linie 142 enthält. In der Draufsicht ist erkennbar, dass sowohl die Elektrode 14i, 142 als auch die RF Linie 142 keine glatten zugewandten Flächen aufweisen. Vielmehr können die Flächen wellen- oder zickzackför mige Ausbuchtungen aufweisen, die die jeweilige Oberfläche vergrößern. Beispielhaft dar gestellt sind zickzackförmige Ausbuchtungen. Die Ausbuchtungen auf den beiden gegen überliegenden Oberflächen können nicht periodisch und nicht symmetrisch ausgeführt wer den. Vorteilhaft ist durch eine derartige Ausführungsform die Kontaktfläche zwischen Elekt rode 14i, 14ß und RF-Linie 142 im Falle einer Berührung minimiert. Ein weiterer Vorteil die ser Ausführung ist die Vergrößerung der effektiven Kapazitätsfläche und somit der Kapazi tätswertes selbst. Zudem werden die geometriegestützten Feldinhomogenitäten an den nicht planparallelen Flächen zu den größeren Kapazitätsänderungen bei der Verkleinerung bzw. Vergrößerung des Elektrodenabstandes 16i, 162 führen.
Fig. 5a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 50i gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement 50i weist eine Oberflächenvergrößerung der Elektrodenstrukturen 14i, 142 und 143 auf. Anders als jedoch im Zusammenhang mit der Fig. 4 beschrieben, ist diese Oberflächenvergrößerung beispielhaft kamm-artig ausgestal tet, so dass ein im Wesentlichen gleichbleibender Abstand 16i und 162 in den Kondensa toren 32i und 322 erhalten wird. Gut erkennbar ist das ebenfalls in den MEMS- Bauelementen 20, 30 und/oder 40 implementierbare Merkmal, dass die Elektrodenstruktu ren 14i und143 lediglich über dem Aktuator 18i bzw. 182 an dem Substrat gestützt sind, aber zum Substrat 12 in der dargestellten Ebene einen Abstand aufweisen. Dies kann eine homogene Bewegung der Elektrodenstrukturen 14i und 142 bewirken, wobei es zur zusätz lichen Stabilisierung entlang derz-Richtung durchaus möglich ist, die Elektrodenstrukturen 14i und143 in der dargestellten Ebene mit dem Substrat 12 zu verbinden.
Fig. 5b zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 502, das das MEMS- Bauelement 50i dahin gehend erweitert, dass bei den Kondensatoren 32i und/oder 322 an zumindest einer der Elektrodenstrukturen 14i und/oder 142 bzw. 142 und/oder 143 die Iso lationsschicht 38 als strukturierte oder unstrukturierte Schicht angeordnet ist. Dies führt zu den im Zusammenhang mit der Fig. 3 erläuterten Vorteilen.
Anders ausgedrückt kann die dielektrische Schicht 38i an der Elektrodenstruktur 14i, die dielektrische Schicht 382 an einer der Elektrodenstruktur 14i zugewandten Seite der Elekt rodenstruktur 142, die dielektrische Schicht 383 an einer der Elektrodenstruktur 143 zuge wandten Seite der Elektrodenstruktur 142 und/oder die dielektrische Schicht 384 an der Elektrodenstruktur 143 in strukturierter oder unstrukturierter Weise angeordnet sein. In anderen Worten zeigt die Fig. 5b einen alternativen Varaktor 502 mit einer vorteilhaft vergrößerten Kapazitätsfläche und somit des Kapazitätswertes selber. Die alternative RF Linie 142 ist, genauso wie die alternativen Elektroden 14i, 143 kammartig strukturiert. Diese kammartige Strukturierung ist so ausgebildet, dass die Finger der jeweiligen Kämme der Elektroden 14i, 143 und 142 ineinandergreifen. Vorteilhaft wird dadurch die Dielektrizitäts konstante im Spalt erhöht und ein verbessertes tuning ratio TR stellt sich ein.
Darüber hinaus ist in Fig. 5b dargestellt, dass die RF-Linie 142 und die kammförmigen Elekt roden 14i, 14ß mit einer Isolationsschicht 38 ausgestattet sind. Vorteilhaft werden dadurch Hafteffekte zwischen Elektrode 14i, 143 und RF-Linie 142 vermieden.
Fig. 6 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 60 gemäß einem Aus führungsbeispiel, bei dem mehrere vorteilhafte Weiterbildungen implementiert sind, die ein zeln oderauch in Kombination umgesetzt werden können und darüber hinaus auch einzeln oder in Kombination mit anderen hierin beschriebenen MEMS-Bauelementen kombiniert werden können.
Zum einen weist das MEMS-Bauelement 60 veränderte elektrische Kondensatoren 32‘i und 32‘2 auf. Anders als in den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit zwei elektrischen Kondensatoren ist dabei jede der elektrischen Kondensatoren mit einem eige nen Elektrodenpaar ausgestattet. Der elektrische Kondensator 32‘i weist dabei Elektroden strukturen 14i und142 auf. Ferner weist der elektrische Kondensator 32‘2 Elektrodenstruk turen 143 und144 auf. Die Elektrodenstrukturen 142 und 144 sind dabei optional an der Hoch frequenzleitung 42 mechanisch fest angeordnet, während die Hochfrequenzleitung 42 im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 zwar nicht Teil der elektrischen Kondensatoren 32‘i und 32‘2 ist, aber im Hinblick auf die Signalleitungseigenschaften von der veränderlichen Kapazität der elektrischen Kondensatoren 32‘i und 32‘2 beeinflusst ist.
Die Anordnung oder Befestigung der Elektrodenstrukturen 142 und144 an der Hochfre quenzleitung 42 kann dabei vermittels einer Isolatorschicht 44i und/oder 442 erfolgen. Diese können zwar aus demselben Material wie die dielektrische Schicht 38 der anderen Ausfüh rungsbeispiele gebildet sein, wobei hier mehr die mechanische Kontaktierung und die elekt rische Isolierung im Vordergrund steht, während in anderen Ausführungsbeispielen unter Umständen auch die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials berücksichtigt wird. Geeignete Isolationsmaterialien können ungeachtet dessen beispielsweise Silizi umoxid und/oder Siliziumnitrid umfassen. Die Elektrodenstrukturen 14i und/oder 143 können gegenüber den jeweils zugewandten Balken 263 bzw. 264 elektrisch isoliert sein, was jedoch optional ist. Eine elektrische Isolie rung kann aber beispielsweise auch bei einer Ansteuerung der Aktuatoren 181 und 182 ein Anlegen eines von dem für den Aktuator verwendeten unterschiedlichen Potenzial genutzt werden. So ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Isolatorschicht 46i zwischen dem Koppelelement 22i, vorgesehen. Das Koppelelement 22i durch ein Er weiterungssegment 48 fortgesetzt, um die Kraft des Aktuators 181 flächig auf die Elektro denstruktur 14i zu übertragen.
Die Isolatorschicht 46i kann verglichen mit den Isolatorschichten 44i und/oder 442 gleiche oder verschiedene Materialien aufweisen. Ein vergleichbarer Effekt kann ebenfalls erhalten werden, indem das Koppelelement 22i elektrisch isolierend gebildet wird. In einem solchen Fall kann unter Erhalt eines vergleichbaren Effekts auf die Isolatorschicht 46i verzichtet werden.
In vergleichbarer Weise ist zwar eine Isolatorschicht 462 zwischen dem Erweiterungsseg ment 482 des Koppelelements 222 und der Elektrodenstruktur 143 angeordnet, um den Bal ken 264 von der Elektrodenstruktur 143 elektrisch zu isolieren. Auch hier kann ein vergleich barer Effekt erhalten werden, indem das Koppelelement 222 elektrisch isolierend gebildet wird.
In der Darstellung der Fig. 6 sind sämtliche Elektrodenstrukturen 14i, 142, 143 und 144 von einer jeweiligen Umgebung elektrisch isoliert, was es ermöglicht, an jede der Elektroden strukturen 14i bis H4 ein individuelles Potenzial anzulegen. So wird beispielsweise an die Elektrodenstruktur 14i an einer oder mehreren Stellen das elektrische Potenzial 52i ange legt. An die Elektrodenstruktur 142 wird an einer oder mehreren Stellen das elektrische Po tenzial 522 angelegt. An die Elektrodenstruktur 143 kann an einer oder mehreren Stellen das elektrische Potenzial 523 angeordnet werden, ebenso kann an die Elektrodenstruktur 144 an einer oder mehreren Stellen das elektrische Potenzial 524 angelegt werden. Die Potenziale 52i bis 524 können beispielsweise von der Ansteuereinrichtung 37, die in Fig. 6 nicht dargestellt ist, bereitgestellt werden.
Die individuelle Beaufschlagung mit individuellen Potenzialen ermöglicht es auch soge nannte „fliegende“ (engl.: floating) Potenziale anzulegen. Während beispielsweise die Fig. 2a, 2b, 3, 4, 5a und 5b Darstellungen zeigen, bei denen zumindest eine der Elektroden strukturen zumindest einen Teil einer Signalleitung zum Leiten eines Signals von einem Signalleitungseingang 34 zu einem Signalleitungsausgang 36 bildet und der elektrische Kondensator ausgebildet ist, um mittels der elektrischen Kapazität Ci und/oder C2 auf einer Signalleitungseigenschaft der Signalleitung einzuwirken und der Aktuator mit der anderen Elektrodenstruktur gekoppelt ist, um diese Elektrodenstruktur bezogen auf die Elektroden struktur der Signalleitung parallel zu der Substratebene zu bewegen, zeigt Fig. 6 eine Dar stellung, bei der Elektrodenstrukturen 142 und 144 an der Signalleitung mechanisch fest verbunden sind. Ohne weiteres könnte jedoch die Signalleitung 42 auch selbst eine Elekt rodenstruktur für den Kondensator 32i oder322 bereitstellen, wie es im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist. Die Ausgestaltung der Elektrodenstruktu ren 14i, und 143 als elektrisch isolierte und gegebenenfalls mit einem fliegenden Potenzial zu beaufschlagende Elektrodenstrukturen bleibt hiervon unberührt.
Darüber hinaus zeigt die Fig. 6 eine weitere Weise der Oberflächenvergrößerung, nämlich eine Art Sägezahnmuster, die in den gegenüberliegenden Elektrodenstrukturen 14i und 142 bzw. 143 und H4 ineinandergreifen. Auch diese optionale Ausgestaltung ist unabhängig von den weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Fig. 6 implementierbar.
Zurückkommend auf die Möglichkeit, die Elektrodenstrukturen 14i, 142, 143 und/oder 144 mit einem fliegenden oder schwebenden Potenzial gegenüber der Signalleitung 42 zu be aufschlagen, sei noch erwähnt, dass dies insbesondere die Möglichkeit bietet, Potenziale anzulegen, die beispielsweise im Falle eines Sticking einen Ladungsträgertransport von den Elektrodenstrukturen weg ermöglichen, um die Anhaftung zu beenden oder aufzulösen.
Optional kann das MEMS-Bauelement 60 auch mit einer Dielektrikumsschicht versehen sein, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der Fig. 3 oder der Fig. 5b erläutert ist. Eine entsprechende Dielektrikumsschicht kann mit zumindest einer der Elektrodenstruktu ren, etwa 14i und/oder 142 bzw. 143 und/oder 144 verbunden sein. Eine Ansteuereinrich tung, etwa die Ansteuereinrichtung 37 zum Steuern zumindest eines Teils des MEMS, etwa der Aktuatoren 181 und/oder 182 kann ausgebildet sein, um vor einer Veränderung des Elektrodenabstands und/oder im Falle eines mechanischen Kontakts zwischen den Elekt rodenstrukturen und der Dielektrikumsschicht, das Dielektrikum zu entladen oder auf ein vorbestimmtes Potenzial mit Ladungsträgern zu laden. Sind beide Elektroden 14i und 142 bzw. '\4z und 144 unabhängig voneinander bezüglich ihres Potenzials ansteuerbar, so ermöglicht dies auch das parallele Steuern/Laden/Entla den der Elektrodenstrukturen unabhängig voneinander.
In den Figuren 2a, 2b, 3, 4, 5a, 5b und 6 wird die Signalleitung jeweils an zwei gegenüber liegenden Seiten von zwei elektrischen Kondensatoren 32i und 322 bzw. 32‘i und 32‘2 be aufschlagt. Entsprechende MEMS-Bauelemente können ausgebildet sein, um die jeweili gen Aktuatoren 18i und 182 anzusteuern, um innerhalb eines Toleranzbereichs, etwa im
Bereich von Fertigungstoleranzen, alternativ innerhalb eines Bereichs von ±20%, ±10% oder ±5% einen übereinstimmenden Kapazitätswert und/oder einen übereinstimmenden Elektrodenabstand in den Kondensatoren 32i und 322 zu erhalten. Alternativ kann ebenfalls vorgesehen sein, um einen voneinander abweichenden Kapazitätswert und/odereinen von einander abweichenden Elektrodenabstand in dem ersten elektrischen Kondensator und dem zweiten elektrischen Kondensator zu erhalten. Das bedeutet, es ist nicht zwingend erforderlich, die beiden Kondensatoren synchron an die RF-Linie anzunähern. Es ist eben falls möglich, unterschiedlich schnell bzw. asynchron anzusteuern. Dadurch kann die Stei gung der zeitlichen Kapazitätsänderungsfunktion im Sinne von C = C(t) leicht variiert wer den, sofern dies im Sinne der Beeinflussung der Signalleitungseigenschaften vorteilhaft ist.
MEMS-Bauelemente in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen können ausgebildet sein, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Konden sators 32i und/oder 322 zwischen einem minimalen Kapazitätswert (größter Elektrodenab stand) und einem maximalen Kapazitätswert (minimaler Elektrodenabstand) einzustellen.
Die Aktuatoren 181 und/oder 182 bzw. der Aktuator 18 kann ausgebildet sein, um einen Aktuatorhub bereitzustellen, der ein Verhältnis zwischen dem minimalen Kapazitätswert und dem maximalen Kapazitätswert von zumindest 15 bewirkt. Die Änderung der Kapazität kann dabei in einem Verhältnis von zumindest 1, zumindest 15 oder bevorzugt zumindest 20 betragen. Eine Obergrenze des Verhältnisses kann alternativ oder zusätzlich bei 1000, 500 oder 100 liegen. So können beispielhafte Verhältnisse von Kapazitätswerten zwischen 1 und 100, 15 und 50 und/oder 20 und 30 erreicht werden.
In anderen Worten ist in Fig. 6 eine sog. floating Elektrode, das Konzept der schwebenden Elektrode dargestellt. Der alternative Varaktor 60 weißt im Spalt 161 , 162 zwischen Elekt rode 48i, 482 und RF Linie 42 eine/zwei zusätzliche Elektroden 14i, '\4z und/oder 142, 144 auf, die mit der Elektrode über eine elektrisch isolierende Verbindung 44 und/oder 46 me chanisch verbunden ist. Die Elektroden 14i, 143 und/oder 142, 144 sind floating oder schwe bende Elektroden, die jeweils einen separaten elektrischen Anschluss 52i, 524 und/oder 522, 523 haben. Die floatenden Elektroden 14i, 143 und/oder 142, 144 werden normalerweise elektrisch floatend gehalten oder mit anderen Signalen als den GND- und HF-Signalen ver sorgt, die während des Betriebs des Varaktors an die Elektroden 48i, 482 bzw. die RF-Linie 42 gegeben werden. Im Standardfall wird nur eine schwebende Elektrode mit Anschluss dielektrikum verwendet, normalerweise die Elektrode 14i, 143 mit Isolator 44, zusammen mit einer unstrukturierten HF-Leitung 42. Im Fall der dargestellten Elektrode 14i, 143 folgt diese der Bewegung der Elektrode 48i, 482 und ist weiterhin mit dem umgebenden Substrat verbunden. Dieser Verbindungsbereich weist in der Regel eine geringere Steifigkeit auf als das umgebende Substrat und die Elektroden selber. Darüber hinaus ist ein weiteres Aus führungsbeispiel in der Art ausgestaltet, dass die Elektroden 48i, 482 und 14i, 143 nicht mit dem umgebenden Substrat verbunden sind. Über die elektrische Kontaktierung 52i, 524 mit einer weichen Feder (engl.: soft spring) oder einer direkten Verbindung in einem einge spannten Zustand (engl.: direct connection in a clamped-clamped case) sind die Elektroden
141, 143 mit separaten elektrischen Verbindungen verbunden, wohingegen die Elektrode 48i, 482 gemäß Fig. 3 mit einem elektrischen Signal verbunden ist (bspw. GND).
Durch diese Ausführungen ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen auf die nachfolgend eingegangen wird. Durch die weitere Elektroden 14i, 143 und/oder 142, 144 reduziert sich die Gefahr einer Selbstaktuierung der Aktoren in Folge der DC-Komponente des angeleg ten RF-Signals in der RF-Linie und verbessert die Betriebssicherheit des Bauelements. Die Gleichstromkomponente des HF-Signals steigt mit zunehmender HF-Signalleistung und Frequenz. Durch eine floatende Elektrode erhöht sich somit die zu übertragende HF- Leistung und die HF-Frequenz, bei welcher Varaktor 60 betriebssicher eingesetzt werden kann. Es ist darüber hinaus möglich ein kontinuierliches Dielektrikum zu verwenden, da eine geringere Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich das Dielektrikum auflädt und dadurch Haftreibung entsteht, da die Kontaktflächen metallisch, also elektrisch leitend sind. Dadurch erhöht sich im Spalt 161 , 162 die Dielektrizitätszahl und infolge dessen stellt sich ein ver bessertes tuning ratio ein. Darüber hinaus sind Kurzschlüsse zwischen Elektrode 48i, 482 und RF Linie 42 verhindert. Durch die strukturierte Oberfläche der Elektroden 14i, 143 und
142, 144 wird die Haftung zwischen diesen beiden Baugruppen im Falle eines Anhaftens verhindert. Durch die Verbindung der Elektroden 14i, 143 und/oder 142, 144 mit GND oder einem spezifischen Spannungssignal kann diese Elektrode vor jedem Betriebszyklus ent laden werden oder auf ein bestimmtes Niveau aufgeladen werden (in diesem Fall ist sie nicht mit GND verbunden), wodurch sich die Zuverlässigkeit und Ergebnis Reproduzierbar keit des Bauelements verbessert.
Fig. 7 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 20. Die Dar stellung bezieht sich dabei auf die Schnittebene A-A aus Fig. 2a. Wie es auch in anderen Ausführungsbeispielen ausgeführt werden kann, ist die Elektrodenstruktur 142 zumindest Teil einer Signalleitung. Diese ist mit dem Substrat 12 durch eine Isolationsschicht 38 ver bunden und daran abgestützt. Demgegenüber können die Aktuatoren 18i und 182 beweg lich gegenüber dem Substrat 12 angeordnet sein.
Fig. 8 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 20 analog Fig. 7, aber in einem ausgelenkten Zustand, so dass aufgrund der angelegten Signale die Abstände 161 und 162 aus Fig. 7 verringert sind, wie es durch die Abstände 16‘i und 16‘2 dargestellt ist.
In anderen Worten zeigen die Figuren 7 und 8 den Varaktor 20 im bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel in einer Ansicht entlang der Schnittachse A-A. Fig. 7 zeigt den Varaktor 20 in einem nicht ausgelenkten Zustand. Fig. 8 zeigt den Varaktor 20 in einem ausgelenkten Zustand. Die durch die Abstände 16‘ definierte Kavität weist hierbei ein geringeres Volumen auf. Dargestellt ist hierbei die notwendige Isolationsschicht 38, die in Ausführungsbeispie len durchgängig ist. Bevorzugt ist diese Schicht unterbrochen ausgeführt. Typische elektrisch isolierende Werkstoffe sind hierbei Oxide, beispielsweise Siliziumoxide oder elektrisch nichtleitende Polymere.
Fig. 9 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Verglichen mit beispielsweise der Darstellung aus Fig. 7 ist die Signalleitung, die auch als Elektrodenstruktur 142 dient, außerhalb der Ebene der Elektro denstrukturen 14i und 143 angeordnet und bildet eine Art Deckel für die Anordnung der Aktuatoren 181 und 182. Ein solcher Deckel kann, ggf. unter Zusammenwirkung mit einem korrespondierendem Deckel, wobei beide Begriffe die Orientierung im Raum nicht ein schränken, dazu genutzt werden, um die Bewegung der Elektrodenstrukturen 14i du 143 auf einander zu steuern, da ein dazwischen angeordnetes Fluid durch die Spalte zum De ckel 142 bzw. dem Boden geführt wird. Ein derartiger fluidischer Wderstand kann ein Schwingungsverhalten der Elektroden einstellen oder beeinflussen, so dass ein Spat zwi schen den Elektrodenstrukturen 14i und 142 einerseits und 142 und 143 andererseits ebenso wie zu Boden ein Auslegungskriterium des MEMS-Bauelements sein kann. In Fig. 9 wird deutlich, dass sich Elektrodenstrukturen, etwa Elektrodenstrukturen 14i und 14ß gegenüberliegend angeordnet auf einander zu und/oder von einander weg bewegen können bzw. einen Elektrodenabstand des durch die Elektrodenstrukturen gebildeten Kon densators verändern können. Unter Einwirkung auf eine weitere Elektrodenstruktur 142 kann aber auch ein gleichbleibender Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 14i und 14ß zu veränderlichen Einflüssen auf ein Bauelement führen, wenn bspw. gleichzeitig der Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 14i und 142 vergrößert und der Abstand zwi schen den Elektrodenstrukturen 142 und 143 im selben Umfang verringert wird oder umge kehrt.
Wie auch bei den anderen hierin beschriebenen MEMS-Bauelementen kann für das MEMS- Bauelement 90 ein in einer Substratebene x/y angeordnetes Substrat 12 vorgesehen sein. Elektrodenstrukturen 14i und 143, können parallel zu der Substratebene x/y gegenüberlie gend zueinander angeordnet sein. Elektrodenstrukturen 14i und 142 einerseits und 142 und 143 andererseits können auch einen Versatz senkrecht zu der Substratebene zu einander aufweisen, wobei die Elektrodenstrukturen 14i und 142, 14i und 143 und 142 und 14sjeweils einen elektrischen Kondensator zu bilden können. Ein Aktuator, der mit der Elektrodenan ordnung gekoppelt ist, ist ausgebildet, um einen Elektrodenabstand zwischen zumindest zwei der Elektrodenstrukturen parallel zu der Substratebene zu verändern. Im MEMS- Bauelement 90 ist dies für sämtliche Elektrodenpaare möglich, etwa indem eine Verschie bung der Elektrodenstrukturen 14i und 143 auf einander zu den Abstand dazwischen be einflusst und eine Bewegung der Elektrodenstrukturen 14i und 142 und/oder der Elektro denstrukturen 142 und 142, relativ zu einander dieses Kriterium erfüllen, um einen elektri schen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators zu verändern. Die beiden Aktuatoren sind ausgebildet, um die Bewegung in-plane zu erzeugen, wobei möglicherweise auch nur einer der Aktuatoren mit daran angeordneter Elektrode vorgesehen sein könnte.
In der gezeigten Ausführungsform sind zwei der drei Elektrodenstrukturen 14i und 143 in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene angeordnet und eine dritte Elekt rodenstruktur 142 der drei Elektrodenstrukturen senkrecht zu der Substratebene versetzt hierzu angeordnet ist. Die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels kann auch erhalten wer den, indem bspw. lediglich das Elektrodenstrukturpaar 14i und 142 oder 142 und 143 ange ordnet wäre, was einem Versatz einer der Elektrodenstrukturen des MEMS-Bauelements 10 entlang der z-Richtung entsprechen kann. In anderen Worten zeigt Fig. 9 einen Varaktor 90 mit einer RF-Linie 142, die oberhalb der Aktuierungsebene angeordnet ist. Hierbei vergrößert sich der Spalt 16 gegenüber den bis her gezeigten Lösungen, etwa im MEMS-Bauelement 20, so dass die Elektroden 14i und 14ß einen größeren Hub ausführen können.
Fig. 10 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 60 in der B- B-Ebene.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf MEMS-Bauelemente mit einem oder mehreren Aktuatoren, die jeweils zumindest zwei an diskreten Bereichen miteinander verbundene Balken umfassen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfin dung sind jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere im Falle von zumindest zwei Ak tuatoren, die gegenüberliegend zu einer Signalleitung angeordnet sind, können auch an dere Aktuatoren eingesetzt werden, beispielsweise piezoelektrische Biegeaktoren und/oder Stapelaktuatoren, andere Formen elektrostatischer oder thermomechanischer Aktuatoren oder auch andere Funktionsprinzipien, wie beispielsweise Spulenantriebe oder derglei chen. Ein derartiges MEMS-Bauelement umfasst, beispielsweise Bezug nehmend auf die Figuren 2a und 2b eine an einer Substratebene angeordnetes Substrat 12 und eine Elekt rodenanordnung mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, etwa die Elektrodenstrukturen 14i und 142, die parallel zu der Substratebene gegenüber liegend zueinander angeordnet sind, um einen ersten elektrischen Kondensator 32i mit ei nem ersten Kapazitätswert Ci zu bilden. Ferner ist zumindest eine dritte Elektrodenstruktur 14ß vorgesehen, die parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der zweiten Elekt rodenstruktur angeordnet ist. Mit der zweiten Elektrodenstruktur 142 oder mit einer vierten Elektrodenstruktur 144, siehe hierzu beispielsweise Fig. 6, wird ein zweiter elektrischer Kon densator 322 mit einem zweiten Kapazitätswert C2 gebildet. Eine Aktuatoreinrichtung, die mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist, ist ausgebildet, um den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert unabhängig voneinander einzustellen und/oder gleichzeitig zu erhöhen oder zu reduzieren. Die Aktuatoreinrichtung kann die hierin beschriebenen Bal ken basierten Aktuatoren oder die gerade erläuterten anderen Aktuatoren aufweisen.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Ansteuern derartiger MEMS-Bauelemente. Während einige Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazi tätswerts eines MEMS-Bauelements ein Ansteuern zumindest eines Balkens eines Aktua tors mit zumindest zwei parallel zu einer Substratebene des MEMS-Bauelements beabstan- deten und an diskreten Bereichen mechanisch miteinander verbundenen Balken, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, um das bewegliche Element in-plane bezogen auf die Substratebene zu bewegen, umfassen, und dergestalt ausgeführt werden, dass ein Elektrodenabstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur einer Elektrodenanordnung und einer parallel zu der Substratebene angeordneten zweiten Elektrodenstruktur der Elekt rodenanordnung parallel zu der Substratebene verändert wird, indem der Aktuator durch eine Verformung zumindest eines Balkens parallel zu der Substratebene eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt, können andere Verfahren zum Ändern eines ersten elektri schen Kapazitätswerts und eines zweiten elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS- Bauelements, etwa unabhängig von der konkreten Implementierung des Aktuators, den Schritt aufweisen: Ansteuern einer Aktuatoreinrichtung, um einen ersten Abstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die parallel zu einer Substratebene gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und die einen ersten elektri schen Kondensator mit einem ersten elektrischen Kapazitätswert bilden, zu ändern. Ferner wird dadurch erreicht, dass ein zweiter Abstand zwischen zumindest einer dritten Elektro denstruktur und einer Mitte der dritten Elektrodenstruktur, der einen zweiten elektrischen bildenden Elektrodenstruktur, etwa der zweiten Elektrodenstruktur 142 oder einer Elektro denstruktur 144, und mit welcher die dritte Elektrodenstruktur einen zweiten elektrischen Kondensator mit dem zweiten Kapazitätswert bildet, zu reduzieren oder zu erhöhen.
Ausführungsbeispiele beruhen auf dem Lösungsgedanken der Verstellung der geerdeten Varaktorelektrode, beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel durch elektrosta tisch laterale LNED-Aktorik. Das löst das oben beschriebene Problem von Pull-In für MEMS-Varaktor, weil die Bewegung bzw. Pull-In der GND-Platte entkoppelt von der Pull-In der Aktorik ist. Das ermöglicht die Ausnutzung fast des gesamten An fangselektrodenabstandes, was die TR Faktoren von >30...50 ermöglicht. Das Problem des Verklebens existiert hier auch nicht, weil die Aktoren eine Art zusätzli chen Rückstellfeder darstellen. Durch eine spezielle Form der elektrischen Span nung kann zudem eine Linearität der Durchstimmbarkeit erreicht werden. Ein wei terer Vorteil der Verwendung der LNED-Aktorik ist, dass die Chiptiefe und nicht der Chip-Footprint für die Vergrößerung der Elektrodenfläche und somit der Anfangska pazität C0 benutzt werden kann. Das führt zum Kostenersparnis und ermöglicht die Miniaturisierung der MEMS-Varaktoren mit größeren Anfangskapazitäten.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikromechanische Bauelemente. Diese werden beispielsweise dazu benötigt, elektrische Signale in mechanische Wirkung zu übersetzen. Im Falle der vorliegenden verformbaren Elemente resultiert eine Verformung des Elements aus einem elektrischen Eingangssignal. In diesem Falle ist das verformbare Element ein Aktuator 18.
Ein verformbares Element besteht aus zumindest zwei voneinander beabstandeten, bal kenförmigen Elektroden, die voneinander durch eine elektrisch isolierende Schicht 26, die unterbrochen sein kann, getrennt sind. Beide Elektroden sind mit unterschiedlichen elektri schen Potentialen belegt, infolge dessen ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden aufgespannt wird. Dadurch verformen sich die Elektroden zueinander. Durch die geometri schen Verhältnisse der Elektroden kann die Verformungsrichtung beeinflusst werden. Im vorliegenden Fall erfolgt eine laterale Verformung innerhalb der Substratebene (in plane).
Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Elektroden, die über mechanische Fixierungen miteinander verbunden sind und ausgebildet sind, um ba sierend auf einem elektrischen Potential eine Bewegung auszuführen. Ausführungsbei spiele sind jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern können eine beliebige Art von Balken strukturen, d. h. Balken, aufweisen, die ausgebildet sind, um ansprechend auf eine Aktuie- rung eine über die mechanische Fixierung in eine Bewegung umgewandelte Kraft bereitzu stellen (Aktuator), etwa unter Verwendung piezoelektrischer Werkstoffe, oder anderer ak- tuierbarer Stoffe. Die Balken können bspw. elektrostatische, piezoelektrische, magne tostriktive und/oder thermomechanische Elektroden sein, die basierend auf einem angeleg ten Potential eine Verformung bereitstellen.
Die nachfolgend vorgestellten MEMS-Bauelemente sind Schichtstapel, die zumindest aus einer Substratschicht bestehen in der die Elektroden und die passiven Elemente angeord net sind. Weitere Schichten betreffen einen Boden, der auch als Handlewafer bezeichnet wird und einen Deckel, der auch als Deckelwafer bezeichnet wird. Sowohl Deckel- als auch Handlewafer sind über stoffschlüssige Verfahren, vorzugsweise Bonden, mit der Substrat ebene verbunden, wodurch abgedichtete Zwischenräume im Bauelement entstehen. In die sem Zwischenraum, der der Deviceebene entspricht verformen sich die verformbaren Bau elemente, in anderen Worten erfolgt die Verformung in plane.
Die Schichten können beispielsweise elektrisch leitfähige Materialien aufweisen, beispiels weise dotierte Halbleitermaterialien und/oder Metallmaterialien. Die schichtweise Anord nung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch se lektives Herauslösen aus der Schicht Elektroden (für auslenkbare Elemente) und passive Elemente gebildet werden können. Sofern elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe angeordnet sein müssen, erfolgt der schichtweise Auftrag dieser Werkstoffe durch Abscheidungsver fahren.
Hierin beschriebene Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele können ohne weiteres mit einander kombiniert werden. Weitere Vorteile, die sich durch die hierin beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele ergeben, liegen darin, dass durch die Abstände 16 ein großer Hub der Elektroden möglich ist. Gleichermaßen zeigen die Ausführungsbeispiele, dass ein RF-HF-Signal in der RF-Linie vollständig von den Ansteuersignalen der Aktuatoren abgetrennt werden kann. Dadurch können die maximale Leistung und die maximale Fre quenz innerhalb der RF-Linie der vorgestellten Varaktoren signifikant angehoben werden. Das Risiko der Selbstanregung aufgrund der Gleichstromkomponente des zugeführten HF- Signals, was in einem Pull-In enden kann, können durch die Verwendung von Elektroden konfigurationen mit hoher Steifigkeit, zum Beispiel beidseitig eingespannter Konfiguration der Balken der Aktuatoren oder schwebenden Elektroden, siehe Fig. 6, weiterreduziert wer den.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf:
• Ein MEMS Bauelement mit mindestens einem auslenkbaren Element und mindes tens einer feststehenden Elektrode, zwischen denen ein elektrisches Feld aufge spannt ist o durch die Relativbewegung zwischen auslenkbaren Element erfolgt eine Än derung der Kapazität des MEMS Bauelement o Die Änderung der Kapazität erfolgt beispielsweise linear mit der Änderung des Eingangssignals (Zukunft) o Aktuell: hyperbolischer Verlauf der Spannungs- Kapazitätsänderung
• Eine Bewegungsrichtung in plane
• Eine Bewegungsart quasistatisch oder von 0-100% der Resonanzfrequenz der Ak toren, bevorzugt 0-50% und besonders bevorzugt 0-20%. 0% stellt dabei eine stati sche Auslenkung dar. Der Bereich 0-20% kann als quasistatisch angesehen wer den.
• Das MEMS Bauelement ist ein Varaktor
• Das auslenkbare Element basiert auf einem elektrostatischen, piezo-, thermome chanischen Auslenkungsprinzip • Eine Änderung der Kapazität kann in einem Verhältnis von 1-100, bevorzugt 15-50, bes. bevorzugt 20-30 eingestellt werden
• In einigen Ausführungsbeispielen kann die Änderung der Kapazität in einem Ver hältnis von bis zu 1000 einstellbar sein
• RF Line ist mit dem Handle-Wafer elektrisch isoliert durch eine Isolationsschicht verbunden. Die Isolationsschicht kann unterbrochen sein. Das bedeutet, dass die RF-Line nur partiell mit dem Handle-Wafer verbunden ist
• Eine Verwendung der Vorrichtung als Varaktor oder als HF- kapazitativ Schalter
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 Verfahrens schritt 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 Vari ationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten ein leuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsen tiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
MEMS-Bauelement mit: einem in einer Substratebene (x/y) angeordneten Substrat (12); einer Elektrodenanordnung (14) mit einer ersten Elektrodenstruktur (14i) und einer zweiten Elektrodenstruktur (142), die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüber liegend zueinander angeordnet sind, um einen elektrischen Kondensator (32) zu bil den; einem Aktuator (18), der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand (16) zwischen der ersten Elektrodenstruktur (14i) und der zweiten Elektrodenstruktur (142) parallel zu der Substratebene (x/y) zu ver ändern, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators (32) zu verändern; wobei der Aktuator (18) zumindest zwei parallel zu der Substratebene (x/y) beabstan- dete und an diskreten Bereichen mechanisch mit einander verbundene Balken (24) aufweist, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, das ausgebildet ist, um sich in-plane bezogen auf die Substratebene (x/y) zu bewegen, um den Elektroden abstand (16) zu verändern.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1, das als MEMS-Varaktor oder als kapazitiver Hochfrequenzschalter gebildet ist.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Elektrodenstruktur (142) zumindest einen Teil einer Signalleitung zum Leiten eines Signals von einem Signalleitungseingang (34) zu einem Signalleitungsausgang (36) bildet; wobei der elektrische Kondensator (32) ausgebildet ist, um mittels der elektrischen Kapazität auf eine Signalleitungseigenschaft der Signalleitung einzuwirken; wobei der Aktuator (18) mit der ersten Elektrodenstruktur (14i) gekoppelt ist, um die erste Elektrodenstruktur (14i) bezogen auf die zweite Elektrodenstruktur (142) parallel zur Substratebene (x/y) zu bewegen.
4. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einer Signalleitung zum Leiten eines Signals von einem Signalleitungseingang (34) zu einem Signalleitungsausgang (36), wobei der elektrische Kondensator (32) ausgebildet ist, um mittels der elektri- sehen Kapazität auf eine Signalleitungseigenschaft der Signalleitung einzuwirken; wobei die erste Elektrodenstruktur (14i) elektrisch isoliert von der Signalleitung und mit der Signalleitung mechanisch fest verbunden ist.
5. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 4, die erste Elektrodenstruktur (14i) und/oder die zweite Elektrodenstruktur (142) mit einem schwebenden Potential gegenüber der Signalleitung gekoppelt sind.
6. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 5, mit einem Dielektrikum (38) das mit der ers- ten oder zweiten Elektrodenstruktur (142) verbunden ist, und mit einer Ansteuerein richtung (37) zum Steuern zumindest eines Teils des MEMS, die ausgebildet ist, vor einer Veränderung des Elektrodenabstands (16) das Dielektrikum (38) zu entladen oder auf ein vorbestimmtes Potential mit Ladungsträgern zu laden.
7. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Aktu ator ein erster Aktuator (18i) ist und der elektrische Kondensator ein erster elektri scher Kondensator (32i) mit einem elektrischen Kapazitätswert (Ci) ist; wobei das MEMS-Bauelement zumindest eine dritte Elektrodenstruktur (143) umfasst, die paral lel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zu der zweiten Elektrodenstruktur (142) angeordnet ist und mit dieser oder einer vierten Elektrodenstruktur (H4) einen zweiten elektrischen Kondensator (322) bildet; wobei das MEMS-Bauelement einen zweiten Aktuator (182) umfasst, der mit der drit ten Elektrodenstruktur (183) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektroden- abstand (162) des zweiten elektrischen Kondensators (322) parallel zu der Substrat ebene (x/y) zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert (C2) des zweiten elektrischen Kondensators (322) zu verändern.
8. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 7, bei dem das MEMS-Bauelement ausgebildet ist, um den ersten Aktuator (181) und den zweiten Aktuator (182) anzusteuern, um innerhalb eines Toleranzbereichs einen übereinstimmenden Kapazitätswert und/oder einen übereinstimmenden Elektrodenabstand (16) in dem ersten elektrischen Kon densator (32i) und dem zweiten elektrischen Kondensator (322) zu erhalten.
9. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 7, bei dem das MEMS-Bauelement ausgebildet ist, um den ersten Aktuator (18i) und den zweiten Aktuator (I82) anzusteuern, um einen voneinander abweichenden Kapazitätswert und/oder einen voneinander abwei chenden Elektrodenabstand (16) in dem ersten elektrischen Kondensator (32i) und dem zweiten elektrischen Kondensator (322) zu erhalten.
10. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem zwei der drei Elekt rodenstrukturen in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene ange ordnet sind und eine dritte Elektrodenstruktur der drei Elektrodenstrukturen senkrecht zu der Substratebene versetzt hierzu angeordnet ist.
11. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das ausgebildet ist, um den elektrischen Kapazitätswert zwischen einem minimalen Kapazitätswert und einem maximalen Kapazitätswert einzustellen, wobei der Aktuator (18) ausgebil det ist, um einen Aktuatorhub bereitzustellen, der ein Verhältnis zwischen dem mini malen Kapazitätswert und dem maximalen Kapazitätswert von zumindest 15 bewirkt.
12. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer struktu rierten oder unstrukturierten Isolationsschicht (38), die zwischen der ersten Elektro denstruktur (14i) und der zweiten Elektrodenstruktur (H2) angeordnet ist.
13. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 12, mit einer Ansteuereinrichtung (37), die aus gebildet ist, um bei einem mechanischen Kontakt zwischen der ersten Elektroden struktur (14i) und der Isolationsschicht einerseits und der Isolationsschicht und der zweiten Elektrodenstruktur (142) andererseits ein Potential an zumindest eine der ers ten Elektrodenstruktur (14i) und der zweiten Elektrodenstruktur (142) anzulegen, um Ladungsträger abzutransportieren und einem Anhaften entgegenzuwirken.
14. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrodenstruktur (14i) und die zweite Elektrodenstruktur (142) zumindest bereichs weise eine auf einander angepasste Oberflächentopographie aufweisen, und gegen über einer planaren Ausgestaltung der Elektroden eine Oberflächenvergrößerung des elektrischen Kondensators (32) aufweisen.
15. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrodenstruktur (14i) und die zweite Elektrodenstruktur (142) zumindest bereichs weise einen entlang eines veränderlichen Orts auf einer Elektrodenoberfläche verän derlichen Elektrodenabstand (16) zu einander aufweisen.
16. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem diezweite Elektrodenstruktur (142) zumindest einen Teil einer Signalleitung bildet, die mit dem Substrat (12) durch eine Isolationsschicht mechanisch fest verbunden ist.
17. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine der Elektrodenanordnung zugewandte Elektrode des Aktuators (18) und eine dem Aktu ator (18) zugewandte Elektrodenstruktur der Elektrodenanordnung elektrisch mit ei nander verbunden sind.
18. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Ansteu ereinrichtung (37) zum Ansteuern des Aktuators (18), die ausgebildet ist, um ein An steuersignal (39) an den Aktuator (18) auszugeben, das eine Änderung des Elektro denabstands (16) bewirkt; wobei der Aktuator (18) eingerichtet ist, um einen linearen Zusammenhang oder einen hyperbolischen Zusammenhang zwischen dem Ansteu ersignal (39) und einer bewirkten Änderung des elektrischen Kapazitätswerts einzu stellen.
19. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Ansteu ereinrichtung (37) zum Ansteuern des Aktuators (18), die ausgebildet ist, um den Ak tuator (18) quasistatisch anzusteuern.
20. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Aktu ator (18) ausgebildet ist, um zumindest eines aus einer elektrostatischen, einer pie zoelektrischen und einer thermomechanischen Auslenkung bereitzustellen.
21. MEMS-Bauelement mit: einem in einer Substratebene (x/y) angeordneten Substrat (12); einer Elektrodenanordnung (14) mit einer ersten Elektrodenstruktur (14i) und einer zweiten Elektrodenstruktur (142), die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüber liegend zueinander angeordnet sind, um einen elektrischen Kondensator (32) zu bil den; einem Aktuator (18), der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand (16) zwischen der ersten Elektrodenstruktur (14i) und der zweiten Elektrodenstruktur (142) parallel zu der Substratebene (x/y) zu ver ändern, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators (32) zu verändern; wobei der Aktuator (18) zumindest zwei parallel zu der Substratebene (x/y) beabstan- dete und an diskreten Bereichen mechanisch mit einander verbundene Balken (24) aufweist, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, das ausgebildet ist, um sich in-plane bezogen auf die Substratebene (x/y) zu bewegen, um den Elektroden abstand (16) zu verändern; mit einer Signalleitung zum Leiten eines Signals von einem Signalleitungseingang (34) zu einem Signalleitungsausgang (36), wobei der elektrische Kondensator (32) ausgebildet ist, um mittels der elektrischen Kapazität auf eine Signalleitungseigen schaft der Signalleitung einzuwirken; wobei die erste Elektrodenstruktur (14i) elektrisch isoliert von der Signalleitung und mit der Signalleitung mechanisch fest ver bunden ist; wobei die erste Elektrodenstruktur (14i) und/oder die zweite Elektroden struktur (H2) mit einem schwebenden Potential gegenüber der Signalleitung gekop pelt sind; oder wobei der Aktuator ein erster Aktuator (18i) ist und der elektrische Kondensator ein erster elektrischer Kondensator (32i) mit einem elektrischen Kapazitätswert (Ci) ist; wobei das MEMS-Bauelement zumindest eine dritte Elektrodenstruktur (143) umfasst, die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zu der zweiten Elektroden struktur (142) angeordnet ist und mit dieser oder einer vierten Elektrodenstruktur (144) einen zweiten elektrischen Kondensator (322) bildet; wobei das MEMS-Bauelement einen zweiten Aktuator (I82) umfasst, der mit der dritten Elektrodenstruktur (183) ge koppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand (I62) des zweiten elektri schen Kondensators (322) parallel zu der Substratebene (x/y) zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert (C2) des zweiten elektrischen Kondensators (322) zu ver ändern; und wobei zwei der drei Elektrodenstrukturen in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene angeordnet sind und eine dritte Elektrodenstruktur der drei Elektrodenstrukturen senkrecht zu der Substratebene versetzt hierzu angeordnet ist.
22. MEMS-Bauelement mit: einem in einer Substratebene (x/y) angeordneten Substrat (12); einer Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrodenstruktur (14i) und einer zwei ten Elektrodenstruktur (142), die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um einen ersten elektrischen Kondensator(32i) mit ei nem ersten Kapazitätswertzu bilden; und mit zumindest einer dritten Elektrodenstruk tur, die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zu der ersten Elektro denstruktur (14i) angeordnet ist und mit dieser oder einer vierten Elektrodenstruktur einen zweiten elektrischen Kondensator (322) mit einem zweiten Kapazitätswert bil det; einer Aktuatoreinrichtung die mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausge bildet ist, um den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert unabhängig voneinander einzustellen.
23. Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements mit folgenden Schritten:
Ansteuern zumindest eines Balkens (24) eines Aktuators (18) mit zumindest zwei pa rallel zu einer Substratebene (x/y) des MEMS-Bauelements beabstandeten und an diskreten Bereichen mechanisch mit einander verbundenen Balken (24), die ein ge meinsames bewegliches Element bilden, um das bewegliche Element in-plane bezo gen auf die Substratebene (x/y) zu bewegen; so dass ein Elektrodenabstand (16) zwischen einer ersten Elektrodenstruktur (14i) einer Elektrodenanordnung und einer parallel zu der der Substratebene (x/y) ange ordneten zweiten Elektrodenstruktur (142) der Elektrodenanordnung parallel zu der Substratebene (x/y) verändert wird, indem der Aktuator (18) durch eine Verformung zumindest eines Balkens (24) parallel zu der Substratebene (x/y) eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt.
24. Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements mit folgenden Schritten:
Ansteuern zumindest eines Balkens (24) eines Aktuators (18) mit zumindest zwei pa rallel zu einer Substratebene (x/y) des MEMS-Bauelements beabstandeten und an diskreten Bereichen mechanisch mit einander verbundenen Balken (24), die ein ge meinsames bewegliches Element bilden, um das bewegliche Element in-plane bezo gen auf die Substratebene (x/y) zu bewegen; so dass ein Elektrodenabstand (16) zwischen einer ersten Elektrodenstruktur (14i) einer Elektrodenanordnung und einer parallel zu der der Substratebene (x/y) ange ordneten zweiten Elektrodenstruktur (142) der Elektrodenanordnung parallel zu der Substratebene (x/y) verändert wird, indem der Aktuator (18) durch eine Verformung zumindest eines Balkens (24) parallel zu der Substratebene (x/y) eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt; so dass eine Signalleitung zum Leiten eines Signals von einem Signalleitungseingang (34) zu einem Signalleitungsausgang (36) des MEMS-Bauelements vorgesehen ist, wobei ein durch die erste und zweite Elektrodenstruktur gebildeter elektrischer Kon densator (32) mittels einer elektrischen Kapazität auf eine Signalleitungseigenschaft der Signalleitung einwirkt; so dass die erste Elektrodenstruktur (14i) elektrisch isoliert von der Signalleitung und mit der Signalleitung mechanisch fest verbunden ist; so dass die erste Elektrodenstruktur (14i) und/oder die zweite Elektrodenstruktur (142) mit einem schwebenden Potential gegenüber der Signalleitung gekoppelt sind; oder so dass der Aktuator ein erster Aktuator (18i) ist und ein durch die erste und zweite Elektrodenstruktur gebildeter elektrischer Kondensator (32) ein erster elektrischer Kondensator (32i) mit einem elektrischen Kapazitätswert (Ci) ist; so dass das MEMS- Bauelement zumindest eine dritte Elektrodenstruktur (143) umfasst, die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zu der zweiten Elektrodenstruktur (142) ange ordnet ist und mit dieser oder einer vierten Elektrodenstruktur (144) einen zweiten elektrischen Kondensator (322) bildet; so dass das MEMS-Bauelement einen zweiten Aktuator (I82) umfasst, der mit der dritten Elektrodenstruktur (183) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand (I62) des zweiten elektrischen Konden sators (322) parallel zu der Substratebene (x/y) zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert (C2) des zweiten elektrischen Kondensators (322) zu verändern; und so dass zwei der drei Elektrodenstrukturen in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene angeordnet sind und eine dritte Elektrodenstruktur der drei Elekt rodenstrukturen senkrecht zu der Substratebene versetzt hierzu angeordnet ist.
25. Verfahren zum Ändern eines ersten elektrischen Kapazitätswerts und eines zweiten elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements mit folgendem Schritt:
Ansteuern einer Aktuatoreinrichtung, um einen ersten Abstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur (14i) und einer zweiten Elektrodenstruktur (142), die parallel zu einer Substratebene (x/y) des MEMS-Bauelements gegenüberliegend zueinander an geordnet sind, und einen ersten elektrischen Kondensator (32i) mit einem ersten Ka- pazitätswert bilden, zu ändern; und um einen zweiten Abstand zwischen zumindest einer dritten Elektrodenstruktur und einer mit der dritten Elektrodenstruktur einen zweiten elektrischen Kondensator (322) bildenden Elektrodenstruktur, die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zu der dritten Elektrodenstruktur angeord net ist, unabhängig von dem ersten elektrischen Kondensator einzustellen.
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