WO2022253443A1 - Mems zum kontrollieren eines fluidstroms - Google Patents

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WO2022253443A1
WO2022253443A1 PCT/EP2021/064987 EP2021064987W WO2022253443A1 WO 2022253443 A1 WO2022253443 A1 WO 2022253443A1 EP 2021064987 W EP2021064987 W EP 2021064987W WO 2022253443 A1 WO2022253443 A1 WO 2022253443A1
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mms
layer
pressure
opening
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PCT/EP2021/064987
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Anton MELNIKOV
Bert Kaiser
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • F16K2099/0073—Fabrication methods specifically adapted for microvalves
    • F16K2099/008—Multi-layer fabrications

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS for inhibiting or allowing a flow of a fluid through openings of the MEMS.
  • the present invention relates in particular to an overpressure protection device or pressure relief valve in MEMS components.
  • Top pressures can arise in different components in different situations and can be associated with material stress or even damage for the affected component.
  • a membrane-based protective device In an open position, a diaphragm allows the passage of acoustic energy from the outside of the device to the inside of the device. In a closed position, the diaphragm contacts an exterior surface of the opening to at least partially block the passage of acoustic energy from the exterior of the device to the interior of the device.
  • Document US Pat. No. 6,590,267 proposes a device which is based on an actuator principle that can be actively deflected.
  • the disclosed MEMS valve device is based on a membrane that can be actuated by actively deflectable electrode elements and prestressing elements.
  • the membrane covers an opening and can be moved relative to this through the electrode elements.
  • a disadvantage of the known solutions is a comparatively complex structure.
  • a core idea of the present invention consists in having recognized that a flow of a fluid can be inhibited by a lateral in-plane movement of a movable element and that the flow is enabled in a different position of the same element can be.
  • the movement in the plane results in a simple mechanical structure that can also be implemented in a space-saving manner.
  • an MQL comprises a first layer which has a first opening for the passage of a fluid.
  • the MQL comprises a second layer, which is arranged opposite to the first layer and which has a second opening for the passage of the fluid.
  • the second layer forms with the first layer at least part of a layer stack of the MMS, which has a stacking direction running perpendicular to a substrate plane of the MMS, along which the layers of the layer stack are stacked.
  • the MMS comprises a cavity arranged between the first layer and the second layer.
  • a movable element is arranged in the cavity, which is movable along a direction parallel to the substrate plane and which has a first and a second position. In the first position, flow of the fluid is impeded and in the second position, flow of the fluid through the cavity along the stacking direction is enabled.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of an MMS according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2a shows a schematic plan view of part of an MMS according to a further exemplary embodiment, in which a movable element is connected to a side wall of the MMS on both sides via connecting elements;
  • Fig. 2b with Fig. 2a comparable representation in which a fluidic pressure in a
  • FIG. 2c shows a representation comparable to FIG. 2b, in which the valve is open;
  • FIGS. 2a-c are schematic plan views comparable to FIGS. 2a-c of an MMS according to an exemplary embodiment, in which the movable element is clamped at bar ends and by means of fastening areas;
  • FIG. 3d shows a schematic view of a state of the MMS from FIG. 3a in which the movable element is arranged in a first position
  • FIG. 3e shows a schematic side sectional view of the MMS from FIG. 3d, in which the movable element is arranged in a second state
  • FIG. 4 shows a schematic representation of part of an MMS from FIG. 2a to explain individual dimensions according to exemplary embodiments
  • 5a shows a schematic function with a displacement of a movable element of an embodiment in relation to a level of the applied pressure
  • FIG. 5b shows schematic representations of curves to explain that the pressure level can always be maintained in such a way that potential damage to a structure is avoided by means of the configuration of the pressure occurring in the cavity shown in FIG. 5a;
  • FIG. 7a shows a schematic block diagram of a system according to an exemplary embodiment with a unidirectional valve
  • FIG. 7b shows a schematic block diagram of a system according to an exemplary embodiment with a bi-directional overpressure valve function
  • 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.
  • MEMS microelectromechanical structures
  • semiconductor materials such as silicon materials, although other materials, such as metallic materials or the like, can also be used as an alternative or in addition.
  • Exemplary embodiments described herein relate in particular to micromechanical structures (MMS), of which MEMS form a subgroup in the narrower sense of the word, since MEMS describe microelectromechanical systems.
  • MMS micromechanical structures
  • similar exemplary embodiments can have sensory properties and/or actuator properties that can turn an MMS into a MEMS.
  • other aspects of exemplary embodiments described herein are not limited to such sensory and/or actuator properties. Therefore, also such embodiments, which are described herein as MEMS, are not necessarily designed for use and/or generation of an electrical signal. Rather, the terms “MMS” and “MEMS” are used synonymously in connection with the embodiments described herein.
  • the MMS 10 comprises a first layer 12 and a second layer 14, which can be formed, for example, from a material compatible with MMS/MEMS processes, for example a semiconductor material.
  • a material compatible with MMS/MEMS processes for example a semiconductor material.
  • the layer 14 and the layer 16 are only partially shown.
  • Layers 12 and/or 14 can optionally include other materials, such as metal materials or the like, in whole or in part and/or be made electrically conductive at least in certain areas based on doping. Alternatively or additionally, electrically insulating materials, such as oxide materials or nitride materials, can be arranged.
  • An optional third layer 16 is arranged between the first layer 12 and the second layer 14, the property of which is to limit a cavity 18 between the first layer 12 and the second layer 14, but can also be implemented in other ways, for example by in the first layer 12 and/or depressions or trenches can be introduced into the second layer 14 in order to still obtain the cavity 18 when the layers 12 and 14 are joined together directly.
  • the layers 12 and 14 form at least part of the layer stack 22, which also includes the layer 16 in the present case.
  • Layer 16, when provided, can also be formed from MMS/MEMS-compatible materials like layers 12 and/or 14.
  • a movable element 24 is arranged in the cavity 18 .
  • Movable element 24 may be formed from layer 16 by selectively removing material of layer 16, for example. Alternatively, it is also possible to move the movable element 24 to bring into the cavity 18 and / or to convey and fix it therein.
  • the movable element 24 is a bending beam or deformable element which is arranged clamped at one end or two ends and is at least partially but preferably free of suspension with respect to the layers 12 and 14 .
  • the movable element 24 can be detached from the layer 16, for example by selective etching processes.
  • the layer stack 22 can thus comprise at least two layers, but also a plurality of layers, in particular since further layers can also be arranged in addition to the layers 12, 14 and optionally 16.
  • the layers 12, 14 and/or 16 can be mechanically firmly connected to adjacent layers, for example by means of a bonding process. Even if this does not create any new layers in the sense of a layer stack, materials for the interface between the two layers can still be produced.
  • the layer 12 has an opening 26 therein. Although opening 26 is shown as a single opening connecting two opposing major sides 12A and 12B of layer 12, opening 26 may be implemented by two or more partial openings.
  • the layer 14 also has an opening 28 which connects a first main side (not shown) and a main side 14B of the layer 14 arranged opposite to one another.
  • a fluid 32 ie a liquid and/or a gas, can flow through the opening 26 .
  • the fluid 32 can flow through the opening 28 .
  • a flow through a fluidic path can be generated between the openings 26 and 28 .
  • the movable element 24 blocks the flow of the fluid 32 from the opening 26 to the opening 28. This means the flow of the fluid 32 through the cavity 18 , particularly from port 26 to port 28 or vice versa, is inhibited.
  • the movable element 24 is extended in the cavity in such a way that an acoustic or fluidic short circuit between partial cavities 34 1 and 34 2 , which form on opposite sides of the movable element 24 in the cavity 18 , is prevented.
  • the movable element 24 can have a small distance or no distance at all from side walls 36 1 and/or 36 2 to which the movable element 24 is arranged adjacent or on it.
  • the crosswinds 36 1 and/or 36 2 must in this case not be arranged opposite one another and, according to exemplary embodiments, can also be implemented by a single side wall, as is described in connection with exemplary embodiments.
  • a distance between the movable element 24 and the layer 12 and the layer 14 can be kept small in order to keep fluidic losses due to flow through a remaining gap small, i.e. not to generate an acoustic or fluidic short circuit, and yet one To allow movement of the movable element 24.
  • a gap can be obtained, for example, by removing or omitting a bonding layer between the layers 16 and 12 or 14, for example by selective etching or cutting out a corresponding layer.
  • the movable member 24 is movable from the first position shown in solid lines to a second position shown in broken lines.
  • a corresponding movement or a change between the position 38 1 and 38 2 can include a displacement of the movable element 24, but preferably includes a deformation of the same.
  • the MMS 10 can have planes that are arranged parallel to a so-called substrate plane, which is referred to as the x/y plane in Fig. 1 and can be understood, for example, as a plane parallel to the one or more layers 12, 14 or 16 be arranged during a manufacturing process of the MQL 10.
  • a substrate plane which is referred to as the x/y plane in Fig. 1 and can be understood, for example, as a plane parallel to the one or more layers 12, 14 or 16 be arranged during a manufacturing process of the MQL 10.
  • main sides of wafers can be arranged parallel to the x/y plane and thus define the substrate plane.
  • a direction z perpendicular to this can be referred to as the stacking direction, along which the layers 12, 14 and optionally 16 are stacked.
  • the movable element 24 carries out the change between the position 38 1 and 38 2 within the x/y plane, ie in-plane.
  • moveable member 24 moves so that it is located beyond opening 28 when it reaches position 38 2 , represented by axis 42 .
  • the movable element 24 can be located along the negative x-direction, starting from the axis 42, and in the position 38 2 , in the positive x-direction, starting from the axis 42. This allows the fluidic path between the openings 26 and 28 to be uncovered, so that the flow of the fluid 32 through the cavity 18 is permitted.
  • the throughflow occurs, among other things, along the stacking direction z, even if the openings 26 and 28 can be shifted relative to one another along the x-direction and/or y-direction.
  • the MMS 10 can be designed as an overpressure valve and be designed to move the movable element 24 from the position 38 1 to the position 38 2 in the event of an overpressure on the first layer, in particular on the main side 12A.
  • This can be understood in such a way that the fluid 32 can penetrate, for example, through the opening 26 and can cause a pressure increase in the partial cavity 34 1 .
  • This increase in pressure assuming a pressure differential to sub-cavity 34 2 , say major side 14 of layer 14, can cause a force to be exerted on moveable member 24, resulting in the transition between positions 38 1 and 38 2 .
  • FIG. 2a shows a schematic plan view of part of an MMS 20 according to an exemplary embodiment.
  • the explanations for the MMS 10 also apply to the MMS 20.
  • the movable element 24 of the MMS 20 is connected to a side wall 16c of the layer 16 on both sides via connecting elements 44 1 and 44 2 .
  • the connecting elements 44 1 and 44 2 can limit or impede or prevent a transfer of fluid between the partial cavities 34 1 and 34 2 to an at least relevant extent. This results in a significant inhibition of the flow of fluid from the partial openings 26 1 and 26 2 to the opening 28 1 .
  • the connecting elements 44 1 and 44 2 can optionally be designed as a type of solid-state joint or other elastic element at connection points 46 1 to layer 16 and/or 46 2 to movable element 24, in particular with a rigidity that is less than or equal to the rigidity of the deflectable element, in particular to allow a certain flexibility along the positive and/or negative x-direction.
  • FIG. 2b shows a comparable representation in which a pressure 48 is built up in the partial cavity 34, which means a pressure difference compared to the partial cavity 34 2 , for example by fluid flowing through the partial openings 26 1 and/or 262 into the partial cavity 34 .
  • this is equivalent to fluid flowing out of at least one of the partial openings 28 1 , 28 2 and 28 3 in the layer 14 (not shown ) .
  • FIG. 2c shows a schematic plan view of the MMS 20, in which the movable element 24 is in the second position 38 2 , which was caused by the pressure 48, for example.
  • the valve is open.
  • the movable element 24 sweeps over the opening 28 1 , for example, while it at least does not sweep over the openings 26 1 and 26 2 completely.
  • a fluidic path between the openings 26 1 and 26 2 on the one hand and the opening 28 2 can be uncovered by the movable element 24 and the fluid 32 can flow accordingly.
  • Fig. 2a the movable element 24 could, with a different arrangement of the openings and/or individual elements, also sweep over the opening 261 and/or 262 and be deflected in this direction in order to likewise create a passage between the openings 26 1 / 26 2 on the one hand and 28 1 , optionally additional openings in the layer 14, on the other hand.
  • a movement amplitude of the movable element 24 is directly related to a strength of the pressure 48 .
  • particularly preferred exemplary embodiments create MMS in which the second position 38 2 is also a stable position to a certain extent, which is achieved by the pressure 48 of FIG. 2b being strong enough to prevent a deflection of the movable element 24, but then a kind of snap-through occurs, which can cause a bending or deformation of the movable element 24, shown for example in FIG initially remains stable until a certain lower pressure level is reached, which will be explained in detail later.
  • FIG. 2c What can also be seen in FIG. 2c is that due to the reshaping or deformation of the movable element 24, the connecting elements 44 1 and 24 2 are deflected along the negative or positive x-direction, which allows material stresses in the movable element 24 and/or the connecting elements 44 1 and 44 2 during the change from the position 38 1 to the position 38 2 and/or back.
  • the state of FIG. 2a that is, the first position can be described as low-stress or simplified stress-free. This denotes a condition where a level of mechanical stresses is low or minimal.
  • the movable element 24 In the position 38 2 of FIG. 2c, the movable element 24 can, in contrast, have a high-tension state. When this mechanical tension is released, the movable element 24 can change back from the position 38 2 to the position 38 1 .
  • the cavity 18 is divided into the partial cavities 34 1 and 34 2 .
  • the cavity 18 can also be subdivided into a larger number of partial cavities.
  • the partial cavity 34 1 is arranged on a first side 24A of the movable element 24 .
  • the partial cavity 34 2 is arranged on an opposite side 24B. This does not necessarily require direct contact between a side surface of the movable element 24 and the fluid in the partial cavity, since, for example, additional elements can also be arranged on the side 24A and/or 24B, for example displaceable plates or the like. But even in this case, the partial cavity 34 1 is fluidically coupled to the opening 26 or the partial openings 26 1 and/or 26 2 .
  • a volume of partial cavity 34 1 is increased in exemplary embodiments until partial cavity 34 1 is also connected to opening 28 1 and/or 28 2 and/or 28 3 in the opposite Layer 14 is fluidically coupled to allow fluid 32 to flow therethrough.
  • a volume content of the partial cavity is preferably but not necessarily to be understood as an increase in the partial volume.
  • the effect of clearing the fluidic path 52 can also be obtained if the partial cavity 34 1 is simultaneously reduced, for example on a side facing away from the movable element 24, for example if another flexible element, for example one connected in parallel, is used instead of side 16c movable element, is arranged. Rather, it is sufficient if an opposite opening 28 1 , 28 2 and/or 28 3 is fluidically coupled to the opening 26 1 or 26 2 by means of the movement and/or deformation to maintain the position 38 2 .
  • FIGS. 2a-c show a plan view of a MEMS or a part of a MEMS 20 consisting of a deflectable element 24 that is connected to the surrounding substrate via connecting elements 44.
  • FIG. The transition areas 46 1 and 46 2 are designed in such a way that the rigidity in this area is the same as or less than that of the deflectable element 24, the connecting element 44 and the substrate. In other words, deformation of the deflectable element 24 and the connecting area 44 in the elastic area of the material used is possible here, so that after a deflection they can return to their original position.
  • Three different states of the MEMS 20 are shown. The state shown in FIG ) is divided into a first partial cavity 34 1 and a second partial cavity 34 2 .
  • the height of the connecting element and the deflectable element correspond approximately to the height of the cavity, so that the resulting gap between the cover wafer, the movement elements and the base wafer is minimal in each case.
  • the sensitivity to slow changes in pressure can be reduced, ie with a larger gap (eg >10 ⁇ m) it is only opened in the event of sudden pressure peaks.
  • the partial cavities 34 1 and 34 2 are each connected to the surrounding fluid via openings 26 in the base wafer 12 or openings 28 in the cover wafer 14 (not shown). Fluid can enter the cavity or escape from it or be conveyed out via these openings.
  • FIG 2b shows a top view of the MEMS 20 in a time interval of the deflection process of the deflectable element 24.
  • the pressure acting on the deflectable element 24 is shown at 48, which is caused by filling the cavity 34 through the openings 26 results.
  • FIG. 2c shows the MEMS 20 in a time interval of the deflection method in which the acting pressure has exceeded the specific opening pressure of the deflectable element 24 in a plan view.
  • the deflectable element 24 and the connecting elements assume a new stressed position, which is maintained as long as the value of the pressure in the cavity 44 is between the spec. opening pressure and the spec. closing pressure.
  • the volume of the partial cavity 34 1 increases in such a way that the partial cavity is additionally connected to an opening 28 1 in the cover wafer 14 (not shown). Fluid can escape from the partial cavity 34 1 through this opening, as a result of which the pressure in the partial cavity 34 1 drops. If the pressure falls below the specific closing pressure, the deflectable element 24 and the connecting element 44 can assume a stress-free state and return to their starting position, as is explained by way of example with reference to FIG. 5a.
  • 3a-c show schematic top views of an MMS 30 according to an exemplary embodiment. Comparable functionality can be obtained compared to the MMS 20, but the movable element 24 can be clamped at beam ends and by means of fastening areas 54 11 and 54 2 to sides 16a and 16b of the layer 16, which is a simpler one compared to the MMS 20 Production can allow, but can lead to higher material loads in the movable element 24.
  • a bending line that is changed compared to the MMS 20 is obtained in the state 38 2 , which can be adjusted by the design of the clamps in the fastening areas 54 11 and/or 54 2 .
  • the movable element 24 can be considered like a bending beam and be designed according to the basic mechanical knowledge of the person skilled in the art through the orientation and/or design of the fastening areas 54 1 and/or 54 2 with respect to the bending line in the state 38 2 .
  • FIG. 3c shows a section line 56 of the plane A-A, which is explained in more detail with reference to FIGS. 3d and 3E, which each show schematic sectional views of the MMS 30 along the section axis A-A.
  • Fig. 3d the MMS 30 is shown in a state in which the movable element 24 is arranged in the first position 38 1 , which is comparable to the representation of Figs. 3a and 3b.
  • there is a pressure gradient between sides 12A and 14B in that a pressure p2 is present at opening 26 2 of layer 12, which is greater than a pressure p1 at layer 14 or in openings 28 1 and 28 3 or side 14B .
  • this can result in the movable element 24 changing to the second state 38 2 illustrated in FIG. 3e and exposing the fluidic path 52 through which the fluid 32 can flow, whereby it is made possible that the same pressure is present on both sides 12A and 14B of the MMS 30 and the pressure p2 of FIG increased by the pressure p1.
  • the same pressure change, a different pressure change or no pressure change can occur at the opening 28 3 , which can be influenced by a progression over time and/or a build-up in the cavity.
  • the closing pressure of the valve can then set after the pressure reduction has taken place, up to which the fluidic path remains open.
  • the remaining difference between p3 and p1 at the opening 28 3 can be defined, for example, by the closing pressure.
  • the opening 28 3 is only shown because of the sectional view. It turns out that the functionality as a valve or pressure relief valve is not necessarily required for the opening 28 3 .
  • the MMS 30 can have a first bending line in the position 381 , which can be seen in the top view shown in FIGS. 2a and 3a.
  • a second bending line can be obtained, which can be seen in FIGS. 2c and 3c respectively.
  • the second bendline may be geometrically dissimilar to the first bendline. This allows a whereabouts of the respective clamping asymmetric force can be obtained when changing from the first position 38 1 to the second position 38 2 on the one hand and back to the first position 38 1 on the other hand.
  • FIGS. 3a to 3c show an alternative MEMS 30 in which the deflectable element 24 is connected directly to the surrounding substrate 16.
  • FIG. The deflection process does not differ from the MEMS 20.
  • 3d and 3d show a sectional view along section AA in FIG. 3c.
  • 3d shows that a cavity is formed between the base and cover wafers 12 and 14 and the surrounding substrate 16 in the device plane. This cavity is formed by the two partial cavities 34 and 34 2 which are separated from one another by the deflectable element 24 . It is also shown that the openings 26 in the base wafer 12 connect the partial cavity 34 to the surrounding fluid. The openings 28 are arranged in the cover wafer 14 and connect the partial cavity 34 2 to the surrounding fluid.
  • 3e shows the moment of pressure equalization after the pressure in the partial cavity 34 1 has increased and the deflectable element 24 has been deformed into its stressed position.
  • the partial cavity 34 1 is connected to one of the openings 28 in the cover wafer 14 , as a result of which a volume flow of the fluid 32 in the partial cavity 34 conveys fluid out of the partial cavity 34 through the opening 28 1 .
  • the volume flow stops as soon as there is ambient pressure in the partial cavity 34 1 or a lower pressure level is reached.
  • FIG. 4 shows a schematic top view of a section of the MMS 20 from FIG. 2a to explain possible, but not necessarily obligatory, design criteria and/or structure sizes.
  • the parameters are the length I of the deflectable element 24 and the length b of the connecting elements 44.
  • the parameter I assumes values between 100 ⁇ m ⁇ I ⁇ 9 mm.
  • the length l of the deflectable element 24 and the length b of the connecting elements 44 are in the following ratio:
  • the length of the deflectable element can be greater than the length of the connecting element.
  • the deflectable element 24 is characterized by the radius of curvature R. This radius is typically in a range of 50 ⁇ m ⁇ R ⁇ or - ⁇ >R>- 50 ⁇ m.
  • the radius R and the length l of the deflectable element have the following relationship:
  • the deflectable element can be a straight bar or can be designed in the shape of an arc, for example in the shape of a crescent.
  • the width of the deflectable element 24 is described with ti.
  • the ratio of the length to the width of the deflectable element is characterized by the following relationship:
  • the width of the deflectable element is always smaller than its length.
  • the connecting element 44 has a width t b which is in the following ratio to the length b of the connecting element 44:
  • t b can always assume values that are smaller than b, for example. It goes without saying that these statements are merely of an exemplary nature in order to explain preferred embodiments.
  • a rapidity or speed of the movement and/or reaction can be influenced via the parameters hA and/or hB .
  • the valve With a comparatively low value of h A and h B , the valve will close with a delay; for example, so-called squeeze film damping can occur. This can be used, for example, to allow comparatively short pressure pulses, comparable to a slow-acting electrical fuse, without the valve reducing the entire pressure. If h A and h B are selected to be comparatively large, the sensitivity can be increased at the expense of the size.
  • 5a and 5b are used to explain the multiply stable or at least partially stable configuration of the states of the MMS 20 and MMS 30.
  • FIG. 5a shows a schematic function with a displacement of the movable element 24 on the abscissa in relation to a level of the pressure 48, as is shown, for example, in FIG. 2b, 3b or 4.
  • 5a shows the information presented in a clear variant.
  • a direct relationship can be set between the displacement, for example along the y-direction, and the pressure 48 occurring or the level. This relationship can be linear, but this is not required.
  • a first pressure level 48 1 is reached, a snap-through can take place and, for example, the positions 302 shown in FIGS. 2c and 3c can be obtained.
  • the displacement can enter a region 68 2 in which a transition between "closed” and "open” occurs, ie the two states can exist partially and in combination with each other.
  • FIG. 5a shows that a reduction in the pressure starting from the pressure level 48 1 does not immediately lead to a backward movement of the movable element 24, but rather a snap-back only when a second, lower level is reached Pressure level 48 2 takes place, which can be done just as suddenly as the snap-through at pressure level 48 1 .
  • FIG. 5b shows that by means of the design of the pressure occurring in cavity 18 (curve 64 2 ) shown in FIG 48 crit no longer occurs.
  • a pressure curve, possibly from the outside, in the cavity 18 is shown as curve 64 1 , which would be obtained if the functionality of a pressure relief valve were not implemented.
  • the curve 64 2 shows the pressure profile in the cavity 18 with the valve arranged.
  • the pressure level 48 crit designates a pressure level for potential damage to the structures to be protected.
  • the pressure level 48 1 designates an opening pressure of the valve structure.
  • the pressures are shown in relation to an ambient pressure p 0 . Overpressure can arise, for example, in headphones when they are inserted or removed.
  • the MMS can be designed such that when a first pressure level of the fluid is present at the first layer, it changes from the first position to the second position and to change back from the second position to the first position when a second pressure level of the fluid is applied to the first layer, the first pressure level being greater than the second pressure level.
  • the change of position, in particular back to the first position can in particular not be understood as a continuous decline due to a continuously reducing pressure, but according to exemplary embodiments an approximately abrupt backward movement (snap-back) when the stabilizing force in the movable element 24 is no longer sufficient to maintain the hitherto stable position of the second position 38 2 .
  • the movable element 24 can be configured to obtain a deformation force for a deformation of the movable element 24 into the second position 38 2 from the first pressure level.
  • a material stress in the movable element 24 2 can first experience an increase and then experience a decrease, which means that the stress level can be reduced. This means that after an initial increase, the material stress can decrease again in the event of a sudden movement into the second position 38 2 , as is known, for example, in the case of bistable, tristable or multiple-stable deformations of deformable elements.
  • the movable element 24 is designed in exemplary embodiments such that a sufficiently large reduction in pressure is sufficient to obtain the return movement into the first position 38 1 , which is again stable. That is, the moveable member 24 may be configured to assume a steady state based on the decrease in material stress, such as position 38 2 , which may persist until the second pressure level is at or below the first pressure level is.
  • the movable element 24 can be designed to switch to the second position 38 2 based on an increase in the pressure of the fluid on the first layer, ie a first side of the movable element 24, and to change to the second position 38 2 when the pressure in the po- position of the second slope initially to remain until the second pressure level is reached.
  • This return movement can be based on mechanical stresses, i.e. not induced solely because of the pressure. This means that the return movement or the energy required for this can be stored in the material of the movable element 24 and/or its suspension when the second position 38 2 is assumed starting from the first position 38 2 .
  • a pressure difference between the first layer and the second layer is taken into account.
  • These pressure differences occur in particular when acoustic or fluidic short circuits between the outer layers of the fluid or the first layer 12 and the second layer 14 are avoided.
  • an MQL described herein is used unidirectionally or bidirectionally as a functional structure in a system, for example as a pressure relief valve of such a system.
  • headphones or the like can be considered as such a system, in which case an acoustic short-circuit can be prevented by such structures, for example by considering the auditory canal of a person.
  • FIG. 5a graphically shows the deflection behavior of a deflectable element 24 according to an exemplary embodiment.
  • the pressure in the first partial cavity 34 1 is shown over the displacement or deformation of the deflectable element 24. It can be seen here that the deflectable element 24 deforms after the opening pressure has been exceeded and in the so-called snap-through position, ie remains in the position 38 2 as long as the pressure in the first partial cavity 34 1 assumes a value which lies between the opening and closing pressure. As soon as the value falls below the closing pressure, the deflectable element 24 falls into its original position. That is, the position 38 1 back. This point is also called snap-back.
  • the closing pressure is always lower than the opening pressure, although the closing pressure can also assume negative values.
  • the pressure profile in a chamber can be adjusted in such a way that the pressure level which would lead to potential damage to the structures to be protected, see FIG. 5b, is not reached.
  • the pressure usually stops rising and falls until either the closing pressure or the ambient pressure is reached, depending on the design (see solid line).
  • the movable element 24 can have a beam structure clamped on both sides, which, based on an undeflected reference position, for example a straight or undeformed or unloaded beam structure, along a first direction, for example the positive y-direction, is curved. Even if exemplary embodiments do not rule out a pre-deflection of the element during or after production, the deflectable element 24 can preferably already be produced in the illustrated form, for example by means of a selective removing process, for example an etching process or a selective generating process the addition of material.
  • the movable element 24 can be designed to carry out a deflection in a second direction relative to the reference position when changing to the position 38 2 , which direction is, for example, opposite to the first direction, ie the negative y-direction.
  • the MMS 20 proposes the connecting elements 44 1 and 44 2 for this purpose
  • the MMS 30 of FIGS. 3a-c can also be used with a fixed Clamping can be implemented, which may require higher forces to maintain the 38 2 position, but may also allow for a more stable position in the 38 2 position.
  • a stress softening of the movable element can be exploited to a large extent to the maximum. Stress softening allows bistability and can occur when the initially curved element is loaded with compression or deformed. By clamping as in Fig. 3a-c, the softening of the stress can be adjusted, which can be used to adjust the relation between opening and closing pressure.
  • the movable element 24 can be held on at least a first side by a holding element 44 1 or 44 2 assigned to the first side on a cavity wall of the cavity 18 . In Figs. 2a-c this is shown for both sides or both ends of the beam structure of the movable element 24.
  • the movable element 24 can be curved in the first position 38 1 and can be designed to initially deform against the curvature when changing to the position 38 2 .
  • the holding element 44 1 and/or 44 2 can be formed as a resilient clamping of the movable element.
  • FIG. 6a shows a schematic top view of parts of an MMS 60 1 according to an exemplary embodiment.
  • the moveable element 24i may have a local weakening 66.
  • the local weakening 66 can be implemented, for example, as additional material or an additional axial extent. In the example of 6a, this is an inner arc pointing in the opposite direction along the positive y-direction and thus in the negative y-direction in relation to the outer arc of the remaining movable element 24, which is shown by way of example in FIG. 2a.
  • FIG. 6b shows a schematic top view of parts of an MMS 602 in which a movable element 24 2 has a wavy or zigzag bending line compared to the MMS 20 .
  • a bending line projected into the substrate plane can have a plurality of continuous (wavy) or discontinuous (zigzag or kinked) changes in a sign of a radius of curvature.
  • a radius of curvature 68 1 can thus have a first sign in relation to a curvature along the positive x-direction and a subsequent radius of curvature 68 2 along the x-direction can have the opposite sign.
  • Fig. 6c shows a schematic plan view of parts of an MMS 60 3 according to an exemplary embodiment, in which a movable element 24 3 has a plurality of at least two, at least three or more layers 72 1 , 72 2 and 72 arranged parallel to the substrate plane 3 may have.
  • the at least two layers can have different materials, different electrical potentials, different material thicknesses or the like, but can also be formed with the same one or more of these properties.
  • two of the multilayers can also be spaced apart from one another at least in regions, for example the layers in the discrete regions are mechanically firmly fixed to one another or not, without differing from one another.
  • the movable element 24 3 can, for example, as a multi-layer component, as a composite component using a metamaterial a piezo material or a special geometry can be used.
  • a metamaterial can be understood as a material that is produced by small periodic structures, which has effective properties that are not found in this form in naturally occurring materials, e.g. B. as auxetic material or as a phononic crystal.
  • a so-called nanoscopic electrostatic drive comes into consideration, for example, in which the layers are electrically isolated from one another and/or mechanically fixed to one another, at least in discrete areas, and an electrical Potential difference between two adjacent layers allows an electrostatic attraction, the one Can enable deflection of the movable element 24s and/or can be used as a sensory property for detecting a deflection generated by means of a pressure.
  • NED nanoscopic electrostatic drive
  • the MMS 6O4 has a mechanical element 74 that extends into the cavity 18 from a cavity 216c and is configured to deflect the movable element 24, or other movable element described herein, from the To limit position 38 1 by mechanical contact with the movable element 24 . This allows avoiding damage in the moveable element 24 due to excessive pressures since deflection beyond the desired position 38 2 can be limited.
  • the mechanical element 74 can be cuboid or in any other form, for example rounded, rod-shaped or comprising several components.
  • FIG. 6e shows a schematic plan view of parts of MMS 60 5 according to an exemplary embodiment.
  • the moveable element 24 is active and configured to receive a drive signal, which drive signal can be viewed as a potential difference between signal sources 76 1 and 76 3 and/or 76 2 and 76 3 .
  • the signal sources 76 1 and 76 3 are shown such that separate electrical potentials can be applied to a first electrode 78 1 arranged on a cavity wall 16d and to an electrode 78 2 arranged opposite on the cavity wall 16c, the signal sources can 76 1 and 76 2 can also apply an identical potential or the same amount of potential and, for example, be controlled in alternation over time.
  • the electrodes 78 1 and/or 78 2 can be implemented on or in the layer 16, for example.
  • electrically conductive materials can be arranged and/or a region-wise electrical conductivity of a material of layer 16 can be produced, for example by doping a semiconductor material.
  • the electrodes 78 1 and 78 2 can be arranged in such a way that an electrical capacitor can be formed together with the movable element 24, the effective direction of which is arranged parallel to the substrate plane, i.e.
  • the MMS 60 5 can be obtained as a valve that can be set electrostatically with respect to one or more switchover times from FIG. 5a or that can even be actuated electrically.
  • the movable element 24 can be active and designed to receive a control signal, and be designed to, based on the control signal, have a pressure sensitivity for the fluid for a change from the position 38 1 to the position 38 2 or vice versa.
  • the movable element for example with other signal amplitudes, to change from the first position ( 38 1 ) to the second position (38 2nd ) and/or vice versa, i.e. actively controlled.
  • the three bar structures are only selected as examples and a different number of bars can also be implemented, for example at least one, at least two or more than three, for example 4, 5, 6 or more.
  • the electrode structures of the MMS 60 5 can also be used for a sensory functionality, for example to form a sensor element that is designed to provide a sensor signal , which is associated with a deflection state of the movable element 24.
  • a corresponding sensor element can also be provided in addition to the signal sources 76 1 , 76 2 and 76 3 .
  • a MEMS can have a closed control loop (feedback/regulation) in order to set the properties of the movable element on the basis of a determined deflection or a determined behavior.
  • a control device 79 can be provided, which is designed to control the signal sources 76 1 , 76 2 and/or 76 3 and which can optionally be designed to receive a sensor signal 81 that indicates the deflection state. It can also be implemented to only receive the sensor signal 81 without providing the voltage sources 76 1 , 76 2 and/or 76 3 .
  • 6f shows a schematic plan view of parts of an MMS 60e, in which an area size of the opening 26 is different compared to an area size of the opening 28.
  • FIG. A surface area is understood here to mean a surface area that can be quantified, for example, in nn 2 ⁇ m 2 or mm 2 .
  • a surface shape of the opening 26 can be different from a surface shape of the opening 30 .
  • the opening 26 can be rectangular and the opening 28 can be trapezoidal. Both differences can be implemented independently or together. While different sizes of the surfaces of the openings 26 and 28 can also adjust the damping behavior with regard to a system in which the MMS is used, the surface shape can, for example, be adapted to the bending line or position of the movable element 24 in the first position and/or second position adjusted.
  • FIG. 6g shows a schematic plan view of parts of an MMS 60 7 according to an exemplary embodiment in which the movable element 24 is suspended asymmetrically.
  • the connecting element 44 is provided at a first end 82 1 and can extend along the positive y-direction towards the substrate layer 16, for example side 16d
  • an opposite second end 82 2 can either be clamped firmly or, as shown, by means of a soft connection element 84 or a connection element designed as a spring element, which can be designed essentially similar to the connection element 44 in terms of its characteristics, but with a different orientation, for example parallel to the x-direction, a different thickness and/or different length may have.
  • FIG. 6g shows an MMS with an asymmetrical suspension of the movable element 24, with the movable element 24 nevertheless being suspended on both sides.
  • FIG. 6a-6g show several alternative exemplary embodiments of MMS/MEMS, which differ with regard to the design of the deflectable elements.
  • the purpose of the presentation is to publish that the design of the deflectable elements can have a significant influence on the deflection and response behavior. For example, different response pressures can be addressed/adjusted by bars with local weakenings, see FIG. 6a, or complex geometries, see FIGS. 6a-b, or the volume for the pressure relief of the partial cavity can be adjusted.
  • multilayer, composite or metamaterials as a material for an alternative deflectable element, see FIG.
  • the rigidity, mass and damping of the deflectable element can be manipulated in order to better coordinate the opening pressure, the closing pressure, the opening stroke, the natural frequency and the reaction time for the respective application.
  • such materials make it possible to generate additional internal stresses in the deflectable element, which can change the balance of forces, for example in order to enable an even faster response.
  • Piezoresistive materials can also be used, which means that a defined electrical signal can be generated to detect the opening. Capacitive feedback is also possible when using an NED-based deflectable element.
  • An exemplary embodiment is proposed by the MMS/MEMS of FIG. 6d that is equipped with a stop 74 for the deflectable element 24 .
  • the volume of the respective partial cavities is advantageously set more precisely when pressure is applied.
  • the induced stress in the material of the deflectable element 24 is minimized in the deflected position, which contributes to increasing the service life of this MEMS component.
  • An example! of an MMS/MEMS of FIG. 6e shows an actively deflectable element.
  • parts of the surrounding substrate are connected to a first and second signal voltage.
  • a third part of the substrate, which is also connected to the deflectable element 24, is supplied with a third electrical signal. All signals are connected to a corresponding control device 79 and are electrically isolated from one another by electrically isolating elements.
  • the aim of this exemplary embodiment is to propose an adjustable pressure relief valve. By applying appropriate signals, the rigidity of the deflectable element and thus the response behavior can be influenced. In addition, it is also possible to hold the deflectable element in one of its two positions.
  • the exemplary embodiment of an MMS/MEMS in FIG. 6f shows the arrangement of large openings 26 and 28 and thus implies that it is possible for a person skilled in the art to adapt the design of the openings in the cover and base wafer in accordance with his/her task.
  • the exemplary embodiment of an MMS/MEMS in FIG. 6g shows an asymmetrical arrangement of the connecting elements 44. This can have a positive effect on the deflection behavior of an element 10, especially during the return movement to the starting position (hysteresis).
  • FIG. 7a shows a schematic block diagram of a system 70 1 according to an exemplary embodiment.
  • the system 70 1 includes an inventive MEMS component (MEMS BE) 86 1 according to an embodiment with a MEMS valve 88, which can be formed as an MMS 10, 20, 30, 60 1 to 60 7 , for example, or such MMS/MEMS may include.
  • MEMS BE inventive MEMS component
  • MEMS valve 88 MEMS valve 88
  • a valve direction 92 can be set by orienting layers 12 and 14 , since MMS 10 , 20 , 30 and 60 1 to 60 7 have a flow direction from layer 12 to layer 14 can.
  • a volume or chamber 94 can be separated from another volume or external environment 96 by means of the MEMS device 86 1 . While in the environment 96, for example, a pressure p can be constant, at least essentially, a pressure change can take place in the volume 94. A corresponding change in pressure can be generated, for example, when a so-called in-ear headphone or another type of headphone is inserted into an auditory canal or removed from it. A pressure difference can be generated due to the limited volume and the relatively significant change in volume.
  • a triggering pressure such as the first pressure level
  • a threshold value of dp of 1500 Pa or at 1500 Pa As long as a pressure difference dp that actually occurs is below 1500 Pa, the valve 88 can remain in the first position and, if this pressure is exceeded, which is to be avoided according to the system designs, can be triggered in order to reduce the pressure in the volume 94 .
  • Pressure relief valves described herein may be or may be set to trip at pressures of no more than 5000 Pa, preferably no more than 2000 Pa, and most preferably at about 200 Pa.
  • FIG. 7b shows a schematic block diagram of a system 70 2 according to an exemplary embodiment.
  • the system 70 2 or the MEMS device 86 2 can have two valves 88 1 and 38 2 with an MMS/MEMS described herein.
  • the system 70 1 can be set up in such a way that when the headphone is inserted into the auditory canal, an overpressure occurring there is reduced by means of the valve 88 .
  • a corresponding negative pressure can arise during removal, for which the valve 88 can possibly provide only a limited remedy.
  • valves 88 1 and 88 2 are provided in the system 70 2 or the MEMS component 86 2 .
  • the two valves 88 1 and 88 2 can have the same triggering pressure of 1500 Pa, for example, once in the positive direction for valve 88 1 and once in the negative direction for valve 882.
  • a first fluidic path 52 is provided between the opening 26 and the opening 28, see FIG. 2c. This is set up to reduce a fluid pressure on the first layer 12 and is blocked by the movable element 24 in the first position 38 1 of the movable element 24 .
  • the MMS can have a second fluidic path, which is designed to reduce a fluid pressure on the second layer by transporting the fluid to the first layer, i.e.
  • an intended third position of the movable element 24 of FIGS. 2a-c or 3a-c can be provided in order to connect at least one opening in the first layer 12 to at least one opening in the second layer.
  • a correspondingly implemented additional movable element can be provided, which is designed to connect at least one opening in the first layer 12 to at least one opening in the second layer when the additional element has the corresponding second position.
  • Example embodiments relate to a system with an MMS/MEMS according to an example embodiment described herein.
  • a system can, for example, include pressure valve with a corresponding MMS or the MMS can be formed as a pressure relief valve.
  • Example systems include headphones or any other form of implementation that includes a pressure relief valve having the features described herein.
  • FIGS. 7a and 7b show the basic functionality of the disclosed pressure relief valve.
  • the chamber represents, for example, the volume in the outer auditory canal between the MEMS component and the eardrum.
  • the pressure in the auditory canal can be subject to sudden fluctuations as a result of various events, for example the removal or insertion of a MEMS component in the auditory canal.
  • 7a shows the case where a MEMS component is inserted and a pressure increase implied thereby, which can be compensated for by opening the valve.
  • FIG. 7b shows the situation in which a negative pressure can suddenly occur in the auditory canal and the pressure has to be equalized.
  • An object of the invention that is achieved with exemplary embodiments is the provision of a device that protects the interior of a MEMS-based sound transducer from a pressure difference that is too great or occurs suddenly. Such a pressure difference makes it possible for actuators that are arranged in the MEMS to be exposed to large mechanical stresses and, as a result, to be destroyed.
  • the solution according to the invention is achieved using a device that is preferably passive and is arranged in the cavity of a MEMS-based sound transducer.
  • the passively deflected element is arranged in the cavity and connected to the surrounding substrate in such a way that it divides the cavity into two partial cavities.
  • lower outlet openings are assigned to the first partial cavity and upper outlet openings to the second partial cavity.
  • the passive element If the defined opening pressure is exceeded by this sudden pressure surge, the passive element is deformed in such a way that the geometric assignment of one or more outlet openings changes from one partial cavity to the other partial cavity, which results in a pressure equalization between the two Sub-cavity associated outlet allows / has as a result.
  • the present invention relates to a micromechanical system (MMS) or microelectromechanical system (MEMS), which is designed to derive overpressures occurring, for example, in the auditory canal of a user from the auditory canal and the loudspeaker. Overpressures arise, for example, when the loudspeaker is inserted into or removed from the auditory canal. Suddenly occurring excess pressures of this kind are harmful to the sound transducers, since they can lead to mechanical deformation of the sound transducers. Furthermore, such MEMS-based overpressure valves are not restricted to this field of application. In other words, the present invention proposes a protective device for sound transducers in the event of pressure fluctuations, which prevents mechanical overload. In addition, however, the present invention can also contain features for other MEMS-based components, for example pumps, switches and adjustable capacitors.
  • the MMS/MEMS components presented here are layer stacks that consist of at least one substrate layer in which the optional electrodes and the passive elements are arranged. Further layers relate to a base, which can also be referred to as a handling wafer, and a cover, which is also referred to as a cover wafer. Both the cover wafer and the handling wafer are connected to the substrate level using material processes, preferably bonding, which creates acoustically sealed gaps in the component. In this intermediate space, which corresponds to the device plane, the deformable components deform, in other words the deformation takes place in-plane.
  • the layers can have, for example, electrically conductive materials, for example doped semiconductor materials and/or metal materials.
  • electrically conductive layers enables a simple design, since electrodes (for deflectable elements) and passive elements can be formed by selectively removing them from the layer.
  • electrodes for deflectable elements
  • passive elements can be formed by selectively removing them from the layer.
  • electrically non-conductive materials are arranged must be, these materials are applied in layers using a deposition process.
  • the moveable member 24 may be configured to alternately have the first position 38 1 , the second position 38 2 and the third position 38 3 , one of said positions at a time. In the third position 38 3 , a higher level of fluid can flow through the cavity than in the position 38 2 .
  • the present invention shows design guidelines for the layout of a pressure relief valve. Therefore, the inventors decided to relate the geometric parameters to create a device that follows these related design parameters. Aspects of the present invention relate to:
  • MEMS contains deflectable element o deflectable element has a stress-free (mechanical) basic position o when the opening pressure in the first partial cavity is exceeded, the deflectable element assumes a new position that generates mechanical stresses in the material o as long as the pressure is maintained the same the pressure-induced force acting on the deflectable element and stress-induced force. As a result, the deflectable element remains in its position o If the pressure falls below the closing pressure, the stress-induced force is greater than the pressure-induced force and the deflectable element returns to its low-stress state o Zigzag and wavy geometries are conceivable to avoid opening pressures or to optimize opening paths o There can also be many more than just two stable positions. For example, a bar that creates a small opening with a defined flow at a first opening pressure and suddenly opens a large hole at a second opening pressure.
  • the deflectable element can be actively deflectable o
  • ANED asymmetric nanoscopic electrostatic drives/electrostatic drives, for example two beams connected to one another
  • LNED lateral nanoscopic electrostatic drives/electrostatic drives such as e.g. described in WO 2012/095185 L1
  • BNED balanced nanoscopic electrostatic drives/balanced electrostatic drives as e.g. described in WO 2020/078541 A1
  • Active adjustment of the opening pressure and the closing pressure by additional electrostatic forces preferably using DC voltage o Active opening and closing through additional electrostatic forces DC voltage or AC voltage
  • Example: o Deflectable element can generate signals to indicate opening and closing o Capacitive feedback by placing electrodes in the cavity o Capacitive feedback by using NED-based deflectable element o Piezoresistive feedback by using piezoresistive materials for the deflectable element
  • Overpressure protection device in front of MEMS-based components o beam structure arranged in cavity (design adjusted to opening pressure and closing pressure) o moves in-plane between base and cover wafer layer o releases at pressures smaller. 5000 Pa off.
  • the preferred pressure is less than 2000 Pa and particularly preferably less than 1500 Pa, with a possible upper limit being atmospheric pressure. o Closes when the closing pressure falls below o passively using snap-through functionality
  • ⁇ can assume two low-stress states, depending on the pressure conditions in the cavity.
  • aspects have been described in the context of a device, it should be understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or component of a device also counts as a corresponding method step or as a feature of a method step understand is. Similarly, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.

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Abstract

Ein MMS umfasst eine erste Schicht, die eine erste Öffnung zum Durchlässen eines Fluids aufweist. Ferner ist eine zweite Schicht, die der ersten Schicht gegenüberliegend angeordnet ist und die eine zweite Schicht zum Durchlässen des Fluids aufweist, vorgesehen. Diese bildet mit der ersten Schicht zumindest einen Teil eines Schichtstapels mit senkrecht zu einer Substratebene des MEMS verlaufenden Stapelrichtung gestapelter Schichten. Eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete Kavität ist angeordnet und weist ein entlang einer Richtung parallel zu der Substratebene bewegliches Element auf, das zumindest eine erste und eine zweite Stellung aufweist, wobei in der ersten Stellung ein Durchfluss des Fluids gehemmt ist und in der zweiten Stellung der Durchfluss des Fluids durch die Kavität entlang der Stapelrichtung ermöglicht ist.

Description

MEMS zum Kontrollieren eines Fluidstroms
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein MEMS zum Hemmen oder Ermöglichen ei- nes Durchflusses eines Fluids durch Öffnungen des MEMS. Die vorliegende Erfindung be- zieht sich insbesondere auf eine Oberschutzvorrichtung bzw. Überdruckventil in MEMS- Bauteilen.
Oberdrücke können in unterschiedlichen Bauelementen in unterschiedlichen Situationen entstehen und können für das betroffene Bauteil mit einer Materialbeanspruchung oder gar einem Schaden einhergehen.
Aus dem Stand der Technik sind Lösungen als Schutzvorrichtung vor Oberdruck hinlänglich bekannt. Unbekannter jedoch sind Technologien, die auf den oben genannten MEMS- Technologien basieren. Beispielsweise wird im Dokument US 2015/041931 eine membran- basierte Schutzvorrichtung vorgeschlagen. In einer offenen Position ermöglicht eine Memb- ran den Durchgang von Schallenergie von der Außenseite des Geräts zum Inneren des Geräts. In einer geschlossenen Position berührt die Membran eine Außenfläche der Öff- nung, um den Durchgang von Schallenergie von der Außenseite des Geräts in das Innere des Geräts zumindest teilweise zu blockieren.
Durch das Dokument US 6,590,267 ist eine Vorrichtung vorgeschlagen, die auf einem aktiv auslenkbaren Aktorprinzip beruht. Die offenbarte MEMS Ventilvorrichtung basiert auf einer Membran, die durch aktiv auslenkbare Elektrodenelemente, sowie Vorspannelemente ak- turierbar ist. Die Membran überdeckt eine Öffnung und kann relativ zu dieser durch die Elektrodenelemente bewegt werden.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist ein vergleichsweise komplexer Aufbau.
Es besteht deshalb ein Bedarf an einfachen und platzsparenden Möglichkeiten zum Ober- druckabbau.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein MEMS zu schaffen, das es ermöglicht, einen Durchfluss eines Fluids in einer einfachen und platzsparenden Architektur bereitzustellen, was es ermöglicht, entsprechend Drücke eines Fluids handzu- haben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass durch eine laterale In-Ebene (engl.: in-plane) Bewegung eines beweglichen Elements ein Durch- fluss eines Fluids gehemmt werden kann und in einer anderen Stellung desselben Elements der Durchfluss ermöglicht werden kann. Durch die Bewegung in der Ebene wird eine einfa- che mechanische Struktur erhalten, die darüber hinaus platzsparend umgesetzt werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MMS eine erste Schicht, die eine erste Öff- nung zum Durchlässen eines Fluids aufweist. Das MMS umfasst eine zweite Schicht, die der ersten Schicht gegenüberliegend angeordnet ist und die eine zweite Öffnung zum Durchlässen des Fluids aufweist. Die zweite Schicht bildet mit der ersten Schicht zumindest einen Teil eines Schichtstapels des MMS, welcher eine senkrecht zu einer Substratebene des MMS verlaufende Stapelrichtung aufweist, entlang der die Schichten des Schichtsta- pels gestapelt sind. Das MMS umfasst eine zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht angeordnete Kavität, ln der Kavität ist ein bewegliches Element angeordnet, wel- ches entlang einer Richtung parallel zu der Substratebene beweglich ist, und das eine erste und eine zweite Stellung aufweist. In der ersten Stellung ist ein Durchfluss des Fluids ge- hemmt und in der zweiten Stellung der Durchfluss des Fluids durch die Kavität entlang der Stapelrichtung ermöglicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Nachfolgend werden bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnung besonders bevor- zugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Perspektive Ansicht eines MMS gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel;
Fig. 2a eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines MMS gemäß einem weite- ren Ausführungsbeispiel, bei dem ein bewegliches Element beidseitig über Verbindungselemente mit einer Seitenwand des MMS verbunden ist; Fig. 2b eine mit Fig. 2a vergleichbare Darstellung bei der ein fluidischer Druck in einer
MMS-Kavität herrscht;
Fig. 2c eine mit Fig. 2b eine vergleichbare Darstellung, bei der das Ventil geöffnet ist;
Fig. 3a-c mit Fig. 2a-c vergleich bare schematische Draufsichten auf ein MMS gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element an Balkenen- den und vermittels Befestigungsbereiche eingespannt ist;
Fig. 3d eine schematische Ansicht eines Zustands des MMS aus Fig. 3a, bei dem das bewegliche Element in einer ersten Stellung angeordnet ist;
Fig. 3e eine schematische Seitenschnittansicht des MMS aus Fig. 3d, bei dem das bewegliche Element in einem zweiten Zustand angeordnet ist;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Teils eines MMS aus Fig. 2a zur Erläu- terung von einzelnen Abmessungen gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 5a eine schematische Funktion mit einer Verschiebung (engt.: displacement) ei- nes beweglichen Elements eines Ausführungsbeispiels gegenüber einem Ni- veau des angelegten Drucks;
Fig. 5b schematische Darstellungen von Kurven zur Erläuterung, dass vermitels der in Fig. 5a dargestellten Auslegung des auftretenden Drucks in der Kavität das Druckniveau stets so gehalten werden kann, dass eine potenzielle Schädi- gung einer Struktur vermieden wird;
Fig. 6a-6g schematische Draufsichten auf mögliche Ausgestaltungen eines MMS bzw, des beweglichen Elements gemäß Ausführungsbeispielen;
Fig. 7a ein schematisches Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Ausführungs- beispiel mit einem unidirektionalen Ventil; und
Fig. 7b ein schematisches Blockschaltbild eines Systems gemäß einem Ausführungs- beispiel mit einer bidrektionalen Oberdruckventilfunktion 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.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikroelektromechani- sche Strukturen (MEMS). MEMS können unter Verwendung von Halbleitermaterialien, etwa Siliziummaterialien, hergestellt werden, wobei alternativ oder zusätzlich auch andere Mate- rialien, etwa metallische Materialien oder dergleichen, verwendet werden können.
Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich insbesondere auf mikromechani- sche Strukturen (MMS), von denen im engeren Wortsinn MEMS eine Untergruppe bilden, da MEMS mikroelektromechanische Systeme beschreiben.
Wie es nachfolgend im Detail ausgeführt wird, können ähnliche Ausführungsbeispiele sen- sorische Eigenschaften und/oder aktuatorische Eigenschaften aufweisen, die ein MMS zu einem MEMS machen können. Jedoch sind andere Aspekte hierin beschriebener Ausfüh- rungsbeispiele nicht auf derartige sensorische und/oder aktuatorische Eigenschaften be- schränkt. Deshalb sind auch derartige Ausführungsformen, die hierin als MEMS beschrie- ben werden, nicht notwendigerweise für eine Verwendung und/oder Erzeugung eines elektrischen Signals ausgelegt. Vielmehr wird der Begriff „MMS“ und „MEMS“ im Zusam- menhang mit den hierin beschriebenen Ausführungsformen synonym verwendet.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass die eingangs genannten Publikationen Lösungen zeigen, die nachteilig darauf beschränkt sind eine Bewegung einer Membran aus der Schichtebene eines MEMS-Schichtstapels heraus zu realisieren. Darüber hinaus müssen die Membran und die entsprechende Fläche, auf der die Membran zu Abdichtungszwecken aufliegt, aufeinander abgestimmt sein um eine ausreichend hohe Dichtwirkung zu errei- chen. In anderen Worten muss eine Vorrichtung geschaffen werden, bei der zum Öffnen und Schließen nur sehr geringe Massen über einen kurzen Weg bewegt werden müssen. Nachteilig sind diesen Dokumenten keine Merkmale zu entnehmen wie eine passive Ober- druck-Schutzvorrichtung für MEMS ausgestaltet sein kann.
Diese Out-Of-Plane-Bewegung erfordert jedoch eine komplexe Struktur eines entsprechen- den Ventils, um zuverlässig den Fluidstrom zu unterbrechen.
Fig. 1 zeigt eine schematische Perspektive Ansicht eines MMS 10 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel. Das MMS 10 umfasst eine erste Schicht 12 und eine zweite Schicht 14, die beispielsweise umfassend einem mit MMS/MEMS-Prozessen kompatiblen Material gebil- det sein können, beispielsweise ein Halbleitermaterial. Zur besseren verständlichen Dar- stellung ist die Schicht 14 ebenso wie die Schicht 16 dabei lediglich teilweise dargestellt.
Optional können die Schichten 12 und/oder 14 ganz oder teilweise andere Materialien, etwa Metallmaterialien oder dergleichen, umfassen und/oder basierend auf einer Dotierung zu- mindest bereichsweise elektrisch leitfähig gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können elektrisch isolierende Materialien, wie beispielsweise Oxidmaterialien oder Nitrid-Materia- lien, angeordnet sein. Zwischen der ersten Schicht 12 und der zweiten Schicht 14 ist eine optionale dritte Schicht 16 angeordnet, deren Eigenschaft, eine Kavität 18 zwischen der ersten Schicht 12 und der zweiten Schicht 14 mit zu begrenzen, aber auch anderweitig implementiert werden kann, beispielsweise, indem in die erste Schicht 12 und/oder in die zweite Schicht 14 Vertiefungen oder Gräben eingebracht werden, um bei einem direkten Zusammenfügen der Schichten 12 und 14 dennoch die Kavität 18 zu erhalten.
Die Schichten 12 und 14 bilden zumindest einen Teil des Schichtstapels 22, der in dem vorliegenden Fall auch die Schicht 16 umfasst. Auch die Schicht 16 kann, wenn sie ange- ordnet ist, aus MMS/MEMS-kompatiblen Materialien gebildet sein wie die Schichten 12 und/oder 14.
In der Kavität 18 ist ein bewegliches Element 24 angeordnet. Das bewegliche Element 24 kann beispielsweise durch selektives Entfernen von Material der Schicht 16 aus der Schicht 16 herausgebildet werden. Alternativ ist es ebenfalls möglich, das bewegliche Element 24 in die Kavität 18 hineinzubringen und/oder zu befördern und darin zu fixieren. In bevorzug- ten Ausführungsbeispielen ist das bewegliche Element 24 ein Biegebalken bzw. deformier- bares Element, das einseitig oder zweiseitig eingespannt angeordnet ist und zumindest teilweise aber bevorzugt gegenüber den Schichten 12 und 14 aufhängungsfrei ist. Bei- spielsweise kann das bewegliche Element 24 aus der Schicht 16 herausgelöst werden, beispielsweise durch selektive Ätzprozesse.
Der Schichtstapel 22 kann somit zumindest zwei Schichten aber auch mehrere Schichten umfassen, insbesondere da auch zu den Schichten 12, 14 und optional 16 weitere Schich- ten angeordnet sein können. Die Schichten 12, 14 und/oder 16 können mit benachbarten Schichten beispielsweise vermittels eines Bondprozesses mit benachbarten Schichten me- chanisch fest verbunden werden. Auch wenn hierdurch keine neuen Schichten im Sinne eines Schichtstapels entstehen, so können dennoch Materialien für die Schnittstelle zwi- schen der beiden Schichten erzeugt werden.
Die Schicht 12 weist eine Öffnung 26 auf. Obwohl die Öffnung 26 als einzelne, zwei gegen- überliegende Hauptseiten 12A und 12B der Schicht 12 verbindende Öffnung dargestellt ist, kann die Öffnung 26 auch durch zwei oder mehrere Teilöffnungen implementiert werden.
Ebenso weist die Schicht 14 eine Öffnung 28 auf, die eine nicht dargestellte erste Haupt- seite und eine gegenüberliegend angeordnete Hauptseite 14B der Schicht 14 miteinander verbindet. Durch die Öffnung 26 kann ein Fluid 32 hindurchströmen, also eine Flüssigkeit und/oder ein Gas. Ebenso kann durch die Öffnung 28 das Fluid 32 hindurchströmen. Dadurch kann zwischen den Öffnungen 26 und 28 ein Durchfluss durch einen fluidischen Pfad erzeugt werden.
In der in Fig. 1 durch durchgezogene Linien dargestellten Stellung des beweglichen Ele- ments 24 blockiert allerdings das bewegliche Element 24 den Durchfluss des Fluids 32 von der Öffnung 26 hin zu der Öffnung 28. Das bedeutet, der Durchfluss des Fluids 32 durch die Kavität 18, insbesondere von der Öffnung 26 zu der Öffnung 28 oder andersherum, ist gehemmt. Dabei ist das bewegliche Element 24 in der Kavität so ausgedehnt, dass ein akustischer oder fluidischer Kurzschluss zwischen Teilkavitäten 341 und 342, die sich an gegenüberliegenden Seiten des beweglichen 24 in der Kavität 18 bilden, verhindert ist. Das bedeutet, zu Seitenwänden 361 und/oder 362, zu denen das bewegliche Element 24 be- nachbart angeordnet ist oder daran angeordnet ist, kann das bewegliche Element 24 einen geringen oder gar keinen Abstand aufweisen. Die Seitenwinde 361 und/oder 362 müssen dabei nicht gegenüberliegend zueinander angeordnet sein und können gemäß Ausfüh- rungsbeispielen auch durch eine einzige Seitenwand implementiert werden, wie es im Zu- sammenhang mit Ausführungsbeispielen beschrieben ist.
Ebenso kann ein Abstand zwischen dem beweglichen Element 24 und der Schicht 12 und der Schicht 14 gering gehalten werden, um fluidische Verluste durch ein Durchströmen ei- nes verbleibenden Spalts gering zu halten, also keinen akustischen oder fluidischen Kurz- schluss zu erzeugen, und dennoch eine Bewegung des beweglichen Elements 24 zu er- möglichen. Ein solcher Spalt kann beispielsweise durch Entfernen oder Weglassen einer Bonding-Schicht zwischen den Schichten 16 und 12 bzw. 14 erhalten werden, etwa durch selektives Ätzen oder Aussparen einer entsprechenden Schicht.
Das bewegliche Element 24 ist aber aus der mittels durchgezogenen Linien dargestellten ersten Stellung in eine vermittels gestrichelter Linien dargestellte zweite Stellung bewegbar. Eine entsprechende Bewegung bzw. ein Wechsel zwischen der Stellung 381 und 382 kann eine Verschiebung des beweglichen Elements 24 umfassen, umfasst aber bevorzugt eine Deformierung desselben.
Das MMS 10 kann Ebenen aufweisen, die parallel zu einer sogenannten Substratebene angeordnet sind, die in Fig. 1 als x/y-Ebene bezeichnet ist und beispielsweise als eine Ebene verstanden werden kann, parallel zu der eine oder mehrere Schichten 12, 14 oder 16 während eines Herstellungsprozesses des MMS 10 angeordnet werden. Beispielsweise können Hauptseiten von Wafern parallel zu der x/y-Ebene angeordnet sein und somit die Substratebene definieren.
Senkrecht hierzu kann eine Richtung z als Stapelrichtung bezeichnet werden, entlang der die Schichten 12, 14 und optional 16 gestapelt sind.
Das bewegliche Element 24 führt den Wechsel zwischen der Stellung 381 und 382 innerhalb der x/y-Ebene, also in-plane, aus.
Beispielsweise bewegt sich das bewegliche Element 24 bei dem Übergang in die Stellung 382 so, dass es jenseits der Öffnung 28 angeordnet ist, wenn es die Stellung 382 erreicht, was durch die Achse 42 dargestellt ist. In der ersten Stellung 381 kann sich das bewegliche Element 24 entlang negativer x-Richtung ausgehend von der Achse 42 befinden und in der Stellung 382 in positiver x-Richtung ausgehend von der Achse 42. Dadurch kann derfluidische Pfad zwischen den Öffnungen 26 und 28 freigelegt werden, so dass der Durchfluss des Fluids 32 durch die Kavität 18 ermöglicht ist.
Durch die Orientierung der Öffnungen 26 und 28 erfolgt der Durchfluss unter anderem ent- lang der Stapelrichtung z, auch wenn die Öffnungen 26 und 28 entlang der x-Richtung und/oder y-Richtung verschoben zueinander sein können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das MMS 10 als Überdruckventil gebildet sein und ausgebildet sein, um bei einem Überdruck an der ersten Schicht, insbesondere an der Hauptseite 12A, das bewegliche Element 24 von der Stellung 381 in die Stellung 382 zu bewegen. Das kann so verstanden werden, dass das Fluid 32 beispielsweise durch die Öffnung 26 eindringen kann und einen Druckanstieg in der Teilkavität 341 bewirken kann. Dieser Druckanstieg kann, eine Druckdifferenz zur Teilkavität 342, etwa zur Hauptseite 14 der Schicht 14 angenommen, bewirken, dass eine Kraft auf das bewegliche Element 24 ausgeübt wird, die zum Übergang zwischen der Stellung 381 und 382 führt.
Fig. 2a zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines MMS 20 gemäß einem Aus- führungsbeispiel. Die Erläuterungen zum MMS 10 treffen auch auf das MMS 20 zu. Das bewegliche Element 24 des MMS 20 ist beidseitig über Verbindungselemente 441 und 442 mit einer Seitenwand 16c der Schicht 16 verbunden.
Die Verbindungselemente 441 und 442 können ebenso wie das bewegliche Element 24 ei- nen Übertritt von Fluid zwischen den Teilkavitäten 341 und 342 in einem zumindest relevan- ten Umfang limitieren oder behindern oder verhindern. Dadurch erfolgt eine nennenswerte Hemmung eines Durchflusses von Fluid von den Teilöffnungen 261 und 262 hin zu der Öff- nung 281.
Die Verbindungselemente 441 und 442 können optional an Verbindungsstellen 461 zur Schicht 16 und/oder 462 zum beweglichen Element 24 als eine Art Festkörpergelenk oder anderes elastisches Element ausgestaltet sein, insbesondere mit einer Steifigkeit, die klein oder gleich ist als die Steifigkeit des auslenkbaren Elements, insbesondere, um eine ge- wisse Flexibilität entlang positiver und/oder negativer x-Richtung zu ermöglichen.
Ausgehend von der Darstellung in der Fig. 2a, in welcher das bewegliche Element 24 in der ersten Stellung 381 angeordnet ist, zeigt die Fig. 2b eine vergleichbare Darstellung, bei der in der Teilkavität 34 ein Druck 48 aufgebaut wird, das bedeutet, eine Druckdifferenz ge- genüber der Teilkavität 342, etwa indem Fluid durch die Teilöffnungen 261 und/oder 262 in die Teilkavität 34 hineinströmt. Dies ist jedoch gleichbedeutend mit einem Herausströmen von Fluid aus zumindest einer der Teilöffnungen 281, 282 und 283 in der nicht dargestellten Schicht 14. Ein so erzeugter Unterdrück in der Teilkavität 342 ist gleichwirkend mit einem Überdruck in der Teilkavität 341.
Fig. 2c zeigt eine schematische Draufsicht auf das MMS 20, bei dem das bewegliche Ele- ment 24 in der zweiten Stellung 382 ist, was beispielsweise durch den Druck 48 bewirkt wurde. Beispielsweise ist das Ventil geöffnet. Hierdurch überstreicht das bewegliche Ele- ment 24 beispielsweise die Öffnung 281, während es die Öffnungen 261 und 262 zumindest nicht vollständig überstreicht. Dadurch kann ein fluidischer Pfad zwischen den Öffnungen 261 und 262 einerseits und der Öffnung 282 von dem beweglichen Element 24 freigelegt werden und das Fluid 32 entsprechend strömen.
Wird nun beispielsweise die Fig. 2a betrachtet, so könnte das bewegliche Element 24 in anderer Anordnung der Öffnungen und/oder einzelnen Elemente auch die Öffnung 261 und/oder 262 überstreichen und in diese Richtung ausgelenkt werden, um so ebenfalls eine Passage zwischen den Öffnungen 261/262 einerseits und 281, gegebenenfalls zusätzlicher Öffnungen in der Schicht 14, andererseits freizulegen.
Als Überstreichen im Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel wird dabei nicht not- wendigerweise eine bestimmte Anordnung im Raum im Sinne von oberhalb oder unterhalb verstanden, da derartige relative Begrifflichkeiten ebenso wie vorne, hinten, links, rechts und weitere Bezeichnungen im Raum wechselseitig vertauschbar sind, indem beispiels- weise das MMS gedreht wird.
Als Überstreichen wird verstanden, dass das bewegliche Element 24, welches in einer an- deren Ebene entlang der z-Richtung positioniert ist als die Öffnungen 26 und 28, an dem überstrichenen Element vorbeiläuft.
Zwar ist es gemäß Ausführungsbeispielen möglich, dass eine Bewegungsamplitude des beweglichen Elements 24 mit einer Stärke des Drucks 48 direkt unmittelbar zusammen- hängt. Besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele schaffen aber MMS, bei denen die zweite Stellung 382 in gewissem Rahmen ebenfalls eine stabile Position ist, die erreicht wird, indem der Druck 48 der Fig. 2b stark genug ist, um eine Auslenkung des beweglichen Elements 24 zu erzeugen, dann aber eine Art Umschnappen (engl.: Snap-Through) erfolgt, die eine beispielsweise in der Fig. 2c dargestellte Verbiegung oder Verformung des beweg- lichen Elements 24 bewirken kann, die bei anfänglicher Zurücknahme des Druckniveaus des Drucks 48 zunächst stabil bleibt, bis ein gewisses unteres Druckniveau erreicht wird, was im späteren Zusammenhang noch detailliert erläutert wird.
Was in Fig. 2c ebenfalls ersichtlich ist, ist, dass aufgrund der Umformung bzw. Deformation des beweglichen Elements 24 die Verbindungselemente 441 und 242 entlang negativer bzw. positiver x-Richtung ausgelenkt werden, was es erlaubt, Materialspannungen in dem be- weglichen Element 24 und/oder den Verbindungselementen 441 und 442 während des Wechsels von der Stellung 381 in die Stellung 382 und/oder zurück gering zu halten.
Der Zustand der Fig. 2a, das bedeutet, die erste Stellung kann dabei als spannungsarm oder vereinfacht spannungsfrei beschrieben werden. Dies bezeichnet einen Zustand, bei dem ein Niveau mechanischer Spannungen gering oder minimal ist. In der Stellung 382 der Fig. 2c kann das bewegliche Element 24 einen demgegenüber spannungsreichen Zustand aufweisen. Unter Abbau dieser mechanischen Spannung kann das bewegliche Element 24 von der Stellung 382 in die Stellung 381 zurückwechseln. Das bedeutet, ähnlich einem aus- gelenkten Federelement kann kinetische Energie in dem beweglichen Element 24 und/oder den Verbindungselementen 441/442 gespeichert werden, um die Rückbewegung zu ermög- lichen.
Es ist beispielsweise vorstellbar, dass bei einem weiteren Anstieg des Drucks, obwohl be- reits die zweite Stellung 382 erhalten ist, eine weitere Steilung eingenommen wird, in der beispielsweise zusätzliche Öffnungen 28 in den fluidischen Pfad mit einbezogen werden, um das Maß des Druckaufbaus zu erhöhen. Es bedeutet, es ist möglich, dass in der zweiten Stellung eine erste Fläche der zweiten Schicht für den fluidischen Pfad geöffnet ist und in einer zusätzlichen dritten Stellung eine demgegenüber vergrößerte Fläche. Der Zuwachs kann eine Verdoppelung aber auch ein beliebiger anderer Faktor sein und beispielsweise durch Dimensionierung der Öffnungen 282 und/oder 283 eingestellt werden.
In den Fig. 2a-c ist ebenfalls erkennbar, dass die Kavität 18 in die Teilkavitäten 341 und 342 unterteilt ist. Durch Anordnung zusätzlicher Elemente kann die Kavität 18 auch in eine hö- here Anzahl an Teilkavitäten unterteilt werden. An einer ersten Seite 24A des beweglichen Elements 24 ist die Teilkavität 341 angeordnet. An einer gegenüberliegenden Seite 24B ist die Teilkavität 342 angeordnet. Dies erfordert nicht zwingend einen unmittelbaren Kontakt zwischen einer Seitenfläche des beweglichen Elements 24 und dem Fluid in der Teilkavität, da beispielsweise auch zusätzliche Elemente an der Seite 24A und/oder 24B angeordnet werden können, beispielsweise verschiebbare Platten oder dergleichen. Aber auch in die- sem Fall ist die Teilkavität 341 mit der Öffnung 26 bzw. den Teilöffnungen 261 und/oder 262 fluidisch gekoppelt. Bei dem Wechsel von der Stellung 381 in die Stellung 382 wird ein Vo- lumen der Teilkavität 341 in Ausführungsbeispielen vergrößert, bis die Teilkavität 341 auch mit der Öffnung 281 und/oder 282 und/oder 283 in der gegenüberliegenden Schicht 14 flui- disch gekoppelt ist, um den Durchfluss des Fluids 32 zu ermöglichen.
Als Vergrößerung des Teilvolumens ist vorzugsweise aber nicht notwendigerweise ein Vo- lumeninhalt der Teilkavität zu verstehen. Allerdings kann der Effekt des Freiräumens des fluidischen Pfades 52 auch dann erhalten werden, wenn die Teilkavität 341 beispielsweise an einer dem beweglichen Element 24 abgewandten Seite gleichzeitig verkleinert wird, etwa wenn anstelle der Seite 16c ein weiteres flexibles Element, etwa ein parallel geschal- tetes bewegliches Element, angeordnet ist. Vielmehr genügt es, wenn vermittels der Bewe- gung und/oder Deformation zum Erhalt der Stellung 382 eine gegenüberliegende Öffnung 281, 282 und/oder 283 fluidisch mit der Öffnung 261 bzw. 262 gekoppelt wird.
In anderen Worten zeigen Fig. 2a-c in Draufsichten ein MEMS oder ein Teil eines MEMS 20 bestehend aus einem auslenkbaren Element 24, dass über Verbindungselemente 44 mit dem umgebenden Substrat verbunden ist. Dabei sind die Übergangsbereiche 461 und 462 derart gestaltet, dass die Steifigkeit in diesem Bereich gleich oder kleiner ist als die des auslenkbaren Elements 24, dem Verbindungselement 44 und dem Substrat. In anderen Worten ist hier eine Verformung des auslenkbaren Elements 24 und dem Verbindungsbe- reich 44 im elastischen Bereich des verwendeten Werkstoffes möglich, sodass diese nach einer Auslenkung in ihre Ausgangstagen zurückkehren können. Dargestellt sind drei ver- schiedenen Zustände des MEMS 20. Der in Fig. 2a dargestellt Zustand ist der Ruhezustand des auslenkbaren Elements 24. Es ist derart angeordnet, dass die Gesamtkavität, die durch das umgebende Substrat 16, sowie Bodenwafer 12 und Deckelwafer (nicht dargestellt) in eine erste Teilkavität 341 und eine zweite Teilkavität 342 unterteilt ist. Die Höhe des Verbin- dungselements und des auslenkbaren Elements entsprechen in etwa der Höhe der Kavität, sodass der entstehende Spalt zwischen Decketwafer, den Bewegungselementen und Bo- denwafer jeweils minimal ist. Durch die Vergrößerung des entstehenden Spaltes kann die Empfindlichkeit gegenüber langsamen Druckänderungen reduziert werden, d.h. es wird bei einem größerem Spalt (z.B. >10 um) nur bei schlagartigen Druckspitzen geöffnet. Es soll eine ungehinderte Bewegung des auslenkbaren Elements und der Verbindungselemente möglich sein, ohne jedoch einen akustischen Kurzschluss herbei zu führen. In anderen Worten soll ein relevanter Volumenstrom zwischen beiden Teilkavitäten unterbunden wer- den. Die Teilkavitäten 341 und 342 sind jeweils über Öffnungen 26 im Bodenwafer 12 oder Öffnungen 28 im Deckelwafer 14 (nicht dargestellt) mit dem umgebenden Fluid verbunden. Über diese Öffnungen kann Fluid in die Kavität eintreten oder aus dieser entweichen oder herausbefördert werden.
Die Fig. 2b zeigt in einer Draufsicht das MEMS 20 in einem Zeitintervall des Auslenkungs- verfahrens des auslenkbaren Elements 24. Mit 48 ist der auf das auslenkbare Element 24 einwirkende Druck dargestellt, der sich durch ein Befüllen der Kavität 34 durch die Öffnun- gen 26 ergibt.
Die Fig. 2c zeigt in einer Draufsicht das MEMS 20 in einem Zeitintervall des Auslenkungs- verfahrens in dem der einwirkende Druck über den spezifischen öffnungsdruck des aus- lenkbaren Elements 24 überschritten hat. Das auslenkbare Element 24 und die Verbin- dungselemente nehmen eine neue spannungsbehaftete Position ein, die so lange aufrecht erhalten wird, wie der Wert des Druckes in der Kavität 44 zwischen dem spez. Öffnungs- druck und dem spez. Schließdruck liegt. Dabei vergrößert sich das Volumen der Teilkavität 341 in der Art, dass die Teilkavität zusätzlich mit einer Öffnung 281 im Deckelwafer 14 (nicht dargestellt) verbunden wird. Durch diese Öffnung kann Fluid aus der Teilkavität 341 entwei- chen, wodurch der Druck in der Teilkavität 341 absinkt. Sinkt der Druck unter den spezifi- schen Schließdruck kann das auslenkbare Element 24 und das Verbindungselement 44 einen spannungsfreien Zustand einnehmen und in seine Ausgangslage zurückkehren, wie es beispielhaft anhand von Fig. 5a erläutert ist.
Die Fig. 3a-c zeigen schematische Draufsichten auf ein MMS 30 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel. Verglichen mit dem MMS 20 kann eine vergleichbare Funktionalität erhalten werden, allerdings kann das bewegliche Element 24 an Balkenenden und vermittels Befes- tigungsbereiche 5411 und 542 an Seiten 16a und 16b der Schicht 16 fest eingespannt sein, was eine verglichen mit dem MMS 20 einfachere Herstellung ermöglichen kann, aber zu höheren Materialbelastungen im beweglichen Element 24 führen kann. Gleichzeitig wird, wie in Fig. 3c schematisch dargestellt, eine gegenüber dem MMS 20 veränderte Biegelinie im Zustand 382 erhalten, was durch die Auslegung der Einspannungen in den Befestigungs- bereichen 5411 und/oder 542 eingestellt werden kann. Das bewegliche Element 24 kann da- bei wie ein Biegebalken betrachtet werden und entsprechend der mechanischen Grund- kenntnisse des Fachmanns durch die Orientierung und/oder Auslegung der Befestigungs- bereiche 541 und/oder 542 bezüglich der Biegelinie im Zustand 382 ausgelegt werden.
In der Fig. 3c ist eine Schnittlinie 56 der Ebene A-A dargestellt, welche anhand der Fig. 3d und 3E näher erläutert werden, die jeweils schematische Schnittdarstellungen des MMS 30 entlang der Schnittachse A-A darstellen.
In Fig. 3d ist das MMS 30 in einem Zustand dargestellt, bei dem das bewegliche Element 24 in der ersten Stellung 381 angeordnet ist, was mit der Darstellung der Fig. 3a und 3b vergleichbar ist. Gleichzeitig herrscht ein Druckgefälle zwischen den Seiten 12A und 14B, indem ein Druck p2 an der Öffnung 262 der Schicht 12 anliegt, welcher größer ist als ein Druck p1 an der Schicht 14 bzw. in den Öffnungen 281 und 283 oder der Seite 14B.
Wie es im Zusammenhang mit der Fig. 3c beschrieben ist, kann dies dazu führen, dass das bewegliche Element 24 in den in Fig. 3e dargestellten zweiten Zustand 382 wechselt und den fluidischen Pfad 52 freilegt, durch welchen das Fluid 32 strömen kann, wodurch es ermöglicht wird, dass an beiden Seiten 12A und 14B des MMS 30 derselbe Druck anliegt und der Druck p2 der Fig.3 d abgebaut werden kann, was durch den Druck p3 dargestellt ist, der bspw. verglichen mit dem Druck p2 reduziert ist und gegenüber dem Druck p1 er- höht. An der Öffnung 283 kann sich dieselbe, eine andere oder keine Druckveränderung einstellen, was von einem zeitlichen Verlauf und/oder einem Aufbau in der Kavität beein- flusst sein kann. Im weiteren, nicht dargestellten Zustand kann sich dann nach erfolgtem Druckabbau der Schließdruck des Ventils einstellen, bis zu welchem der fluidische Pfad geöffnet bleibt. Die übrigbleibende Differenz zwischen p3 und p1 an der Öffnung 283 kann bspw. durch den Schließdruck definiert werden.
Die Öffnung 283 ist dabei lediglich aufgrund der Schnittdarstellung dargestellt. Es zeigt sich, dass hier die Funktionalität als Ventil oder Überdruckventil die Öffnung 283 nicht notwendi- gerweise erforderlich ist.
Das MMS 30 kann ebenso wie das MMS 20, siehe hierzu die Fig. 2c, in der Stellung 381 eine erste Biegelinie aufweisen, die in der dargestellten Draufsicht der Fig. 2a bzw. 3a er- kennbar ist. ln der zweiten Stellung 382 kann eine zweite Biegelinie erhalten werden, die in den Fig. 2c bzw. 3c erkennbar ist. Die zweite Biegelinie kann geometrisch unähnlich zu der ersten Biegelinie sein. Hierdurch kann unter Verbleib der jeweiligen Einspannung eine asymmetrische Kraft beim Wechsel von der ersten Stellung 381 in die zweite Stellung 382 einerseits und zurück in die erste Stellung 381 andererseits erhalten werden.
In anderen Worten zeigen die Fig. 3a bis 3c ein alternatives MEMS 30 bei dem das aus- lenkbare Element 24 direkt mit dem umgebenden Substrat 16 verbunden ist. Der Vorgang der Auslenkung unterscheidet sich nicht zum MEMS 20.
Die Fig. 3d und 3d zeigen eine Schnittdarstellung entlang des Schnittes A-A in Fig. 3c. In Fig. 3d ist dargestellt das eine Kavität zwischen dem Boden- und Deckelwafer 12 und 14 und dem umgebenden Substrat 16 in der Deviceebene gebildet ist. Diese Kavität ist durch die beiden Teilkavitäten 34 und 342 gebildet, die voneinander durch das auslenkbare Ele- ment 24 getrennt sind. Weiterhin ist dargestellt, dass die Öffnungen 26 im Bodenwafer 12 die Teilkavität 34 mit dem umgebenden Fluid verbindet. Die Öffnungen 28 sind im Deckel- wafer 14 angeordnet und verbinden die Teilkavität 342 mit dem umgebenden Fluid. Fig. 3e zeigt den Moment des Druckausgleichs, nachdem in der Teilkavität 341 der Druck zuge- nommen hat und das auslenkbare Element 24 in seine spannungsbehaftete Position ver- formt ist. Hierbei erfolgt eine Verbindung der Teilkavität 341 mit einer der Öffnungen 28 im Deckelwafer 14, infolge dessen ein Volumenstrom des Fluids 32 in der Teilkavität 34 Fluid aus der Teilkavität 34 durch die Öffnung 281 herausbefördert. Der Volumenstrom stoppt, sobald in der Teilkavität 341 Umgebungsdruck herrscht oder ein unteres Druckniveau er- reicht ist.
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt des MMS 20 aus Fig. 2a zur Erläuterung möglicher, jedoch nicht notwendigerweise obligatorischer Auslegungskri- terien und/oder Strukturgrößen.
Die Fig. 4 zeigt das auslenkbare Element 24, dass mittels der Verbindungsbereiche 462, 464 mit den Verbindungselementen 44 verbunden ist. Nur in abstrakter Form ist das umge- bende Substrat 16 dargestellt. Diese Darstellung soll über die geometrischen Verhältnisse der Elemente zueinander Auskunft geben. Das auslenkbare Element 24 ist in einem nicht ausgelenkten Zustand dargestellt, das heißt der Werkstoff nimmt einen spannungsarmen Zustand ein. In diesem Zustand beträgt der minimale Abstand des Elements 24 zur Sub- stratseite 16a Werte zwischen hA = 1 μm - 100 μm, bevorzugt 20 μm - 40 μm. Der Abstand zur Substratseite 16b nimmt Werte zwischen hB = 1 μm-100 μm, bevorzugt 20 μm-40 μm ein. Wobei hB in diesem Auslenkungszustand immer größer ist als hA. Weitere geometrische Parameter sind die Länge I des auslenkbaren Elements 24, sowie die Länge b der Verbin- dungselemente 44. Der Parameter I nimmt Werte zwischen 100 μm < I < 9 mm ein. Die Länge l des auslenkbaren Elements 24 und die Länge b der Verbindungselemente 44 ste- hen dabei im nachfolgenden Verhältnis:
Figure imgf000017_0003
In anderen Worten kann beispielsweise die Länge des auslenkbaren Elements größer sein als die Länge des Verbindungselements. Weiterhin ist das auslenkbare Element 24 über den Krümmungsradius R gekennzeichnet. Dieser Radius liegt typischerweise in einem Be- reich 50 μm<R< ∞ oder -∞ > R>- 50 μm. Der Radius R und die Länge l des auslenkbaren Elements stehen dabei im nachfolgenden Verhältnis:
Figure imgf000017_0004
Das bedeutet, dass das auslenkbare Element ein gerader Balken sein kann, oder bogen- förmig, etwa halbmondförmig ausgebildet sein kann.
Die Breite des auslenkbaren Elements 24 ist mit ti beschrieben. Das Verhältnis der Länge zur Breite des auslenkbaren Elements ist durch folgende Beziehung gekennzeichnet:
Figure imgf000017_0001
In anderen Worten ist die Breite des auslenkbaren Elements immer kleiner als dessen Länge.
Weiterhin weisen das Verbindungselement 44 eine Breite tb auf die in folgendem Verhältnis zur Länge b des Verbindungselements 44 steht:
Figure imgf000017_0002
Dabei kann tb immer Werte einnehmen die beispielsweise kleiner als b sind. Es versteht sich, dass diese Ausführungen lediglich beispielhafter Natur sind, um bevor- zugte Ausführungsformen zu erläutern.
Eine Schnelligkeit oder Geschwindigkeit der Bewegung und/oder Reaktion kann über die Parameter hA und/oder hB beeinflusst werden. Bei einem vergleichsweise geringen Wert von hA und hB, wird das Ventil verzögert schließen, es kann bspw. eine so genannte Squeeze-Film Dämpfung auftreten. Damit kann bspw. eingestellt werden vergleichsweise kurze Druck-Impulse zuzulassen, vergleichbar mit einer trägen elektrischen Sicherung, ohne dass das Ventil den gesamten Druck abbaut. Wenn hA und hB vergleichsweise groß gewählt werden, kann die Empfindlichkeit auf Kosten der Baugröße vergrößert werden.
Die Fig. 5a und 5b werden herangezogen, um die mehrfach stabile bzw. zumindest teil- stabile Ausgestaltung der Zustände der MMS 20 und MMS 30 zu erläutern.
So zeigt Fig. 5a eine schematische Funktion mit einer Verschiebung (engl.: displacement) des beweglichen Elements 24 an der Abszisse gegenüber einem Niveau des Drucks 48, wie er beispielsweise in den Fig. 2b, 3b oder 4 dargestellt ist. Die Fig. 5a zeigt die darge- stellten Informationen in einer anschaulichen Variante. Dabei ist aber unverändert die Ver- schiebung y des beweglichen Elements eine Funktion des Drucks p, also y=f(p).
In einem ersten Abschnitt 581 der dargestellten Kurve 62 kann ein direkter Zusammenhang zwischen der Verschiebung, beispielsweise entlang der y-Richtung, und dem auftretenden Druck 48 bzw. des Niveaus eingestellt werden. Dieses Verhältnis kann linear sein, dies ist aber nicht erforderlich. Bei Erreichen eines ersten Druckniveaus 481 kann ein Umschnap- pen (engl.: Snap-Through) erfolgen und beispielsweise die in den Fig. 2c und 3c dargestell- ten Stellungen 302 erhalten werden. Die Verschiebung kann in einen Bereich 682 eintreten, in welchem ein Übergang zwischen „geschlossen“ und „geöffnet“ erfolgt, d. h., die beiden Zustände können jeweils teilweise und in Kombination mit einander voriiegen.
Vielmehr ist aber in der Fig. 5a erkennbar, dass eine Rücknahme des Drucks ausgehend von dem Druckniveau 481 nicht sofort zu einer Zurückbewegung des beweglichen Elements 24 führt, sondern ein Zurückschnappen (engl.: Snap-Back) erst bei Erreichen eines zweiten, niedrigeren Druckniveaus 482 erfolgt, was ebenso schlagartig erfolgen kann wie das Snap- Through beim Druckniveau 481. Die Fig. 5b zeigt anhand von Kurven 641 und 642, dass vermittels der in Fig. 5a dargestellten Auslegung des auftretenden Drucks in der Kavität 18 (Kurve 642) das Druckniveau stets so gehalten werden kann, dass eine potenzielle Schädigung bei einem Druckniveau 48krit nicht mehr auftritt. Als Kurve 641 ist dabei ein Druckverlauf, möglicherweise von extern, in der Kavität 18 dargestellt, der erhalten würde, wäre keine Funktionalität eines Überdruckventils implementiert. Dahingegen zeigt die Kurve 642 den Druckverlauf in der Kavität 18 mit an- geordnetem Ventil.
Das Druckniveau 48krit bezeichnet dabei ein Druckniveau für eine potenzielle Schädigung der zu schützenden Strukturen. Das Druckniveau 481 bezeichnet einen Öffnungsdruck der Ventilstruktur. Die Drücke sind gegenüber einem Umgebungsdruck p0 dargestellt. Überdrü- cke können beispielsweise in Kopfhörern beim Einsetzen oder Abnehmen derselben ent- stehen.
Wie es anhand der Fig. 5a und der Erläuterungen zu den MMS 10, 20 und 30 erläutert ist, kann das MMS so ausgestaltet werden, dass bei Anliegen eines ersten Druckniveaus des Fluids an der ersten Schicht von der ersten Stellung in die zweite Stellung zu wechseln, und um bei Anliegen eines zweiten Druckniveaus des Fluids an der ersten Schicht von der zweiten Stellung in die erste Stellung zurück zu wechseln, wobei das erste Druckniveau größer ist als das zweite Druckniveau. Unter dem Wechsel der Stellung, insbesondere in die erste Stellung zurück, kann dabei aber insbesondere nicht ein kontinuierlicher Rück- gang aufgrund eines sich kontinuierlich reduzierenden Drucks verstanden werden, sondern gemäß Ausführungsbeispielen eine in etwa schlagartige Zurückbewegung (Snap-Back), wenn die stabilisierende Kraft in dem beweglichen Element 24 nicht mehr ausreicht, um die bis dahin stabile Position der zweiten Stellung 382 beizubehalten. Das bedeutet, der Wech- sel von der ersten Stellung 381 in die zweite Stellung 382 kann schlagartig oder zumindest in etwa schlagartig erfolgen, wenn das erste Druckniveau erreicht ist. Eine dann geringfü- gige Zurücknahme des Druckniveaus kann aber unter Beibehaltung der ersten Stellung 381, siehe Fig. 5a, dazu führen, dass das bewegliche Element 24 zunächst in der zweiten Stel- lung 382 verharrt. Erst wenn das Druckniveau genügend abgesunken ist, kann eine mög- licherweise schlagartige Rückbewegung in die erste Stellung 382 erfolgen. Wie in Fig. 5a erkennbar kann der Schließdruck 482 kleiner sein als der Öffnungsdruck 481. Ausführungs- beispiele ermöglichen, diese beiden Drücke relativ frei zu einenden auszulegen oder zu definieren. So können abhängig von einer für ein verwirklichtes Ventil präzisierten Anforde- rung bzw. der jeweiligen Anwendung eine dem gemäße Auslegung Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das bewegliche Element 24 ausgebildet sein, um aus dem ersten Druckniveau eine Verformungskraft für eine Verformung des beweglichen Elements 24 in die zweite Stellung 382 zu erhalten. Bei einem Übergang in die zweite Stel- lung 382 kann eine Materialspannung in dem beweglichen Element 242 zunächst eine Zu- nahme erfahren und anschließend eine Abnahme erfahren, das bedeutet, das Spannungs- niveau kann sich reduzieren. Das bedeutet, nach anfänglicher Zunahme kann bei einer schlagartigen Bewegung in die zweite Stellung 382 die Materialspannung wieder abneh- men, wie es beispielsweise bei bi-stabilen, tri-stabilen oder mehrfachstabilen Verformungen verformbarer Elemente bekannt ist. In Abweichung zu einem bi-stabilen Element ist das bewegliche Element 24 in Ausführungsbeispielen aber so ausgestaltet, dass eine hinrei- chend große Rücknahme des Drucks ausreicht, um die Rückbewegung in die wiederum stabile erste Stellung 381 zu erhalten. Das bedeutet, das bewegliche Elemente 24 kann ausgebildet sein, um basierend auf der Abnahme der Materialspannung einen stabilen Zu- stand einzunehmen, den in der Stellung 382, welche anhalten kann, bis das zweite Druck- niveau ausgehend von dem ersten Druckniveau erreicht oder unterschritten ist.
Das bewegliche Element 24 kann ausgebildet sein, um basierend auf einem Anstieg eines Druck des Fluids an der ersten Schicht, also einer ersten Seite des beweglichen Elements 24, in die zweite Stellung 382 zu wechseln und um bei einem Abfall des Drucks in der Po- sition der zweiten Steilung zunächst zu verharren, bis das zweite Druckniveau erreicht ist. Diese Rückbewegung kann auf mechanischen Spannungen basieren, also nicht allein we- gen des Drucks induziert sein. Das bedeutet, die Rückbewegung bzw. die hierfür erforder- liche Energie kann in dem Material des beweglichen Elements 24 und/oder seiner Aufhän- gung gespeichert werden, wenn ausgehend von der ersten Stellung 382 die zweite Steilung 382 eingenommen wird.
In hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen wird auf einen Druckunterschied zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht abgestellt. Diese Druckunterschiede treten ins- besondere unter Vermeidung akustischer oder fluidischer Kurzschlüsse zwischen den äu- ßeren Schichten des Fluids bzw. der ersten Schicht 12 und der zweiten Schicht 14 auf. Dies kann insbesondere erhalten werden, wenn ein hierin beschriebenes MMS als funktionale Struktur unidirektional oder bidirektional in einem System eingesetzt werden, beispiels- weise als Überdruckventil eines solchen Systems. Als solches System können beispiels- weise Kopfhörer oder dergleichen in Betracht kommen, wobei hier anschaulich beispiels- weise unter Betrachtung des Gehörgangs eines Menschen, ein akustischer Kurzschluss durch derartige Strukturen verhindert werden kann. Die Fig. 5a zeigt grafisch das Auslenkungsverhalten eines auslenkbaren Elements 24 ge- mäß einem Ausführungsbeispiel. Dargestellt ist der Druck in der ersten Teilkavität 341 über der Verschiebung oder Verformung des ausienkbaren Elements 24. Hierbei ist erkenntlich, dass das sich das auslenkbare Element 24 nach Überschreiten des Öffnungsdrucks ver- formt und in der sog. Snap-Through Stellung, d. h., der Stellung 382 verbleibt, solange wie der Druck in der ersten Teilkavität 341 einen Wert einnimmt, der zwischen öffnungs- und Schließdruck liegt. Sobald der Wert des Schließdrucks unterschritten ist, fällt das auslenk- bare Element 24 in seine Ursprungslage. D. h., die Stellung 381 zurück. Dieser Punkt wird auch Snap-Back genannt. Der Schließdruck ist immer kleiner als der öffnungsdruck, wobei der Schließdruck auch negative Werte annehmen kann.
Mit einem Ventil unter Verwendung hierin beschriebener MMS kann der Druckverlauf in einer Karner so angepasst werden, dass das Druckniveau, welches zu einer potentiellen Schädigung der zu schützenden Stukturen führen würde, siehe Fig. 5b, nicht erreicht wird. Sobald das Ventil geöffnet wird, steigt der Druck in der Regel nicht weiter an und fällt, bis je nach Ausführung entweder der Schließdruck, oder der Umgebungsdruck erreicht wird (siehe volle Linie).
Wie es beispielsweise anhand des MMS 20 und des MMS 30 erläutert wurde, kann das bewegliche Element 24 eine beidseitig eingespannte Balkenstruktur aufweisen, die bezo- gen auf eine unausgeienkte Referenzstellung, beispielsweise eine gerade oder undefor- mierte oder unbelastete Balkenstruktur, entlang einer ersten Richtung, beispielsweise die positive y-Richtung, gekrümmt ist. Auch wenn Ausführungsbeispiele eine Vorauslenkung des Elements während oder nach der Herstellung nicht ausschließen, kann das auslenk- bare Element 24 bevorzugt bereits in der dargestellten Form hergestellt werden, etwa ver- mittels eines selektiven abtragenden Prozesses, etwa eines Ätzprozesses oder eines se- lektiven erzeugenden Prozesses der Materialhinzufügung. Das bewegliche Element 24 kann ausgebildet sein, um bei einem Wechsel in die Stellung 382 eine Auslenkung in eine bezogen auf die Referenzstellung zweite Richtung auszuführen, die beispielsweise entge- gengesetzt zur ersten Richtung ist, also die negative y-Richtung.
Auch wenn dabei die bezeichnete Referenzstellung nicht notwendigerweise eingenommen werden muss, so ergibt sich dennoch die Situation, dass diese Referenzstellung zu über- winden ist. Während beispielsweise das MMS 20 hierfür zur Erleichterung die Verbindungs- elemente 441 und 442 vorschlägt, kann das MMS 30 der Fig. 3a-c auch mit einer festen Einspannung implementiert werden, was höhere Kräfte zum Erhalt der Stellung 382 erfor- dern kann, dafür aber auch eine stabilere Position in der Stellung 382 ermöglichen kann. Insbesondere kann eine Spannungserweichung des beweglichen Elements in hohem Maße bis maximal ausgeschöpft werden. Die Spannungserweichung ermöglicht die Bistabilität und kann auftrete n, wenn das zunächst gekrümmte Element mit Druck belastet oder ver- formt wird. Durch die Einspannung so wie in den Fig. 3a-c kann die Spannungserweichung eingestellt werden, das kann verwendet werden um die Relation zwischen öffnungs- und Schließdruck anzupassen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das bewegliche Element 24 an zumindest einer ersten Seite durch ein der ersten Seite zugeordnetes Halteelement 441 bzw. 442 an einer Kavitätswand der Kavität 18 gehalten sein. In den Fig. 2a-c ist dies für beide Seiten oder beide Enden der Balkenstruktur des beweglichen Elements 24 dargestellt. Das bewegliche Element 24 kann in der ersten Stellung 381 gekrümmt sein und ausgebildet sein, um sich bei einem Wechsel in die Stellung 382 zunächst entgegen der Krümmung zu verformen. Das Halteelement 441 und/oder 442 kann als federnde Einspannung des beweglichen Ele- ments gebildet sein.
Auch wenn das MMS 20 so dargestellt ist, dass sowohl an einer ersten Seite/Ende als auch an einer der ersten Seite abgewandten zweiten Seite/Ende das bewegliche Element 24 durch jeweils ein Halteelement 441 bzw. 442 gehalten ist, können auch asymmetrische bzw. ungleiche Befestigungen erfolgen, wie es noch erläutert wird. Insbesondere kann unter Ver- weis auf die Fig. 1 auch lediglich eine einseitige Befestigung oder Einspannung umgesetzt sein.
Anhand der Fig. 6a-6g werden nachfolgend einige mögliche Ausgestaltungen eines MMS bzw. des beweglichen Elements 24 erläutert. Auch wenn unterschiedliche vorteilhafte Aus- gestaltungen in unterschiedlichen Figuren beschrieben sind, können die Ausgestaltungen ohne Weiteres miteinander kombiniert werden.
Fig. 6a zeigt eine schematische Draufsicht auf Teile eines MMS 601 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel. Verglichen mit dem MMS 20 kann das bewegliche Element 24i eine lokale Schwächung 66 aufweisen. Die lokale Schwächung 66 kann beispielsweise als zusätzli- ches Material bzw. eine zusätzliche axiale Erstreckung implementiert sein. Im Beispiel der Fig. 6a ist dies ein zum entlang der positiven y-Richtung entgegengesetzt und somit in ne- gative y-Richtung weisender innerer Bogen bezogen auf den äußeren Bogen des restlichen beweglichen Elements 24, welches in der Fig. 2a beispielhaft dargestellt ist. In Fig. 6b ist eine schematische Draufsicht auf Teile eines MMS 602 gezeigt, bei dem ein bewegliches Element 242 verglichen mit dem MMS 20 eine wellenförmige oder zick-zack- artige Biegelinie aufweist. In der dargestellten Stellung 381 kann eine in die Substratebene projizierte Biegelinie eine Mehrzahl von kontinuierlichen (wellenförmig) oder diskontinuier- lichen (zick-zack oder geknickt) wechseln eines Vorzeichens eines Krümmungsradius auf- weisen. So kann ein Krümmungsradius 681 ein erstes Vorzeichen bezogen auf eine Krüm- mung entlang der positiven x-Richtung aufweisen und ein nachfolgender Krümmungsradius 682 entlang der x-Richtung ein umgekehrtes Vorzeichen.
Fig. 6c zeigt eine schematische Draufsicht auf Teile eines MMS 603 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel, bei dem ein bewegliches Element 243 eine Mehrzahl von zumindest zwei, zumindest drei oder mehr parallel zu der Substratebene nebeneinander angeordneten Schichten 721, 722 und 723 aufweisen kann. Die zumindest zwei Schichten können vonei- nander verschiedene Materialien, voneinander verschiedene elektrische Potenziale, vonei- nander verschiedene Materialdicken oder dergleichen aufweisen, in einem oder mehrere dieser Eigenschaften aber auch gleich gebildet sein. Das bedeutet, in Ausführungsbeispie- len können auch zwei der Mehrschichten zumindest bereichsweise beabstandet voneinan- der sein, etwa sind die Schichten an den diskreten Bereichen mechanisch fest miteinander fixiert oder nicht, ohne sich voneinander zu unterscheiden. Das bewegliche Element 243 kann beispielsweise als Mehrschicht-Komponente, als Kom- posit-Komponente, unter Verwendung eines Metamaterials| eines Piezomaterials oder ei- ner speziellen Geometrie eingesetzt werden. Als Metamaterial kann ein Material verstan- den werden, das durch kleine periodische Strukturen erzeugt werden was effektive Eigen- schaften aufweist, die bei den natürlich vorkommenden Materialien in dieser Form nicht anzutreffen sind, z. B. als auxetisches Material oder als phononischer Kristall.
Als spezielle Geometrie kommt beispielsweise ein sogenannter nanoskopischer elektrosta- tischer Antrieb (engl.: nanoscopic electrostatic drive, NED) in Betracht, bei dem die Schich- ten zumindest an diskreten Bereichen elektrisch isoliert voneinander und/oder mechanisch fixiert zueinander sind und ein Anliegen eines elektrischen Potenzialunterschieds zwischen zwei benachbarten Schichten ein elektrostatischer Anziehungskraft ermöglicht, die eine Auslenkung des beweglichen Elements 24s ermöglichen kann und/oder als sensorische Ei- genschaft zum Detektieren einer vermittels eines Drucks erzeugten Auslenkung eingesetzt werden kann. So kann beispielsweise unter Verwendung eines elektrischen Potenzials bei entsprechender Ausgestaltung des beweglichen Elements 24a eine Anpassung der Biege- linie und/oder der Umschaltpunkte der Fig. 5a eingestellt werden, indem elektrostatische Kräfte zusätzlich zu dem Druck des Fluids in die bewegliche Struktur 243 eingebracht wer- den.
Fig. 6d zeigt eine schematische Draufsicht auf zumindest Teile eines MMS 604 gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel. Verglichen mit dem MMS 20 weist das MMS 6O4 ein mechani- sches Element 74 auf, das sich in die Kavität 18 ausgehend von einer Kavität 216c erstreckt und ausgebildet ist, um eine Auslenkung des beweglichen Elements 24 oder eines anderen hierin beschriebenen beweglichen Elements ausgehend von der Stellung 381 durch einen mechanischen Kontakt mit dem beweglichen Element 24 zu begrenzen. Dies ermöglicht die Vermeidung von Beschädigungen in dem beweglichen Element 24 aufgrund von zu großen Drücken, da eine Auslenkung über die gewünschte Stellung 382 hinaus begrenzt werden kann.
Das mechanische Element 74 kann quaderförmig oder beliebig anders gebildet sein, bei- spielsweise abgerundet, stabförmig oder umfassend mehrerer Komponenten.
Fig. 6e zeigt eine schematische Draufsicht auf Teile MMS 605 gemäß einem Ausführungs- beispiel. Hier ist das bewegliche Element 24 aktiv und zum Erhalt eines Ansteuersignals gebildet, wobei das Ansteuersignal als eine Potenzialdifferenz zwischen Signalqueiien 761 und 763 und/oder 762 und 763 betrachtet werden kann. Auch wenn die Signalquellen 761 und 763 so dargestellt sind, dass separate elektrische Potenziale an eine an einer Kavitäts- wand 16d angeordnete erste Elektrode 781 und an eine gegenüberliegend an der Kavitäts- wand 16c angeordneter Elektrode 782 anlegbar sind, können die Signalquellen 761 und 762 auch ein identisches oder betragsmäßig gleiches Potenzial anlegen und beispielsweise im zeitlichen Wechsel angesteuert werden.
Die Elektroden 781 und/oder 782 können beispielsweise an oder in der Schicht 16 imple- mentiert werden. Hierzu können beispielsweise elektrisch leitfähige Materialien angeordnet werden und/oder es kann eine bereichsweise elektrische Leitfähigkeit eines Materials der Schicht 16 hergestellt werden, beispielsweise durch Dotierung eines Halbleitermaterials. Die Elektroden 781 und 782 können so angeordnet sein, dass sich jeweils zusammen mit dem beweglichen Element 24 ein elektrischer Kondensator ausbilden lässt, dessen Wir- krichtung parallel zur Substratebene, das heißt, parallel zur x/y-Ebene angeordnet ist, so dass ein jeweiliges elektrischen Potenzial zwischen der Elektrode 781 und dem bewegli- chen Element 24 und/oder der Elektrode 782 und dem beweglichen Element 24 zu einer Unterstützung und/oder Behinderung einer Auslenkung des beweglichen Elements 24 in positive oder negative x-Richtung führt.
Hierdurch kann das MMS 605 als ein Ventil erhalten werden, das elektrostatisch einstellbar ist bezüglich einer oder mehrerer Umschaltzeitpunkte aus der Fig. 5a oder das sogar elektrisch aktuierbar ist. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das bewegli- che Element 24 aktiv und zum Erhalt eines Ansteuersignals gebildet sein, und ausgebildet sein, um basierend auf dem Ansteuersignal eine Druckempfindlichkeit für das Fluid für ei- nen Wechsel von der Stellung 381 in die nicht dargestellte Stellung 382 oder umgekehrt zu verändern. Es ist alternativ oder zusätzlich ebenfalls möglich, dass das bewegliche Ele- ment, etwa bei anderen Signalamplituden, basierend auf dem Ansteuersignal (761-763) ei- nen Wechsel von der ersten Stellung (381) in die zweite Stellung (382) und/oder umgekehrt auszuführt, also aktiv gesteuert wird. Es sei angemerkt, dass die drei Balkenstrukturen le- diglich beispielhaft gewählt sind und auch eine andere Zahl von Balken implementierbar ist, bspw. zumindest einer, zumindest zwei oder mehr als drei, etwa 4, 5, 6 oder mehr.
Wie es bereits im Zusammenhang mit der Fig. 6c erläutert wurde, können die Elektroden- strukturen des MMS 605 auch für eine sensorische Funktionalität genutzt werden, beispiels- weise, um ein Sensorelement zu bilden, das ausgebildet ist, um ein Sensorsignal bereitzu- stellen, das mit einem Auslenkungszustand des beweglichen Elements 24 assoziiert ist. Alternativ oder zusätzlich kann ein entsprechendes Sensorelement auch zusätzlich zu den Signalquellen 761, 762 und 763 vorgesehen sein. Gemäß Ausführungsbeispielen kann ein MEMS eine geschlossene Regelschleife (Feedback/Regelung) aufweisen, um die Eigen- schaften des beweglichen Elements aufgrund einer festgestellten Auslenkung bzw. eines festgestellten Verhaltens einzustellen.
Das bedeutet, es kann eine Steuerungseinrichtung 79 vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um die Signalquellen 761, 762 und/oder 763 anzusteuern und die optional ausgebildet sein kann, um ein Sensorsignal 81 zu erhalten, das den Auslenkungszustand anzeigt. Es kann ebenfalls implementiert sein, lediglich das Sensorsignal 81 zu erhalten, ohne die Span- nungsquellen 761, 762 und/oder 763 vorzusehen. Fig. 6f zeigt eine schematische Draufsicht auf Teile eines MMS 60e, bei dem eine Flächen- größe der Öffnung 26 verglichen mit einer Flächengröße der Öffnung 28 verschieden ist. Als Flächengröße wird hier eine Flächenausdehnung verstanden, die beispielsweise in nn2 μm2 oder mm2 beziffert werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann eine Flächenform der Öffnung 26 von einer Flächenform der Öffnung 30 verschieden sein. So kann beispielsweise die Öffnung 26 rechteckig und die Öffnung 28 trapezförmig gebildet sein. Beide Unterschiede können unabhängig voneinan- der oder gemeinsam miteinander implementiert werden. Während unterschiedliche Größen der Flächen der Öffnungen 26 und 28 das Dämpfungsverhalten auch im Hinblick auf ein System, in welchem das MMS eingesetzt wird, einstellen können, kann die Flächenform beispielsweise an die Biegelinie oder Position des beweglichen Elements 24 in der ersten Stellung und/oder zweiten Stellung angepasst sein.
Fig. 6g zeigt eine schematische Draufsicht auf Teile eines MMS 607 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element 24 asymmetrisch aufgehängt ist. Während beispielsweise an einem ersten Ende 821 das Verbindungselement 44 vorgesehen ist, das sich entlang positiver y-Richtung hin zur Substratschicht 16 erstrecken kann, etwa der Seite 16d, kann ein gegenüberliegendes zweites Ende 822 entweder fest eingespannt sein oder, wie dargestellt, vermittels eines weichen oder als Federelement ausgebildeten Verbin- dungselements 84, welches in seiner Charakteristik im Wesentlichen ähnlich zum Verbin- dungselement 44 ausgebildet sein kann, aber eine hiervon andere Orientierung, beispiels- weise parallel zur x-Richtung, eine andere Dicke und/oder andere Länge aufweisen kann. In anderen Worten zeigt Fig. 6g ein MMS mit einer asymmetrischen Aufhängung des be- weglichen Elements 24, wobei das bewegliche Element 24 dennoch beidseitig aufgehängt ist.
Die Fig. 6a-6g zeigen mehrere alternative Ausführungsbeispiele von MMS/MEMS, die sich hinsichtlich der Ausgestaltung der auslenkbaren Elemente unterscheiden. Durch die Dar- stellung soll veröffentlicht werden, dass die Gestaltung der auslenkbaren Elemente einen signifikanten Einfluss auf das Auslenk- und Ansprechverhalten haben kann. Beispielsweise sind durch Balken mit lokalen Schwächungen, siehe Fig. 6a, oder komplexen Geometrien, siehe Fig. 6a-b, unterschiedliche Ansprechdrücke adressierbar/einstellbar oder die für die Druckentlastung der Teilkavität Volumen einstellbar. Durch Mehrschicht-, Komposit- oder Metamaterialen als Werkstoff für ein alternatives auslenkbares Element, siehe Fig. 6c, kann die Steifigkeit, Masse und Dämpfung des auslenkbaren Elementes manipuliert werden, um den Öffnungsdruck, den Schließdruck, den Öffnungshub, die Eigenfrequenz, die Reakti- onszeit für die jeweilige Anwendung besser abzustimmen. Zusätzlich ist es möglich durch solche Werkstoffe zusätzliche Eigenspannungen im auslenkbaren Element zu erzeugen, die das Kräftegleichgewicht verändern können, um z.B. ein noch schnelleres Ansprechen zu ermöglichen. Es sind auch piezoresistive Materialien verwendbar, wodurch ein defenier- tes elektrisches Signal zur Erfassung der Öffnung generiert werden kann. Auch kapazitives Feedback ist möglich, bei einer Verwendung eines NED-basierten auslenkbaren Elemen- tes.
Durch das MMS/MEMS der Fig. 6d ist ein Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, dass durch einen Anschlag 74 für das auslenkbare Element 24 ausgestattet ist. Vorteilhaft wird hierbei das Volumen der jeweiligen Teilkavitäten bei Druckbeaufschlagung genauer eingestellt. Darüber hinaus ist wird die induzierte Spannung im Werkstoff des auslenkbaren Elements 24 in der Auslenkungsposition minimiert, was zu einer Erhöhung der Lebensdauer dieser MEMS Komponente beiträgt.
Ein Ausführungsbeispie! eines MMS/MEMS der Fig. 6e zeigt einen aktiv auslenkbares Ele- ment. Hierbei sind beispielsweise Teile des umgebenden Substrats mit einer ersten und zweiten Signalspannung verbunden. Ein dritter Teil des Substrats, das auch mit dem aus- lenkbaren Element 24 verbunden ist, ist mit einem dritten elektrischen Signal beaufschlagt. Alle Signale sind mit einer entsprechenden Steuervorrichtung 79 verbunden und durch elektrisch isolierende Elemente elektrisch voneinander getrennt. Dieses Ausführungsbei- spiel hat zum Ziel ein einstellbares Überdruckventil vorzuschlagen. Durch Anlegen entspre- chender Signale kann auf die Steifigkeit des auslenkbaren Elements und somit auf das Ansprechverhalten Einfluss genommen werden. Darüber hinaus ist es auch möglich das auslenkbare Element in einer seiner beiden Positionen zu halten.
Das Ausführungsbeispiel eines MMS/MEMS der Fig. 6f zeigt die Anordnung von großen Öffnungen 26 und 28 und impliziert damit, dass es dem Fachmann möglich ist die Ausge- staltung der Öffnungen im Deckel- und Bodenwafer entsprechend seiner Aufgabenstellung anzupassen. Das Ausführungsbeispiel eines MMS/MEMS der Fig. 6g zeigt eine asymetrische Anord- nung der Verbindungselemente 44. Hierbei kann positiv auf das Auslenkungsverhaiten ei- nes Elements 10, gerade bei der Rückbewegung in die Ausgangslage eingewirkt werden (Hysterese).
Fig. 7a zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 701 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel. Das System 701 umfasst ein erfindungsgemäßes MEMS-Bauelement (MEMS BE) 861 gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem MEMS-Ventil 88, das bei- spielsweise als MMS 10, 20, 30, 601 bis 607 gebildet sein kann, oder ein solches MMS/MEMS umfassen kann. Hierbei kann aufgrund der Orientierung des MEMS- Bauelements 861 eine Ventilrichtung 92 durch Orientierung der Schichten 12 und 14 einge- stellt werden, da das MMS 10, 20, 30 und 601 bis 607 eine Flussrichtung von der Schicht 12 zur Schicht 14 aufweisen kann.
Vermittels des MEMS-Bauelements 861 kann ein Volumen oder eine Kammer 94 von einem anderen Volumen oder einer äußeren Umgebung 96 getrennt werden. Während in der Um- gebung 96 beispielsweise ein Druck p konstant sein kann, zumindest im Wesentlichen, kann in dem Volumen 94 eine Druckänderung erfolgen. Eine entsprechende Druckände- rung kann beispielsweise dann eizeugt werden, wenn ein sogenannter In-Ear-Kopfhörer oder eine andere Form von Kopfhörern in einen Gehörgang eingeführt oder aus diesem herausgenommen wird. Durch das begrenzte Volumen und die relativ deutliche Volu- menänderung kann ein Druckunterschied erzeugt werden.
Unter Verweis auf die Fig. 5a kann beispielsweise ein Auslösedruck, etwa das erste Druck- niveau, so eingestellt werden, dass es oberhalb von einem Schwellwert von dp von 1500 Pa liegt oder bei 1500 Pa. Solange ein tatsächlich auftretender Druckunterschied dp unter- halb von 1500 Pa liegt, kann das Ventil 88 in der ersten Stellung verharren und bei Über- schreiten dieses Drucks, der entsprechend den Systemauslegungen als zu vermeiden gilt, auslösen, um den Druck in dem Volumen 94 abzubauen. Hierin beschriebene Überdruck- ventile können so eingestellt sein oder werden, dass sie bei Drücken von höchstens 5000 Pa auslösen, bevorzugt höchstens 2000 Pa und besonders bevorzugt bei in etwa 200 Pa.
Fig. 7b zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Systems 702 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel. Verglichen mit dem System 701, bei dem ein Ventil 88 zur unidirektionalen Druckminderung vorgesehen ist, kann das System 702 bzw. das MEMS-Bauelement 862 zwei Ventile 881 und 382 mit einem hierin beschriebenen MMS/MEMS aufweisen. Unter beispielhafter Bezugnahme auf das Kopfhörer-Beispiel, bei dem das Volumen 84 das Ohr- volumen darstellen kann, kann das System 701 so eingerichtet sein, dass beim Einsetzen des Kopfhörers in den Gehörgang ein dort entstehender Überdruck vermittels des Ventils 88 abgebaut wird.
Beim Herausnehmen kann ein entsprechender Unterdrück entstehen, für welchen das Ven- til 88 möglicherweise nur bedingt Abhilfe schaffen kann.
Deshalb sind im System 702 bzw. dem MEMS-Bauelement 862 zwei Ventile mit gegenläu- figen Ventilrichtungen 921 und 922 vorgesehen. Die beiden Ventile 881 und 882 können ei- nen gleichen Auslösedruck von beispielsweise 1500 Pa aufweisen, einmal in positiver Rich- tung für das Ventil 881 und einmal in negativer Richtung für das Ventil 882.
Obwohl das System 702 mit zwei voneinander verschiedenen Ventilen dargestellt ist, die entlang gegenläufiger Richtungen für den Fluiddurchfluss adaptiert sind, sehen Ausfüh- rungsbeispiel auch ein bidirektionales MEMS-Ventil vor. Hier ist beispielsweise und unter Bezugnahme auf die Fig. 2a zwischen der Öffnung 26 und der Öffnung 28 ein erster fluidi- scher Pfad 52 vorgesehen, siehe Fig. 2c. Dieser ist zum Abbau eines Fluiddrucks an der ersten Schicht 12 eingerichtet und in der ersten Stellung 381 des beweglichen Elements 24 durch das bewegliche Element 24 blockiert. Das MMS kann einen zweiten fluidischen Pfad aufweisen, der ausgebildet ist, um einen Fluiddruck an der zweiten Schicht durch einen Transport des Fluids hin zur ersten Schicht, also in gegenläufiger Richtung, abzubauen, wobei das bewegliche Element 24 oder ein weiteres parallel zu der Substratebene beweg- liches Element ausgebildet ist, um einen fluidischen Durchfluss durch den zweiten fluidi- schen Pfad zeitweise zu hemmen und zeitweise zu ermöglichen. So kann beispielsweise eine vorgesehene dritte Stellung des beweglichen Elements 24 der Fig. 2a-c oder 3a-c vor- gesehen sein, um zumindest eine Öffnung in der ersten Schicht 12 mit zumindest einer Öffnung der zweiten Schicht zu verbinden. Alternativ oder zusätzlich kann ein entsprechend implementiertes zusätzliches bewegliches Element vorgesehen sein, das ausgebildet ist, um zumindest eine Öffnung in der ersten Schicht 12 mit zumindest einer Öffnung der zwei- ten Schicht zu verbinden, wenn das zusätzliche Element die entsprechende zweite Stellung aufweist.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein System mit einem MMS/MEMS gemäß einem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel. Solch ein System kann beispielsweise ein Über- druckventil mit einem entsprechenden MMS umfassen oder das MMS kann als Überdruck- ventil gebildet sein. Beispielhafte Systeme sind beispielsweise Kopfhörer oder beliebige andere Implementierungsformen, die ein Überdruckventil mit den hierin beschriebenen Merkmalen aufweisen.
Die Fig 7a und Fig. 7b zeigen die prinzipielle Funktionalität des offenbarten Überdruckven- tils. Dabei stellt die Kammer beispielsweise das Volumen im äußeren Gehörgang zwischen MEMS Bauelement und Trommelfell dar. Durch verschiedene Ereignisse, beispielsweise das Entfernen oder das Einsetzen eines MEMS Bauelements in den Gehörgang kann der im Gehörgang befindliche Druck schlagartigen Schwankungen unterliegen. Fig. 7a zeigt dabei den Fall des Einsetzen eines MEMS Bauelments und einen dadurch implizierten Druckanstieg der durch ein öffnen des Ventils ausgeglichen werden kann. Die Fig. 7b zeigt den Fall, dass auch ein Unterdrück im Gehörgang schlagartig auftreten kann und der Druck ausgeglichen werden muss.
Eine mit Ausführungsbeispielen gelöste erfindungsgemäße Aufgabe ist die Bereitstellung einer Vorrichtung, die den Innenraum eines MEMS basierten Schallwandlers vor einer zu starken oder schlagartig auftretenden Druckdifferenz schützt. Durch eine derartige Druck- differenz ist es möglich, dass Aktoren die in dem MEMS angeordnet sind großen mechani- schen Spannungen ausgesetzt sind und in Folge dessen zerstört werden.
Die erfindungsgemäße Löung erfolgt durch eine Vorrichtung, die vorzugsweise passiv aus- gebildet ist und in der Kavität eines MEMS basierten Schallwandlers angeordnet ist. Das passiv ausgelenkte Element ist so in der Kavität angeordnet und mit dem umgebenden Substrat verbunden, dass es die Kavität in zwei Teilkavitäten aufteilt. Dabei sind untere Auslassöffnungen der ersten Teilkavität zugeordnet und obere Auslassöffnungen der zwei- ten Teilkavität.
Beim überschreiten eines spezifischen Druckes, der beispielsweise schlagartig auftreten kann und auf ein passiv auslenkbares Element einwirkt verformt sich dieses und nimmt eine spannungsbehaftete geometrische Form ein. Solange die Druckdifferenz aufrecht erhalten bleibt, gleichen sich spannungsinduzierte Kraft und druckinduzierte Kraft aus und das pas- siv auslenkbare Element verharrt in dieser Position. Fällt die druckinduzierte Kraft ab, über- wiegt die spannungsinduzierte Kraft und das auslenkbare Element kehrt in seinen span- nungsarmen Zustand zurück. Die Druckdifferenz in der Kavität wird verursacht, wenn Fluid über die Öffnungen im De- ckelwafer in diese eintritt. Ist durch diesen schlagartig auftretenden Druckstoß der definierte Öffnungsdruck überschritten, erfolgt die Verformung des passiven Elements in der Art, dass sich die geometrische Zuordnung einer oder mehrerer Auslaßöffnungen von von einer Teil- kavität zuder anderen Teilkavität ändert, was einen Druckausgleich zwischen den zu einer der selben Teilkavität zugeordneten Auslaßöffnungen ermöglicht / als Folge hat.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikromechanisches System (MMS) bzw. mikroelektromechanisches System (MEMS), das ausgestaltet ist, um beispielsweise in Ge- hörgang eines Nutzers angeordneten Lautsprechers auftretende Überdrücke aus dem Ge- hörgang und dem Lautsprecher abzuleiten. Überdrücke entstehen bspw. dann, wenn der Lautsprecher in den Gehörgang eingeführt wird oder aus diesem herausgenommen wird. Derartige schlagartig auftretenden Überdrücke sind für die die Schallwandler schädlich, da sie zu mechanischen Verformungen der Schallwandler führen können. Weiterhin sind der- artige MEMS-basierte Überdruckventile nicht auf dieses Anwendungsgebiet eingeschränkt. In anderen Worten wird durch die vorliegende Erfindung eine Schutzvorrichtung für Schall- wandler bei Druckschwankungen vorgeschlagen, die die mechanische Überbeanspru- chung verhindert. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung aber auch Merkmale für andere MEMS basierte Bauteile, beispielsweise Pumpen, Schalter und einstellbare Kon- densatoren enthalten.
Die hierin vorgestellten MMS/MEMS-Bauelemente sind Schichtstapel, die zumindest aus einer Substratschicht bestehen in der die optionalen Elektroden und die passiven Elemente angeordnet sind. Weitere Schichten betreffen einen Boden, der auch als Handlingwafer bezeichnet werden kann und einen Decke!, der auch als Deckelwafer bezeichnet wird. So- wohl Deckel- als auch Handlingwafer sind über stoffschlüssige Verfahren, vorzugsweise Bonden, mit der Substratebene verbunden, wodurch akustisch abgedichtete Zwischen- räume im Bauelement entstehen. In diesem Zwischenraum, der der Deviceebene entspricht verformen sich die verformbaren Bauelemente, 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 nichtleitfähige Werkstoffe angeordnet sein müssen, erfolgt der schichtweise Auftrag dieser Werkstoffe durch Abscheidungsver- fahren.
Das bedeutet, das bewegliche Element 24 kann ausgebildet sein, um wechselweise die erste Stellung 381, diezweite Stellung 382 und die dritte Stellung 383 aufzuweisen, also eine der genannten Stellungen zu einem Zeitpunkt. In der dritten Stellung 383 kann ein höheres Maß an Fluid durch die Kavität strömen als in der Stellung 382.
• Die vorliegende Erfindung zeigt Designrichtlinien für die Auslegung eines Über- druckventils. Daher haben sich die Erfinder entschieden, die geometrischen Para- meter in Bezug zu setzen um eine Vorrichtung zu schaffen, die diesen damit ver- bundenen Designparametern folgt. Aspekte der vorliegenden Erfindugn bezeihen sich auf:
• MEMS enthält auslenkbares Element o auslenkbares Element hat eine spannungsfreie (mechanische) Grundposi- tion o bei Überschreiten des Öffnungsdrucks in erster Teilkavität nimmt das aus- lenkbare Element eine neue Position ein, die mechanische Spannungen im Material erzeugt o solange der Druck aufrechterhalten bleibt gleichen sich die druckinduzierte Kraft, die auf das auslenkbare Element wirkt und spannungsinduzierte Kraft aus. Dadurch bleibt das auslenkbare Element in seiner Position o Fällt der Druck unterhalb des Schließdrucks, ist die spannungsinduzierte Kraft größer als die druckinduzierte Kraft und das auslenkbare Element kehrt in seinen spannungsarmen Zustand zurück o Zick-Zack und Wellenförmige Geometrien sind denkbar, um ein öffnungs- drücke oder Öffnungswege zu optimieren o Es können auch viel mehr als nur zwei stabile Positionen existieren. Z. B. ein Balken, der bei einem ersten öffnungsdruck eine kleinen Öffnung mit einer definierten Durchströmung entstehen lässt und erst bei einem zweiten Öffnungsdruck schlagartig ein großes Loch aufmacht.
• Ausführungsbeispiel: o Es is möglich, dass durch Beschichtungstechniken z. B. Polysilizium ein Bal- ken erzeugt wird, der in der Grundposition nicht spannungsfrei ist. Diese Strategie könnte unter Umständen vorteilhaft sein.
• Ausführungsbeispiel: o Das Auslenkbare Element kann in einem Ausführungsbeispiel aktiv auslenk- bar sein o Beispielsweise in der Ausführung als ANED (asymmetrische nanoskopische elektrostatische Antriebe/electrostatic drives etwa zwei mit einander verbun- dene Balken), LNED (laterale nanoskopische elektrostatische An- triebe/electrostatic drives wie bspw. in WO 2012/095185 L1 beschrieben) o- der BNED (ausgeglichene nanoskopische elektrostatische Antriebe/ balan- ced electrostatic drives wie bspw. in WO 2020/078541 A1 beschrieben) o Aktive Verstellung des Öffnungsdrucks und des Schließdrucks durch zusätz- liche elektrostatische Kräfte, vorzugsweise unter Verwendung von DC- Spannung o Aktives öffnen und Schließen durch zusätzliche elektrostatische Kräfte DC- Spannung oder AC-Spannung
• Ausführungsbeispiel: o Auslenkbares Element kann Signale generieren, um Öffnung und Schlie- ßung zu indizieren o Kapazitives Feedback durch Anordnung von Elektroden in der Kavität o Kapazitives Feedback durch Verwendung von NED-basiertem auslenkbaren Element o Piezoresistives Feedback durch die Verwendung von piezoresistiven Mate- rialien für das auslenkbare Element
• Überdruckschutzvorrichtung vor MEMS basierten Bauelementen o in Kavität angeordnete Balkenstruktur (Design eingestellt auf Öffnungsdruck und Schließdruck) o bewegt sich in-plane zwischen Boden - und Deckelwaferschicht o löst bei Drücken kleiner. 5000 Pa aus. Bevorzugter Druck ist kleiner 2000 Pa und besonders bevorzugt kleiner 1.500 Pa, wobei eine mögliche Obergrenze der atmosphärische Druck ist. o Schließt beim Unterschreiten eines Schließdruckes o passiv mittels Snap Through Funktionalität
■ können zwei spannungsarme Zustände einnehmen, je nach Druck- verhältnissen in Kavität.
■ Zustand 1: Schallwandlerkavitäten gegenüber der Umgebung ver- schlossen, sobald Schließdruck unterschritten ist.
■ Zustand 2: Schallwandlerkavitäten mit der Umgebung verbunden, sobald öffnungsdruck überschritten ist. Es werden sehr kleine Massen über sehr kleine Distanzen bewegt.
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
1. MMS, umfassend: eine erste Schicht (12), die eine erste Öffnung (26) zum Durchlässen eines Fluids (32) aufweist; eine zweite Schicht (14), die der ersten Schicht (12) gegenüberliegend angeordnet ist und die eine zweite Öffnung (28) zum Durchlässen des Fluids (32) aufweist und die mit der ersten Schicht (12) zumindest einen Teil eines Schichtstapels mit senkrecht zu einer Substratebene des MMS verlaufenden Stapelrichtung gestapelten Schichten bildet; eine zwischen der ersten Schicht (12) und der zweiten Schicht (14) angeordneten Kavität (18); einem in der Kavität (18) angeordneten und entlang einer Richtung parallel zu der Substratebene beweglichen Element (24), das wechselweise zumindest eine erste Stellung (381) und eine zweite Stellung aufweist, wobei in der ersten Stellung (381) ein Durchfluss des Fluids (32) gehemmt ist; und in der zweiten Stellung (382) der Durchfluss des Fluids (32) durch die Kavität (18) entlang der Stapelrichtung ermög- licht ist.
2. MMS gemäß Anspruch 1, das als Überdruckventil gebildet ist und ausgebildet ist, um bei einem Oberdruck an der ersten Schicht (12) das bewegliche Element (24) von der ersten Stellung (381) in die zweite Stellung (382) zu bewegen.
3. MMS gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem zwischen der ersten Öffnung (26) und der zweiten Öffnung (28) ein erster fluidischer Pfad (52) angeordnet ist, der zum Abbau eines Fluiddrucks an der ersten Schicht (12) eingerichtet und in der ersten Stellung (381) des beweglichen Elements (24) blockiert ist; wobei das MMS einen zweiten fiu- idischen Pfad aufweist, der ausgebildet ist, um einem Fluiddruck an der zweiten Schicht (14) durch einen Transport des Fluids (32) hin zu ersten Schicht (12) abzu- bauen; wobei das bewegliche Element (24) oder ein parallel zu der Substratebene bewegliches weiteres Element ausgebildet ist, um einen fluidischen Durchfluss durch den zweiten fluidischen Pfad zeitweise zu hemmen und zweitweise zu ermöglichen.
4. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Öffnung (28) und die zweite Öffnung (28) in die Substratebene (x/y) projiziert versetzt zu einander angeordnet sind; wobei das bewegliche Element (24) ausgebildet ist, um bei einem Wechsel von der ersten Stellung (381) in die zweite Stellung (382) eine aus der ersten Öffnung (26) und der zweiten Öffnung (28) zumindest teilweise zu überstreichen; und die andere Öffnung nicht zu überstreichen.
5. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) ausgebildet ist, um die Kavität (18) in zumindest eine erste an einer ersten Seite (24A) des beweglichen Elements (24) angeordnete Teilkavität (341) und eine an einer der ersten Seite (24A) gegenüberliegenden zweiten Seite (24B) angeordnete zweite Teilkavität (342) unterteilt; wobei die erste Teilkavität (341) mit der ersten Öffnung (26) fluidisch gekoppelt ist und das bewegliche Element (24) ausgebildet ist, um die bei einem Wechsel von der ers- ten Stellung (381) in die zweite Stellung (382) ein Volumen der ersten Teilkavität (341) zu vergrößern bis die erste Teilkavität (342) mit der zweiten Öffnung (28) fluidisch gekoppelt ist und den Durchfluss des Fluids (32) ermöglicht.
6. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) in der ersten Stellung (381) einen spannungsarmen Zustand mechanischer Span- nung aufweist und ausgebildet ist, um in der zweiten Stellung (382) einen spannungs- reichen Zustand aufzuweisen, und um unter Abbau der mechanischen Spannung von der zweiten in die erste Stellung (381) zurück zu wechseln.
7. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das ausgebildet ist, um bei An- liegen eines ersten Druckniveaus (480 des Fluids (32) an der ersten Schicht (12) von der ersten Stellung (381) in die zweite Stellung (382) zu wechseln; und um bei Anlie- gen eines zweiten Druckniveaus (482) des Fluids (32) an der ersten Schicht (12) von der zweiten Stellung (382) in die erste Stellung (381) zurück zu wechseln; wobei der das erste Druckniveau (481) größer ist, als das zweite Druckniveau (482).
8. MMS gemäß Anspruch 7, bei dem das bewegliche Element (24) ausgebildet ist, um aus dem ersten Druckniveau eine Verformungskraft für eine Verformung des beweg- lichen Elements (24) in die zweite Stellung (382) zu erhalten, wobei bei einem Über- gang in die zweite Stellung (382) eine Materialspannung zunächst eine Zunahme er- fährt und anschließend eine Abnahme erfährt, wobei das bewegliche Element (24) ausgebildet ist, um basierend auf der Abnahme der Materialspannung einen stabilen Zustand einzunehmen, bis das zweite Druckniveau (482) ausgehend vom ersten Druckniveau (481) erreicht oder unterschritten ist.
9. MMS gemäß Anspruch 7 oder 8, bei dem das bewegliche Element (24) ausgebildet ist, um basierend auf einem Anstieg eines Drucks des Fluids (32) an der ersten Schicht (12) in die zweite Stellung (382) zu wechseln und bei einem Abfall des Drucks basierend auf mechanischen Spannungen in der zweiten Stellung (382) zu verharren, bis das zweite Druckniveau erreicht ist
10. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) eine beidseitig eingespannte Balkenstruktur aufweist, die bezogen auf eine un- ausgelenkte Referenzstellung entlang einer ersten Richtung gekrümmt ist; wobei das bewegliche Element (24) ausgebildet ist, um bei einem Wechsel in die zweite Stellung (382) eine Auslenkung in eine bezogen auf die Referenzstellung zweite Richtung aus- zuführen.
11. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) an zumindest einem ersten Ende (441) durch ein dem ersten Ende zugeordnetes Halteelement (441) an einer Kavitätswand (16d) der Kavität (18) gehalten ist; wobei das bewegliche Element (24) in der ersten Stellung (381) gekrümmt ist und ausgebil- det ist, um sich bei einem Wechsel in die zweite Stellung (382) zunächst entgegen der Krümmung zu verformen; wobei das Halteelement (44 ) als federnde Einspannung des beweglichen Elements (24) gebildet ist.
12. MMS gemäß Anspruch 11, bei dem das Halteelement ein erstes Halteelement (44 ) ist und das bewegliche Element (24) an einem dem ersten Ende (821) abgewandten zweiten Ende (822) durch ein zweites Halteelement (442; 84) gehalten ist.
13. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) parallel zu der Substratebene in der ersten Stellung (381) eine erste Biegelinie aufweist und in der zweiten Stellung (382) eine zweite Biegelinie aufweist, die geo- metrisch unähnlich zu der ersten Biegelinie ist.
14. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) parallel zu der Substratebene biegbare Balkenstruktur mit einer lokalen Schwä- chung (66) einer Balken-Steifigkeit aufweist.
15. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) in der ersten Stellung (381) eine in die Substratebene projizierte Biegelinie auf- weist, die mit einer Mehrzahl von kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Wechseln eines Vorzeichens eines Krümmungsradius (68) aufweist.
16. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) eine Mehrzahl parallel zu der Substratebene nebeneinander angeordneter Schichten aufweist.
17. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem mechanischen Ele- ment (74), das sich in die Kavität (18) ausgehend von einer Kavitätswand (16c) er- streckt und ausgebildet ist, um eine Auslenkung des beweglichen Elements (24) aus- gehend von der ersten Stellung (381) durch einen mechanischen Kontakt mit dem beweglichen Element (24) zu begrenzen.
18. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) aktiv und zum Erhalt eines Ansteuersignals (761-763) gebildet ist, und ausgebildet ist, um basierend auf dem Ansteuersignal (761-763) eine Druckempfindlichkeit für das Fluid (32) für einen Wechsel von der ersten Stellung (381) in die zweite Stellung (382) oder umgekehrt zu verändern; und/oder um basierend auf dem Ansteuersignal (76r 763) einen Wechsel von der ersten Stellung (381) in die zweite Stellung (382) oder umgekehrt auszuführen.
19. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Flächengröße der ersten Öffnung (26) von einer Flächengröße der zweiten Öffnung (28) verschieden ist; und/oder bei dem eine Flächenform der ersten Öffnung (26) von einer Flächenform der zweiten Öffnung (28) verschieden ist.
20. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element (24) beidseitig aufgehängt ist wobei eine Aufhängung asymmetrisch ist. 21. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element
(24) ein Sensorelement umfasst, das ausgebildet ist, um ein Sensorsignal bereitzu- stellen, das mit einem Auslenkungszustand des beweglichen Elements (24) assoziiert ist. 22. MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element
(24) ausgebildet ist, um wechselweise die erste Stellung (381), die zweite Stellung (382) und eine dritte Stellung (383) aufzuweisen, wobei das MMS ausgebildet ist, um in der dritten Stellung (383) ein höheres Maß an Fluid durch die Kavität (18) strömen zu lassen als in der zweiten Stellung (382).
23. System (701; 702) mit einem MMS gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,
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