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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Elektrodenstruktur,
ein entsprechendes Herstellungsverfahren und eine Mikroaktuatorvorrichtung.
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Eine
statische Verkippung eines mikromechanischen Bauelements aus der
Chipebene heraus lässt sich durch verschiedene Techniken
erreichen. Eine Möglichkeit besteht in der Ausnutzung der
Lorenzkraft, wobei ein entsprechendes Magnetfeld durch extreme Hartmagnete
erzeugt werden muss. Weitere Möglichkeiten sind ein elektrostatischer
Plattenantrieb bzw. ein elektrostatischer Fingerantrieb bzw. Kammantrieb.
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4a,
b sind schematische perspektivische Ansichten einer bekannten mikromechanischen Elektrodenstruktur
in Form einer Fingerstruktur bzw. Kammstruktur.
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In 4a,
b sind zwei feststehende Fingerelektrodenstrukturen bzw. Kammelektroden
mit den Bezugszeichen F1 bzw. F2 bezeichnet. Die feststehenden Strukturen
F1, F2 sind in einer ersten Ebene E1 angeordnet. In einer darüberliegenden
zweiten Ebene E2 sind zwei drehbare Fingerelektrodenstrukturen bzw.
Kammelektroden D1, D2 angeordnet, welche sich unter einem rechten
Winkel von einem Balken D aus erstrecken, der eine Drehachse ROT
definiert. An einem Ende des Balkens D angebracht ist ein Mikrospiegel
S, welcher bei Anlegen entsprechender Potenziale an die feststehenden
Fingerelektrodenstrukturen F1 und F2 sowie an die drehbaren Fingerelektrodenstrukturen
D1, D2 um die Drehachse ROT drehbar ist. Die Komponenten eines derartigen
Drehantriebs sind typischerweise aus Silizium hergestellt. Nicht
gezeigt in 4a, b sind die übliche einseitige
Einspannung der feststehenden Fingerstrukturen F1, F2 an deren vom
Balken D abgewandten Ende sowie eine Einspannung des Balkens D bzw.
des Mikrospiegels S, z. B. über Torsionsfedern an einer
Halterung.
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Die
Tatsache, dass die Fingerelektroden in verschiedenen Ebenen E1,
E2 liegen ermöglicht es, eine elektrostatische Kraft auszuüben,
die den Mikrospiegel S aus der Ebene E2 bewegt Die Kraft ist abhängig
von der Flächenüberlappung zwischen den Fingerelektroden
in Drehrichtung. Solange die drehbaren Fingerelektrodenstrukturen
D1, D2 vollständig in die feststehenden Fingerelektrodenstrukturen
F1 eingetaucht sind (siehe 4b) nimmt
das erzeugte Drehmoment nicht ab. Bei Austauchen der drehbaren Fingerelektrodenstrukturen
D1, D2 in eine Ebene unterhalb der Ebene E1 wird jedoch eine rücktreibende
Kraft erzeugt, die eine weitere Auslenkung verhindert und so den
maximal erreichbaren Winkel bestimmt.
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Die
gemäß 4a, 4b einseitig
eingespannten Finger sind lateral wenig stabil und lassen sich nicht
einfach durch ober- oder unterhalb angebrachte Querverbindungen
zwischen den Finger stabilisieren, da die Finger ineinandergreifen
müssen und typischerweise auch auf beiden Seiten austreten können
sollten.
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Um
ein möglichst großes Drehmoment zu erzeugen, sollten
die Finger der Fingerelektrodenstrukturen möglichst weit
weg von der Drehachse sein. Aus der
US 2005/0117235 A1 ist
eine Fingerelektrodenstruktur bekannt, die an einem Rahmen entfernt von
der Drehachse angeordnet ist, um so das Drehmoment zu verbessern.
Dies führt allerdings dazu, dass die Spitze der Finger
bereits bei geringer Winkelauslenkung komplett in die feststehende
Fingerelektrodenstruktur eingetaucht sind. Der maximale Abstand
der Fingerspitzen von der Drehachse ist bei vorgegebener Winkelauslenkung
durch die Schichtdicken begrenzt. Durch mechanisches Vorverkippen der
feststehenden Fingerelektroden kann die Winkelbeschränkung
entschärft werden, der maximale Winkel ist dann durch den
Winkel der Vorauslenkung bestimmt.
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Allerdings
nimmt mit zunehmender Fingerlänge die laterale Stabilität
der Finger der Fingerelektrodenstrukturen mit der vierten Potenz
ab. Da der Abstand der Finger voneinander zur Maximierung der Drehmomenterzeugung
aber möglichst gering gewählt werden sollte, besteht
die Gefahr eines lateralen Einzugs bzw. Pull-In. Außerdem
muss auch in Ruhelage bereits eine Kraft erzeugt werden, es kann also
nicht ein kurzer Finger weit weg von der Achse angebracht werden,
da dieser bei 0° noch nicht auf die vorausgelenkten, feststehenden
Fingerelektroden wirkt. Auch bei vorausgelenkten Elektroden ist daher
die maximale Auslenkung begrenzt, und zwar durch das erreichbare
Drehmoment.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäße mikromechanische Elektrodenstruktur
nach Anspruch 1, die Mikroaktuatorvorrichtung nach Anspruch 9 und
das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 12 weisen
den Vorteil auf, dass sie sowohl eine Erhöhung des Drehmoments
mit vermindertem Risiko eines Pull-In der Finger als auch eine Auslenkung
um die Ruhelage ermöglicht.
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Die
mehrfach bzw. beidseitig eingespannten Elektrodenfinger der drehbaren
Elektrodenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung
besitzen eine um einen Faktor von typischerweise 15 höhere
laterale Stabilität als bekannte Fingerelektrodenstrukturen.
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Die
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin,
die Elektrodenfinger der drehbaren Elektrodenstruktur mehrfach bzw.
beidseitig einzuspannen und die Elektroden der feststehenden Elektrodenstruktur
in Form von Rippen auf einer Grundplatte zu fixieren. Dadurch besitzen
beide Elektrodenstrukturen eine hohe laterale Stabilität. Die
drehbare Elektrodenstruktur und die feststehende Elektrodenstruktur
können im Ausgangszustand deutlich gegeneinander verkippt
sein, um ein weites Eintauchen der Finger ineinander zu ermöglichen, ohne
dass die Finger der drehbaren Elektrodenstruktur auf der unteren
Seite der Finger der feststehenden Elektrodenstruktur wieder auftauchen
bzw. gegen die Grundplatte stoßen können.
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Somit
ermöglicht die Erfindung lange stabile Finger einer Fingerelektrodenstruktur,
welche ein hohes Drehmoment bei geringem Platzbedarf aufbringen
können. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kosten aus
und ermöglicht einen kompakten Systemaufbau.
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Bei
Verwendung steiferer Finger lasst sich eine bessere Schockfestigkeit
erzielen. Es gibt nur eine geringe Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den
Fingern der feststehenden Elektrodenstruktur und den Fingern der
drehbaren Elektrodenstruktur. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene
Herstellungsprozess basiert auf etablierten Massenfertigungsschritten
und ist ein schnell umsetzbarer fertigungserprobter Prozess auf
vorhandenen Produktionsmaschinen.
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Erfindungsgemäß kann
zudem durch mechanisches Vorverkippen der Grundplatten mit dem statischen
Elektrodenstrukturen die Winkelbeschränkung aufgehoben
werden. Mit zunehmender Überlappung der Elektroden nimmt
die Federspannung zu und Drehmoment und Federspannung steigen somit gleichzeitig
an.
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In
den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen
und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung taucht jede Elektrodenrippe bereits in
Ruhelage teilweise in eine entsprechende Öffnung ein. Dies
vereinfacht die Auslenkung aus der Ruhelage.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die feststehende Elektrodenanordnung eine
zweite Grundplatte und mindestens eine darauf vorgesehene zweite
Elektrodenrippe auf, wobei die auslenkbare Elektrodenanordnung eine
an dem ersten Balken vorgesehene zweite Mehrzahl von Elektrodenfingern
aufweist, welche durch einen dritten Balken miteinander verbunden
sind, wobei die Elektrodenfinger, der erste Balken und der dritte
Balken eine entsprechende zweite Anzahl von Öffnungen definieren,
und wobei die feststehende Elektrodenanordnung und die auslenkbare
Elektrodenanordnung derart angeordnet sind, dass jede zweite Elektrodenrippe
zu einer entsprechenden der zweiten Anzahl von Öffnung
ausgerichtet ist und sich bei einer Auslenkung der auslenkbaren
Elektrodenanordnung die Ausrichtung ändert.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Grundplatte
in entgegengesetze Richtungen bezüglich der auslenkbaren
Elektrodenanordnung verkippt angeordnet. So lässt sich
eine symmetrisch auslenkbare Anordnung schaffen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der zweite Balken bzw. der
dritte Balken an einem vom ersten Balken entfernten Ende der Elektrodenfinger
vorgesehen.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Elektrodenfinger einen
oder mehrere äußere Elektrodenfinger auf, welche
eine derart angeschrägte Form aufweisen, dass sie einer
lateralen Auslenkung entgegenwirkt.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die feststehende Elektrodenanordnung und
die auslenkbare Elektrodenanordnung aus Silizium hergestellt.
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ZEICHNUNGEN
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in
der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1a,
b schematische perspektivische Ansichten einer mikromechanischen
Elektrodenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
einer erfindungsgemässen Mikroaktuatorvorrichtung mit einer
mikromechanischen Elektrodenstruktur gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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3a–d
schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer
Ausführungsform des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens;
und
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4a,
b schematische perspektivische Ansichten einer bekannten mikromechanischen
Elektrodenstruktur in Form einer Fingerstruktur bzw. Kammstruktur.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten.
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1a,
b sind schematische perspektivische Ansichten einer mikromechanischen
Elektrodenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In 1 bezeichnet Bezugszeichen 50 eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Elektrodenstruktur.
Die Elektrodenstruktur 50 umfasst eine feststehende Elektrodenstruktur
F, welche eine erste und zweite Grundplatte 1a, 1b aufweist,
auf der jeweils eine Mehrzahl paralleler, voneinander beabstandeter
Elektrodenrippen 2a, 2b, 2c bzw. 2d, 2e, 2f vorgesehen
ist. Die beiden Grundplatten 1a, 1b sind in entgegen
gesetzte Richtungen in Bezug auf eine darüberliegende drehbare Fingerelektrodenstruktur
D verkippt. Die drehbare Fingerelektrodenstruktur D weist einen
zentralen Balken 5 auf, an dem beidseitig jeweils eine
Mehrzahl von Elektrodenfingern 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h angebracht
ist. An den Enden der Finger 5a, 5b, 5c, 5d vorgesehen
ist ein erster Einspannbalken 15, und an den Enden der
Finger 5e, 5f, 5g 5h vorgesehen
ist ebenfalls ein zweiter Einspannbalken 25. Die Ein spannbalken 15, 25 vermitteln
den Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5d, 5e, 5f, 5g eine
erhöhte laterale Stabilität.
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Die
Elektrodenfinger 5a–5h, der Balken 5 und
die beiden Einspannbalken 15, 25 definieren eine
Anzahl von Öffnungen O1–O6, wobei die feststehende
Elektrodenanordnung F und die auslenkbare Elektrodenanordnung D
derart angeordnet sind, dass jede erste Elektrodenrippe 2a–2f zu
einer entsprechenden Öffnung O1–O6 ausgerichtet
ist und sich bei einer Auslenkung der auslenkbaren Elektrodenanordnung
D die Ausrichtung ändert. Bei der vorliegenden Ausführungsform
ist jede Elektrodenrippe 2a–2f in der
Ruhelage teilweise in eine entsprechende Öffnung O1–O6
eingetaucht.
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Die
Anordnung der festen Elektrodenstruktur F mit den verkippten Grundplatten 1a, 1b in
Bezug auf die drehbare Elektrodenstruktur D ist derart, dass unter
Verwendung des Balkens 5 als Drehachse die feststehende
Elektrodenstruktur F weiter in die drehbare Elektrodenstruktur D
auf beiden Seiten eintauchen kann. Die Elektrodenrippen 2a, 2b, 2c bzw. 2d, 2e, 2f greifen
nicht von der Seite zwischen die Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h,
sondern von unten. Dadurch lassen sich die Einspannbalken 15, 25 vorsehen,
welche die Stabilität wesentlich erhöhen. Um die
drehbare Elektrodenstruktur D weiter gegen ein seitliches Verkippen
zu stabilisieren, können die Verbindungen der Finger zum
Balken 5 optimiert ausgeführt werden bzw. der
Balken 5 selber verstärkt werden bzw. die außen
liegenden Finger besonders ausgeführt werden (vergleiche 2).
Da die Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h bei
einer Drehung aus Ihrer ursprünglichen Ebene heraus schwingen,
und zwar umso starker je länger sie sind, sollten die Grundplatten 1a, 1b zweckmäßigerweise
um den maximalen Auslenkwinkel der Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h zuzüglich
eines Sicherheitsabstandes vorausgelenkt sein.
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Durch
die Kopplung der Form der Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h der
drehbaren Elektrodenstruktur D und der Elektrodenrippem 2a, 2b, 2c bzw. 2d, 2e, 2f der
feststehenden Elektrodenstruktur F lassen sich auch mehrere voneinander
beabstandete Einspannbalken in den Finger der drehbaren Elektrodenstruktur
D integrieren, und dementsprechend mehrere Reihen von Rippen der
feststehenden Elektrodenstruktur F. Auch sind auf der Außenseite
der Einspannbalken 15, 25 angebrachte kurze unstabilisierte
bzw. ”flatternde” Finger denkbar. Ein diesbezüglicher
Vorteil wäre, dass sich diese verschiedenen Reihen von
Elektroden unterschiedlich ansteuern ließen und so unter
Umständen ein gleichmäßigerer Antrieb
umgesetzt werden könnte.
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2 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform
einer erfindungsgemässen Mikroaktuatorvorrichtung mit einer
mikromechanischen Elektrodenstruktur gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die Mikroaktuatorvorrichtung
eine Aktuatorvorrichtung zur Verdrehung eines Mikrospiegels 10,
welcher über Stege 8a, 8b in einer kreisringförmigen
Halterung 7 eingespannt ist. An gegenüberliegenden
Enden 55a, 55b der kreisringförmigen
Haltung 7 angebracht sind ein jeweiliger Mittelbalken 5' bzw. 5'' einer ersten
bzw. zweiten mikromechanischen Elektrodenstruktur 50a,
bzw. 50b, wie sie in Bezug auf 1 oben
erläutert worden sind, und zwar entlang einer Drehachse
ROT
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In 2 ersichtlich
ist, dass die außen liegenden Finger 5a', 5d', 5e', 5h' der
ersten und zweiten drehbaren Elektrodenstruktur eine andere Form aufweisen
als die Finger 5b, 5c, 5f, 5g.
Dabei ist die Form der außen liegenden Finger 5a', 5d', 5e', 5h' derart
schräg gestaltet, dass sie aufgrund ihrer Anschrägung
zur Außenseite einer Querverbiegung zusätzlich
entgegen wirkt.
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3a–d
sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung
einer Ausführungsform des erfindungsgemässen Herstellungsverfahrens.
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In 3a bezeichnet
Bezugszeichen 1 ein Standard-Halbleitersubstrat, beispielsweise
ein Silizium-Halbleitersubstrat. Auf das Silizium-Halbleitersubstrat 1 wird
eine Opferoxidschicht 40 aufgebracht und strukturiert,
d. h. bereichsweise entfernt. Anschließend wird vorzugsweise
eine Epitaxie-Silizium-Startschicht 41 auf die strukturierte
Opferoxidschicht 40 aufgebracht. Die Opferschicht 40 ist
in vorbestimmten Bereichen V1a, V1b unterbrochen. Die Startschicht 41 ermöglicht
das gleichmäßige Aufwachsen einer Funktionsschicht 45 aus
Polysilizium, aus der später sowohl die Elektroden der
drehbaren Elektrodenstruktur als auch die Rippen der feststehenden
Elektrodenstruktur durch einen entsprechenden Ätzvorgang
gebildet werden.
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Weiter
in Bezug auf 1b wird zunächst rückseitig
eine Kaverne K in das Halbleitersubstrat 1 von dessen Rückseite
her geätzt. Dies geschieht durch einen geeigneten anisotropen
Nassätzprozess.
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In
einem darauffolgenden Prozessschritt erfolgt eine Durchstrukturierung
des Halbleitersubstrats 1 innerhalb der Kaverne K durch
einen entsprechenden Trenchätzprozess, welcher auf der
Opferoxidschicht 40 stoppt. Dabei gebildet werden insbesondere
die Grundplatten 1a, 1b der feststehenden Elektrodenstruktur,
wie in 3c erkennbar.
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Daran
anschließend wird die Funktionsschicht 45, welche
vorzugsweise epitaktisch aufgebrachtes Polysilizium ist bzw. ein
SOI-Substrat ist, von der Vorderseite her strukturiert. Dies geschieht durch
einen bekannten Trenchätzprozess, in dem sowohl die bewegliche
Elektrodenstruktur D als auch die Rippen 2a, 2b, 2d, 2e der
feststehenden Elektrodenstruktur F erzeugt werden. Dies führt
zum in 3 gezeigten Prozesszustand.
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In
einem abschließenden Prozessschritt, welcher in 3 nicht illustriert ist, erfolgt dann
ein Ätzen der Opferoxidschicht 40, um die drehbare
Fingerelektrodenstruktur D von der feststehenden Elektrodenstruktur
F zu trennen. Dabei sollte beachtet werden, dass die fest angebundenen
Bereiche, beispielsweise die Rippen 2a, 2b, 2d, 2e,
vor einer zu großen Unterätzung geschützt
sind.
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Nachdem
die Grundplatten 1a, 1b von der drehbaren stabilisierten
Fingerelektrodenstruktur gelöst worden ist, werden diese
in einem nicht dargestellten bekannten Prozessschritt stabilisiert
und entsprechend, wie in 1a, b
dargestellt, vorausgelenkt. Geeignete weitere Prozessschritte, die
ebenfalls nicht illustriert sind, dienen dann der Kontaktierung,
Verlegung von Leiterbahnen und beispielsweise Einbringung von Möglichkeiten
zur Positionserfassung.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern
auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Insbesondere
müssen die Grundplatten bei kleinen Auslenkungen nicht
verkippt sein, und auch die Rippen müssen nicht im Ruhezustand
in die Öffnungen eintauchen. Weiterhin sind neben der beschriebenen
rotatorischen Auslenkung auch translatorische Auslenkungen der Fingerelektrodenstruktur D
denkbar. Wie oben angedeutet können mehrere Stabilisierungsbalken über
die Länge der Fingerelektroden vorgesehen sein, und entsprechend
mehrere Rippenreihen. Auch muss die Elektrodenanordnung nicht symmetrisch
zum Mittelbalken sein, sondern kann auch nur einseitig ausgebildet
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0117235
A1 [0007]