DE102021204653A1

DE102021204653A1 - In-plane MEMS-Varaktor

Info

Publication number: DE102021204653A1
Application number: DE102021204653.3A
Authority: DE
Inventors: Michael Stolz; . Shashank; Bert Kaiser; Anton Melnikov
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-11-10
Also published as: WO2022233997A1

Abstract

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

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf MEMS-Bauelemente und Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements, insbesondere solcher MEMS-Bauelemente, die durch eine Bewegung parallel zu einer Substratebene einen Kapazitätswert ändern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Varaktor.
Ein MEMS-Varaktor ist eine variable Kapazität, bei der die Kapazitätsänderung meist durch die Änderung des Elektrodenabstands realisiert wird. MEMS-Varaktoren haben typischerweise kleine Durchstimmbarkeiten (engl.: tuning ratio, TR) von weniger als 5, weil der für die Durchstimmbarkeit notwendige Elektrodenhub stark begrenzt ist. Die Begrenzung ist durch die verwendbare Aktorik erklärt. Normalerweise ist das eine klassische elektrostatische bzw. direkte Coulomb'sche Anziehung zwischen der geerdeten Elektrode und der Signallinie (RF-Line). Wegen solchen Limitierungen wie z. B. dem Pull-ln(PI)-Effekt kann beispielsweise nur ca. ein Drittel vom initialen Abstand der Elektroden zur Kapazitätsvariation genutzt werden. Die Ausnutzung dieses Abstands oder Gaps ist somit ineffizient unabhängig von dem Ausgangsabstand und führt zu einem kleinen Tuning Ratio, welches wie folgt definiert ist: $T R = C / C_{0}$
Ein Zusatzproblem bei dem Pull-In ist das Verkleben (engl.: sticking) der Elektroden, das auftreten kann.
Wünschenswert wären demnach MEMS-Bauelemente, die ein hohes Tuning Ratio aufweisen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS-Bauelemente mit einem hohen Tuning-Ratio bezogen auf eine elektrische Kapazität zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektrode einer Elektrodenanordnung, die einen elektrischen Kondensator bildet, in-plane, das bedeutet parallel zu der Substratebene, zu verändern und hierfür ein eigenes Aktuatorelement vorzusehen, wodurch eine entsprechende Haltekraft auf die bewegte Elektrode ausgeübt wird, was den Pull-In-Effekt reduzieren kann, womit der effektiv nutzbare Stellweg vergleichsweise groß ausfallen kann und damit auch ein hohes Tuning Ratio erzielt werden kann. Hierzu eignen sich einerseits Aktuatoren mit zwei oder mehr parallel zu der Substratebene beabstandeten und an diskreten Bereichen isolierten und mechanisch miteinander verbundenen Balken als auch eine Anordnung, bei der mehrere Kapazitätswerte gleichzeitig vergrößert oder gleichzeitig verkleinert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement ein in einer Substratebene angeordnetes Substrat. Ferner ist eine Elektrodenanordnung angeordnet, die eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur aufweist, wobei die zweite Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der ersten Elektrodenstruktur angeordnet ist, um einen elektrischen Kondensator zu bilden. Das MEMS-Bauelement umfasst einen Aktuator, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators zu verändern. Der Aktuator umfasst zumindest zwei parallel zu der Substratebene beabstandete und an diskreten Bereichen mechanisch miteinander verbundene, im Bedarfsfall dort auch elektrisch isolierte Balken, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, das ausgebildet ist, um sich in-plane-bezogen auf die Substratebene zu bewegen, um den Elektrodenabstand zu verändern. Die Kraft des Aktuators kann eine Rückstellkraft oder Haltekraft für ein durch den Aktuator bewegte Elektrode bereitstellen, was das Auftreten des Pull-In-Effekts verhindern oder hemmen kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement ein in einer Substratebene angeordnetes Substrat und eine Elektrodenanordnung, die eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur aufweist, wobei die zweite Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der ersten Elektrodenstruktur angeordnet ist, um einen ersten elektrischen Kondensator mit einem ersten Kapazitätswert zu bilden. Ferner ist ein zweiter elektrischer Kondensator angeordnet, der einen zweiten Kapazitätswert bildet und eine dritte Elektrodenstruktur aufweist, die zusammen mit der ersten Elektrodenstruktur oder einer zusätzlichen vierten Elektrodenstruktur den zweiten elektrischen Kapazitätswert bereitstellt. Es ist eine Aktuatoreinrichtung vorgesehen, die mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert unabhängig voneinander einzustellen und/oder den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert gleichzeitig zu erhöhen oder gleichzeitig zu reduzieren.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements ein Ansteuern zumindest eines Balkens eines Aktuators mit zumindest zwei parallel zu einer Substratebene des MEMS-Bauelements beabstandeten und an diskreten Bereichen isolierten und mechanisch miteinander verbundenen Balken, die ein gemeinsamem bewegliches Element bilden, um das bewegliche Element in-plane bezogen auf die Substratebene zu bewegen. Das Verfahren wird so ausgeführt, dass ein Elektrodenabstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur einer Elektrodenanordnung und einer parallel zu der Substratebene angeordneten zweiten Elektrodenstruktur der Elektrodenanordnung parallel zu der Substratebene verändert wird, indem der Aktuator durch eine Verformung eines Balkens parallel zu der Substratebene eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt.
Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Ändern eines ersten elektrischen Kapazitätswerts und eines zweiten elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements umfasst ein Ansteuern einer Aktuatoreinrichtung, um einen ersten Abstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die parallel zu einer Substratebene des MEMS-Bauelements gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und einen ersten elektrischen Kondensator mit einem ersten elektrischen Kapazitätswert bilden, zu ändern. Ferner wird durch das Ansteuern ein zweiter Abstand zwischen zumindest einer dritten Elektrodenstruktur und einer mit der dritten Elektrodenstruktur den zweiten elektrischen Kapazitätswert bildenden Elektrodenstruktur, die parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der dritten Elektrodenstruktur angeordnet ist, geändert, um dadurch den zweiten elektrischen Kapazitätswert zu reduzieren oder zu erhöhen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:

1a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel;
1b eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Bauelements aus 1a;
2a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, das zwei Kapazitätswerte aufweist;
2b eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement aus 2a, bei dem gegenüber dem unausgelenkten Zustand der 2a Elektrodenstrukturen ausgelenkt sind;
3 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine dielektrische Schicht zwischen Kondensatorelektroden aufweist;
4 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Oberflächenvergrößerung der Kondensatorelektroden aufweist;
5a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Oberflächenvergrößerung der Elektrodenstrukturen;
5b eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelementgemäß einem Ausführungsbeispiel, das das MEMS-Bauelement aus 5a dahin gehend erweitert, dass bei den Kondensatoren an zumindest einer der Elektrodenstrukturen eine Isolationsschichtangeordnet ist;
6 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere vorteilhafte Weiterbildungen implementiert sind;
7 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus 2a;
8 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus 2a analog 7, aber in einem ausgelenkten Zustand;
9 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Signalleitung außerhalb einer Ebene weiterer Elektrodenstrukturen angeordnet ist; und
10 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus 6.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen 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 Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.
1a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement weist ein Substrat 12 auf, das in Übereinstimmung mit MEMS-Bauweisen beispielsweise ein Halbleitermaterial sein kann, etwa umfassend Silizium, Galliumarsenid oder dergleichen. Ohne Einschränkung der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele kann aber auch ein beliebiges anderes Trägermaterial als Substrat 12 verwendet werden, beispielsweise ein metallisches Material, ein Fasermaterial oder dergleichen. Das Substrat 12 erstreckt sich in einer Substratebene, die beispielsweise als x/y-Ebene dargestellt ist. Anders ausgedrückt kann sich die Substratebene x/y aus der Orientierung des Substrats 12 ergeben. In Halbleiterprozessen kann die Substratebene beispielsweise diejenige Ebene sein, in welcher ein verwendeter Wafer orientiert ist, aus welchem zumindest ein Teil des MEMS-Bauelements gebildet wird.
Das MEMS-Bauelement umfasst ferner eine Elektrodenanordnung, die eine Elektrodenstruktur 14₁ und eine Elektrodenstruktur 14₂ umfasst. Die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, um einen elektrischen Kondensator zu bilden oder bereitzustellen. Die gegenüberliegende Anordnung erfolgt dabei parallel zu der Substratebene, so dass eine Änderung eines Abstands 16 zwischen den Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ eine Bewegung zumindest einer der Elektrodenstrukturen 14₁ und/oder 14₂ parallel zu der Substratebene x/y umfasst, das bedeutet, in-plane orientiert ist.
Ferner umfasst das MEMS-Bauelement 18 einen Aktuator 18, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist. Obwohl in 1a eine mechanische Kopplung durch ein Koppelelement 22 und mit der Elektrodenstruktur 14₂ dargestellt ist, kann alternativ oder zusätzlich auch eine mechanische Kopplung mit der Elektrodenstruktur 14₁ erfolgen. Eine Aktuierung des Aktuators 18 kann eine Änderung des Abstands 16 bewirken, womit basierend auf der Kondensatorgleichung $C = ε_{0} ε_{r} \frac{A}{d}$
eine Änderung in dem durch den elektrischen Kondensator bereitgestellten elektrischen Kapazitätswerts erzielt wird. Dabei ist ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, ε_r eine relative Permittivität des Mediums zwischen den Elektroden, A die Elektrodenfläche, und d der Elektrodenabstand.
Der Aktuator umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest zwei Balken 24₁ und 24₂, die an zwei oder mehr diskreten Bereichen 26₁, 26₂ und/oder 26₃ mechanisch miteinander verbunden sind und somit fixiert sind. Die verbundenen Balken bilden ein gemeinsames bewegliches Element, das ausgebildet ist, um sich in-plane bezogen auf die Substratebene zu bewegen, um den Elektrodenabstand zu verändern, indem eine Bewegung 28 des Aktuators 18 an zumindest eine der Elektrodenstrukturen übertragen wird.
Obwohl eine symmetrische Anordnung zweier Aktuatoren und zweier Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ bezüglich der Elektrodenstruktur und 14₂ dargestellt ist, kann das MEMS-Bauelement 20 auch lediglich eine dieser Anordnungen umfassen, was bereits in 1 angedeutet ist.
Für die Auslenkung des beweglichen Elements bzw. des Balkens 24₁ und/oder 24₂ können unterschiedliche Aktuatorprinzipien angewendet werden, darunter ein elektrostatischer Antrieb, ein piezoelektrisch erhaltener Antrieb und ein thermomechanischer Antrieb. Das bedeutet, die Balken 24₁ und/oder 24₂ können möglicherweise, aber nicht notwendigerweise als Elektrodenstrukturen gebildet sein. Für den Fall, dass Elektrodenstrukturen verwendet werden, etwa zum Implementieren eines elektrostatischen Antriebs, können die Balken vermittels der diskreten Bereiche 26₁ bis 26₃ auch elektrisch voneinander isoliert werden, etwa indem ein elektrischer Isolator als Verbindungsmaterial vorgesehen wird, beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Ein möglicher Aufbau des Aktuators 18 ist angelehnt an eine Implementierung in einem MEMS-Lautsprecher beispielsweise der WO 2018/193109 A1 zu entnehmen.
Basierend auf einem Funktionsprinzip des Aktuators 18 und/oder einer Verschaltung des Balkens 24₂ und/oder der Elektrodenstruktur 14₂ kann das Koppelelement 22 wahlweise elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig gebildet sein.
1b zeigt eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Bauelements 10 aus 1a. Dort ist noch einmal dargestellt, dass die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Eine Ausdehnung entlang einer dritten kartesischen Richtung z ist dabei lediglich beispielhaft gewählt und kann, insbesondere, zum Erzeugen einer großen Kapazität, auch größer sein als eine Abmessung der Elektrodenstrukturen entlang x und/oder y.
Der Aktuator 18 bzw. die Balken 24₁ und/oder 24₂ kann in derselben Ebene wie die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ angeordnet sein, kann aber auch in einer anderen Ebene angeordnet sein, was problemlos möglich ist, indem die Bewegung des Aktuators vermittels senkrecht zur Substratebene ausgerichteter mechanischer Elemente in die Ebene der Elektrodenstrukturen 14₁ und/oder 14₂ übertragen wird.
Das MEMS-Bauelement 10 kann beispielsweise als MEMS-Varaktor oder als kapazitiver Hochfrequenzschalter gebildet sein.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass sich die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ ebenso wie der Aktuator 18 auf unterschiedliche Weise an dem Substrat 12 abstützen können. Beispielsweise kann eine Abstützung der Elektrodenstruktur 14₁ entlang der z-Richtung erfolgen und/oder eine Einspannung oder Abstützung entlang der x-Richtung und/oder y-Richtung. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass sich eine Elektrodenstruktur über den Aktuator am Substrat 12 abstützt, wie es beispielsweise für die Elektrodenstruktur 14₂ dargestellt ist. Der Aktuator kann mit dem Substrat 12 in einer beliebigen Ebene mechanisch verbunden sein und sich daran abstützen.
2a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement 20 ist beispielhaft so gebildet, dass zwei Aktuatoren 18₁ und 18₂ vorgesehen sind, um unabhängig voneinander oder synchron oder in einem bestimmten Verhältnis zueinander Abstände 16₁ und 16₂ eines ersten elektrischen Kondensators 32₁ und eines zweiten elektrischen Kondensators 32₂ zu verändern, wie es durch C₁ und C₂ dargestellt ist.
Die Aktuatoren 18₁ und 18₂ sind beispielsweise so gebildet, dass jeweils drei Balken 24₁, 24₂ und 24₃ einerseits bzw. 24₄, 24₅ und 24₆ andererseits an diskreten Bereichen 26₁ bis 26₁₀ bzw. 26₁₁ bis 26₂₀ miteinander mechanisch verbunden und fixiert sind.
Beispielsweise sind die Balken 24₁ bis 24₆ jeweils als Elektrodenstrukturen gebildet, um elektrostatische Kräfte zwischen benachbarten Balken zu erzeugen, um so eine Auslenkung des Aktuators 18₁ und/oder 18₂ zu bewirken. Die Aktuatoren 18₁ und/oder 18₂ können dabei an dem Substrat 12 abgestützt sein, indem die Balken 24₁ bis 24₆ als eingespannte Balken implementiert werden, wobei sowohl eine einseitige als auch eine zweiseitige Abstützung oder Einspannung in Betracht kommen.
Die elektrischen Kondensatoren 32₁ und 32₂ weisen eine gemeinsame Elektrode 14₂ auf, die lediglich beispielhaft als Hochfrequenz(HF; engl.: radio frequency, RF)-leitung gebildet ist. Diese Leitung kann mit einem Signaleingang 34 und/oder einem Signalausgang 36 verbunden sein, so dass beispielsweise ein entsprechendes Signal vom Eingang 34 zum Ausgang 36 geleitet wird.
Diese Signalleitung bzw. Elektrode 14₂ kann nun beidseitig mit einem Kapazitätswert C₁ bzw. C₂ beaufschlagt werden bzw. einen Teil hiervon bilde, wobei hierfür die Elektroden 14₁ und 14₃ gemeinsam oder unabhängig voneinander vermittels der Aktuatoren 18₁ und 18₂ eingestellt werden können.
Es ergibt sich aber unmittelbar, dass anstelle der gemeinsamen Elektrode 14₂ auch eine zusätzliche Elektrodenstruktur angeordnet sein kann, so dass beispielsweise die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ einerseits und die Elektrodenstruktur 14₃ und eine gegenüberliegend hierzu angeordneten und nicht dargestellte Elektrodenstruktur einen jeweiligen elektrischen Kondensator bilden.
2b zeigt eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement 20, bei dem gegenüber dem unausgelenkten Zustand der 2a die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ auf die dazwischenliegend angeordnete Elektrodenstruktur 14₂ zu bewegt sind, so dass Abstände 16'₁ und 16'₂ gegenüber den Abständen 16₁ bzw. 16₂ aus 2a verringert sind. Aus der Kondensatorgleichung ergibt sich daraus eine vergrößerte elektrische Kapazität der Kondensatoren 32₁ und 32₂.
In der Ausgestaltung des MEMS-Bauelements 20 dahin gehend, dass eine Signalleitung verwendet werden kann, um eine Elektrodenstruktur bereitzustellen, kann es vorteilhaft sein, den elektrischen Kondensator demgegenüber mit einer Elektrode zu bilden, die auf einem fliegenden Potenzial (engl.: floating) liegt oder aber mit einem Referenzpotenzial, etwa 0 Volt, Masse/GND oder dergleichen kontaktiert ist.
In der beispielhaften Ausgestaltung des Aktuators 18₁ und 18₂ vermittels jeweils dreier benachbart zueinander angeordneter Balken, kann eine vorteilhafte Kontaktierung dieser Balken so erfolgen, dass ein innerer Balken 24₂ bzw. 24₅ mit einem Steuersignal beaufschlagt wird, angedeutet durch ein „+V“. Die äußeren Balken 24₁ und 24₃ einerseits bzw. 24₄ und 24₆ andererseits können mit dem Referenzpotenzial GND beaufschlagt werden. Wird dieses Potenzial auch für die Elektroden 14₁ und 14₃ vorgesehen, so können beispielsweise die Koppelelemente 22₁ und/oder 22₂ elektrisch leitfähig gebildet sein, um das Potenzialproblemlos von dem Balken 24₃ zu der Elektrode 14₁ und/oder von dem Balken 24₄ zu der Elektrode 14₃ zu übertragen oder andersherum, was eine Schaltungskomplexität gering halten kann.
Wie es in 2b beispielhaft dargestellt ist, kann eine der Elektrodenanordnungen 14₁ bzw. 14₃ zugewandte Elektrode des Aktuators 18₁ bzw. 18₂ und eine dem Aktuator zugewandte Elektrodenstruktur der Elektrodenanordnung elektrisch miteinander verbunden sein.
Das MEMS-Bauelement 20 kann eine Ansteuereinrichtung 37 aufweisen, die ausgebildet ist, um den Aktuator 18₁ und/oder 18₂ anzusteuern. Optional aber nicht notwendigerweise kann die Ansteuereinrichtung 37 beispielsweise das Referenzpotenzial GND bereitstellen. Ein Ansteuerpotenzial 39, angedeutet als „+V“ kann für beide Aktuatoren gemeinsam oder auch individuell bereitgestellt werden. Der Aktuator 18₁ und/oder 18₂ kann eingerichtet sein, um einen linearen Zusammenhang oder einen hyperbolischen, also beispielsweise einen quadratischen Zusammenhang zwischen dem Ansteuersignal 39 und einer bewirkten Änderung des elektrischen Kapazitätswerts einzustellen. Der elektrische Kapazitätswert kann bezüglich seiner Änderungen einen über eine Funktion darstellbaren Zusammenhang aufweisen, was über die Geometrie, die bewirkten Kräfte, die Änderung des Abstands sowie die weiteren geometrischen Eigenschaften problemlos einstellbar ist.
Ein hyperbolischer Zusammenhang, also in Übereinstimmung mit einer Hyperbel ist bspw. gegeben durch eine inverse Abhängigkeit der Kapazität zum Abstand. Eine hyperbolische Bewegung kann erhalten werden, indem die bewegliche Elektrode linear verschoben wird, da die Kapazität ausgedrückt werden kann als : $C \sim 1/ (g - x (t))$
g ist dabei ein Anfangsabstand und x(t) eine Elektrodenverschiebung. Für x(t) gilt $x (t) = f (U (t))$
und ist eine Funktion der Aktuatorspannung. Wird eine spezielle Form der elektrischen Aktuatorspannung erzeugt und verschiebt damit die Elektrode nicht linear sondern quasi „invers hyperbolisch“ ändert sich die Kapazität basierend auf dieser Anpassung eher linear mit der angelegten Spannung als hyperbolisch.
Die Ansteuereinrichtung 37 kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, um den Aktuator quasi-statisch anzusteuern. Als quasi-statisch wird eine Änderung der Auslenkung des Aktuators fernab einer Resonanzfrequenz verstanden. Dies wird beispielsweise mit einer Ansteuerfrequenz von höchstens 80%, bevorzugt höchstens 50% und besonders bevorzugt höchstens 20% der Resonanzfrequenz des Aktuators bewirkt.
Ein Ausführungsbeispiel kann anhand von 2a und 2b und anhand von beidseitig festeingespannten LNED Aktoren 18 präsentiert und näher erläutert werden, wobei die Ausführung der Aktorik (z. B. Einspannungsart, Anzahl der Aktorelektroden, Anzahl der Aktoren, Aktorform usw.) variabel sein kann. Der Varaktor 20 besteht aus der am Substrat 12 bzw. Handle-Wafer fixierten RF-Line 14₂, in der ein hochfrequentes Signal (HF-Signal) propagieren kann. Von den beiden Seiten der RF-Line werden die geerdeten beweglichen Varaktorelektroden 14₁, 14₃ angeordnet.
Die Varaktorelektroden sind mit den im Beispiel beidseitig eingespannten LNED Aktoren 18 mechanisch mittels Verbindungselementen 22 verbunden und sind in einem definierten Abstand (bspw. von 1 µm bis 50 µm, bevorzugt von 2,5 µm bis 5 µm) von der RF-Line 14₂ entfernt. Die Elektroden 14₁, 14₃ sind weiterhin mechanisch mit dem umgebenden Substrat 12 verbunden.
Ausführungsbeispiele weisen eine Verbindung auf, die eine geringe Steifigkeit als das Substrat 12 und die Elektrode 14₁, 14₃ haben (federartig). Sie können auch nur durch Verbindungselemente 22 mit Aktoren und entsprechend mit dem Substrat verbunden werden und nicht mit dem umgebenen Substrat 12 verbunden sein. Die Verbindungselemente 22 können federartig ausgestaltet sein, das bedeutet, dass die Steifigkeit dieser Elemente geringer als die Steifigkeit der Elektroden 14₁, 14₃ oder der Aktoren 18 ist. Der Abstand 16 zwischen der RF-Line 14₂ und der geerdeten Elektroden 14₁, 14₃ definiert eine Anfangskapazität, was für eine Elektrodenseite des Varaktors 20 durch ein Plattenkondensatormodel mit einer simplen Formel beschrieben werden kann: $C_{0} = \frac{ε_{0} ε_{r} A}{g}$
wobei ε₀ - die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, ε_r - relative Permittivität des Mediums, A - Elektrodenfläche, g - initiale Elektrodenabstand sind. Wird nun eine elektrische Spannung an die LNED-Aktoren 18 angelegt, führt das zum Auslenken der Aktoren 18 in der Chipebene und somit zur Verschiebung der geerdeten Varaktorelektroden 14₁, 14₃ um x in Richtung der RF-Line 14₂. Der Abstand 16 zwischen den Elektroden wird kleiner, was die Kapazität des Systems vergrößert. $C (x) = \frac{ε_{0} ε_{r} A}{g - x}$
Die einheitslose Zahl, die die Kapazitätsänderung beschreibt, wird tuning ratio (TR) genannt und ist wie folgt definiert: $T R = \frac{C (x)}{C_{0}}$
Im Vergleich zu den klassischen MEMS-Varaktoren wird bei dieser Anordnung die Bewegung der GND-Elektrode nicht durch die klassische elektrostatische Anziehung zur RF-Line realisiert, sondern durch die von der parasitären elektrostatischen Anziehung entkoppelten LNED-Aktorik 18 ermöglicht. Das ermöglicht eine effizientere Ausnutzung des initialen Elektrodenabstandes und eine kontinuierliche Bewegung der GND-Platte fast bis zur Berührung mit der RF-Line 14₂. Dadurch können deutlich höheren TR erreicht werden als Stand der Technik anbieten kann.
In anderen Worten zeigt 2b in einer Draufsicht den Varaktor 30 in einem ausgelenkten Zustand. Hierbei ist der Elektrodenabstand deutlich geringer und das Volumen der Kavität verringert sich. Die Verringerung des Volumens kann zur Dämpfung des Systems genutzt werden. Ausführungsbeispiele des Varaktors sehen eine einstellbare Dämpfung vor. Hierbei können die Kavitäten über Öffnungen im Deckel- und/oder Handlewafer (nicht dargestellt) mit der Umgebung verbunden werden. In diesem Fall kann Fluid (Luft) über die Öffnungen in die Kavität hineinströmen oder aus dieser herausbefördert werden.
Die Bewegung der Elektroden 14₁, 14₃ gegenüber der RF Line 14₂ erfolgt statisch oder quasistatisch. Typische Frequenzen der Bewegung liegen zwischen 0 und 100 % der Resonanzfrequenz der Aktoren 18. Dabei ist der Bereich von < 0 - 20 % als quasistatisch anzusehen und besonders bevorzugt. 0 % der Resonanzfrequenz ist der statische Bereich. Bevorzugte Frequenzen liegen zwischen < 0 - 50% der Resonanzfrequenz.
3 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dieses ist vergleichbar aufgebaut mit dem MEMS-Bauelement 20 und weist darüber hinaus dielektrische Schichten 38₁ und 38₂ auf, die ein dielektrisches Material umfassen, beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid oder ein anderes, bevorzugt vermittels MEMS-Prozessen verarbeitbares dielektrisches Material, bspw. ein elektrisch nichtleitendes Material. Die dielektrischen Schichten 38₁ und/oder 38₂ können dabei durchgehend oder, wie dargestellt, strukturiert sein. Während dielektrische Schicht 38₁ zwischen den Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ angeordnet ist, kann die dielektrische Schicht 38₂ zwischen den Elektrodenstrukturen 14₂ und 14₃ angeordnet sein. Obwohl beide dielektrischen Schichten 38₁ und 38₂ gleichstrukturiert dargestellt sind, können sie auch unterschiedlich voneinander strukturiert sein, oder es kann lediglich eine der beiden Schichten strukturiert sein oder es können beide Schichten unstrukturiert sein. Optional kann auch lediglich eine der beiden Schichten, strukturiert oder unstrukturiert angeordnet sein oder es kann keine der beiden Schichten angeordnet sein, wie es beispielsweise in den 2a und 2b dargestellt ist.
Die dielektrische Schicht kann auch als Isolationsschicht bezeichnet werden und ermöglicht einerseits eine Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen aufeinander zu oder voneinander weg bewegten Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ bzw. Elektrodenstrukturen 14₂ und 14₃.
Neben einer Kapazitätserhöhung vermittels einer Dielektrizitätskonstante ε_r > 1 kann insbesondere durch eine Strukturierung der Schichten 38₁ und/oder 38₂ eine Anti-Stiction-Funktion implementiert werden. Durch eine Verringerung einer Oberfläche, die mit der gegenüberliegenden Elektrode mechanisch in Anschlag gebracht werden kann, beispielsweise verglichen mit der Darstellung in der 2a, werden beispielsweise auch die Haftungskräfte verringert, so dass es einfacher ist, das Anhaften der Elektroden zu lösen und/oder zu vermeiden.
Im Falle eines mechanischen Kontakts zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der Isolationsschicht einerseits und der Isolationsschicht und der zweiten Elektrodenstruktur andererseits kann eine nicht-dargestellte Steuereinrichtung des MEMS-Bauelements ausgebildet sein, um ein Potenzial an eine von dem mechanischen Kontakt betroffene Elektrodenstruktur anzulegen, um es zu ermöglichen, dass Ladungsträger von der Elektrodenstruktur abfließen und so die Anhaftung (stiction) gelöst wird.
Obwohl die dielektrische Schicht 38₁ so dargestellt ist, dass sie an der Elektrodenstruktur 14₁ angeordnet ist und die dielektrische Schicht 38₂ so dargestellt ist, dass sie an der Elektrodenstruktur 14₃ angeordnet ist, kann alternativ oder zusätzlich auch eine dielektrische Schicht an der Elektrodenstruktur 14₂ angeordnet sein, beispielsweise der Elektrodenstruktur 14₁ und/oder der Elektrodenstruktur 14₂ zugewandt.
In anderen Worten zeigt 3 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Varaktors 30, der alternative Elektroden 14₁, 14₃ mit einer Isolationsschicht 38 enthält. Diese Isolationsschicht ist vorzugsweise unterbrochen. Dadurch wird vorteilhaft die effektive relative Dielektrizitätszahl im Elektrodenspalt 16₁, 16₂ vergrößert. Gleichermaßen wird ein unbeabsichtigtes anhaften der Elektrode 14₁, 14₃ an der RF Linie 14₂ verhindert. Eine ähnliche vorzugsweise unterbrochene Isolationsschicht kann auf der RF Linie 14₂ strukturiert werden..
4 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 40, das in Übereinstimmung mit den weiteren hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgestaltet ist. Anders als beispielsweise das MEMS-Bauelement 20 kann die Elektrodenstruktur 14₁ und die der Elektrodenstruktur 14₁ zugewandte Seite der Elektrodenstruktur 14₂ und/oder die Elektrodenstruktur 14₃ und/oder die der Elektrodenstruktur 14₃ zugewandte Seite der Elektrodenstruktur 14₂ eine Oberflächenvergrößerung aufweisen. Dies kann beispielsweise vermittels einer Topographie und/oder Strukturierung erfolgen. Eine oder beide Kondensatoren 32₁ und/oder 32₂ können dabei auch so gebildet sein, dass eine der beiden Elektrodenstrukturen oder beide der Elektrodenstrukturen auch keine Oberflächenvergrößerung aufweisen.
Die Oberflächenvergrößerung kann auch so verstanden werden, dass zumindest eine der beiden Elektrodenstrukturen eines Kondensators zumindest bereichsweise einen entlang eines veränderlichen Orts, etwa entlang der y-Richtung, auf einer jeweiligen Elektrodenoberfläche der Elektrodenstruktur einen veränderlichen Elektrodenabstand zueinander aufweisen. Wie es beispielsweise anhand der Abstände 16_1-1 und 16_1-2 dargestellt ist, kann sich entlang der y-Richtung der Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ verändern.
Eine derartige Ausgestaltung hat mehrere positive Vorteile für den Kondensator und mithin den Varaktor. Zunächst kann die wirksame Oberfläche der Elektroden gegenüber der Ausgestaltung in den 2a und 2b vergrößert werden. Darüber hinaus erfolgt beispielsweise bei einem mechanischen Kontakt, etwa infolge eines Pull-Ins eine mechanische Kontaktierung zwischen den Elektrodenflächen der Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ einerseits als auch 14₃ und 14₂ andererseits an einer vergleichsweise geringeren Fläche, was in vorteilhafter Weise zu geringen Haftkräften zwischen den Elektrodenstrukturen führt. Darüber hinaus werden geometriegestützte Feldinhomogenitäten durch den nicht-planaren Verlauf der Flächen, insbesondere bei einer Veränderung des Elektrodenabstands erzeugt.
In anderen Worten zeigt 4 ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Varaktors 40, der alternative Elektroden 14₁, 14₂ und eine alternative RF Linie 14₂ enthält. In der Draufsicht ist erkennbar, dass sowohl die Elektrode 14₁, 14₂ als auch die RF Linie 14₂ keine glatten zugewandten Flächen aufweisen. Vielmehr können die Flächen wellen- oder zickzackförmige Ausbuchtungen aufweisen, die die jeweilige Oberfläche vergrößern. Beispielhaft dargestellt sind zickzackförmige Ausbuchtungen. Die Ausbuchtungen auf den beiden gegenüberliegenden Oberflächen können nicht periodisch und nicht symmetrisch ausgeführt werden. Vorteilhaft ist durch eine derartige Ausführungsform die Kontaktfläche zwischen Elektrode 14₁, 14₃ und RF-Linie 14₂ im Falle einer Berührung minimiert. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführung ist die Vergrößerung der effektiven Kapazitätsfläche und somit der Kapazitätswertes selbst. Zudem werden die geometriegestützten Feldinhomogenitäten an den nicht planparallelen Flächen zu den größeren Kapazitätsänderungen bei der Verkleinerung bzw. Vergrößerung des Elektrodenabstandes 16₁, 16₂ führen.
5a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 50₁ gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement 50₁ weist eine Oberflächenvergrößerung der Elektrodenstrukturen 14₁, 14₂ und 14₃ auf. Anders als jedoch im Zusammenhang mit der 4 beschrieben, ist diese Oberflächenvergrößerung beispielhaft kamm-artig ausgestaltet, so dass ein im Wesentlichen gleichbleibender Abstand 16₁ und 16₂ in den Kondensatoren 32₁ und 32₂ erhalten wird. Gut erkennbar ist das ebenfalls in den MEMS-Bauelementen 20, 30 und/oder 40 implementierbare Merkmal, dass die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ lediglich über dem Aktuator 18₁ bzw. 18₂ an dem Substrat gestützt sind, aber zum Substrat 12 in der dargestellten Ebene einen Abstand aufweisen. Dies kann eine homogene Bewegung der Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ bewirken, wobei es zur zusätzlichen Stabilisierung entlang der z-Richtung durchaus möglich ist, die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ in der dargestellten Ebene mit dem Substrat 12 zu verbinden.
5b zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 50₂, das das MEMS-Bauelement 50₁ dahin gehend erweitert, dass bei den Kondensatoren 32₁ und/oder 32₂ an zumindest einer der Elektrodenstrukturen 14₁ und/oder 14₂ bzw. 14₂ und/oder 14₃ die Isolationsschicht 38 als strukturierte oder unstrukturierte Schicht angeordnet ist. Dies führt zu den im Zusammenhang mit der 3 erläuterten Vorteilen.
Anders ausgedrückt kann die dielektrische Schicht 38₁ an der Elektrodenstruktur 14₁, die dielektrische Schicht 38₂ an einer der Elektrodenstruktur 14₁ zugewandten Seite der Elektrodenstruktur 14₂, die dielektrische Schicht 38₃ an einer der Elektrodenstruktur 14₃ zugewandten Seite der Elektrodenstruktur 14₂ und/oder die dielektrische Schicht 38₄ an der Elektrodenstruktur 14₃ in strukturierter oder unstrukturierter Weise angeordnet sein.
In anderen Worten zeigt die 5b einen alternativen Varaktor 50₂ mit einer vorteilhaft vergrößerten Kapazitätsfläche und somit des Kapazitätswertes selber. Die alternative RF Linie 14₂ ist, genauso wie die alternativen Elektroden 14₁, 14₃ kammartig strukturiert. Diese kammartige Strukturierung ist so ausgebildet, dass die Finger der jeweiligen Kämme der Elektroden 14₁, 14₃ und 14₂ ineinandergreifen. Vorteilhaft wird dadurch die Dielektrizitätskonstante im Spalt erhöht und ein verbessertes tuning ratio TR stellt sich ein.
Darüber hinaus ist in 5b dargestellt, dass die RF-Linie 14₂ und die kammförmigen Elektroden 14₁, 14₃ mit einer Isolationsschicht 38 ausgestattet sind. Vorteilhaft werden dadurch Hafteffekte zwischen Elektrode 14₁, 14₃ und RF-Linie 14₂ vermieden.
6 zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere vorteilhafte Weiterbildungen implementiert sind, die einzeln oder auch in Kombination umgesetzt werden können und darüber hinaus auch einzeln oder in Kombination mit anderen hierin beschriebenen MEMS-Bauelementen kombiniert werden können.
Zum einen weist das MEMS-Bauelement 60 veränderte elektrische Kondensatoren 32', und 32'₂ auf. Anders als in den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit zwei elektrischen Kondensatoren ist dabei jede der elektrischen Kondensatoren mit einem eigenen Elektrodenpaar ausgestattet. Der elektrische Kondensator 32'₁ weist dabei Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ auf. Ferner weist der elektrische Kondensator 32'₂ Elektrodenstrukturen 14₃ und 14₄ auf. Die Elektrodenstrukturen 14₂ und 14₄ sind dabei optional an der Hochfrequenzleitung 42 mechanisch fest angeordnet, während die Hochfrequenzleitung 42 im Ausführungsbeispiel der 6 zwar nicht Teil der elektrischen Kondensatoren 32'₁ und 32'₂ ist, aber im Hinblick auf die Signalleitungseigenschaften von der veränderlichen Kapazität der elektrischen Kondensatoren 32'₁, und 32'₂ beeinflusst ist.
Die Anordnung oder Befestigung der Elektrodenstrukturen 14₂ und 14₄ an der Hochfrequenzleitung 42 kann dabei vermittels einer Isolatorschicht 44₁ und/oder 44₂ erfolgen. Diese können zwar aus demselben Material wie die dielektrische Schicht 38 der anderen Ausführungsbeispiele gebildet sein, wobei hier mehr die mechanische Kontaktierung und die elektrische Isolierung im Vordergrund steht, während in anderen Ausführungsbeispielen unter Umständen auch die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials berücksichtigt wird. Geeignete Isolationsmaterialien können ungeachtet dessen beispielsweise Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid umfassen.
Die Elektrodenstrukturen 14₁ und/oder 14₃ können gegenüber den jeweils zugewandten Balken 26₃ bzw. 26₄ elektrisch isoliert sein, was jedoch optional ist. Eine elektrische Isolierung kann aber beispielsweise auch bei einer Ansteuerung der Aktuatoren 18₁ und 18₂ ein Anlegen eines von dem für den Aktuator verwendeten unterschiedlichen Potenzial genutzt werden. So ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Isolatorschicht 46₁ zwischen dem Koppelelement 22₁, vorgesehen. Das Koppelelement 22₁ durch ein Erweiterungssegment 48 fortgesetzt, um die Kraft des Aktuators 18₁ flächig auf die Elektrodenstruktur 14₁ zu übertragen.
Die Isolatorschicht 46₁ kann verglichen mit den Isolatorschichten 44₁ und/oder 44₂ gleiche oder verschiedene Materialien aufweisen. Ein vergleichbarer Effekt kann ebenfalls erhalten werden, indem das Koppelelement 22₁ elektrisch isolierend gebildet wird. In einem solchen Fall kann unter Erhalt eines vergleichbaren Effekts auf die Isolatorschicht 46₁ verzichtet werden.
In vergleichbarer Weise ist zwar eine Isolatorschicht 46₂ zwischen dem Erweiterungssegment 48₂ des Koppelelements 22₂ und der Elektrodenstruktur 14₃ angeordnet, um den Balken 26₄ von der Elektrodenstruktur 14₃ elektrisch zu isolieren. Auch hier kann ein vergleichbarer Effekt erhalten werden, indem das Koppelelement 22₂ elektrisch isolierend gebildet wird.
In der Darstellung der 6 sind sämtliche Elektrodenstrukturen 14₁, 14₂, 14₃ und 14₄ von einer jeweiligen Umgebung elektrisch isoliert, was es ermöglicht, an jede der Elektrodenstrukturen 14₁ bis 14₄ ein individuelles Potenzial anzulegen. So wird beispielsweise an die Elektrodenstruktur 14₁ an einer oder mehreren Stellen das elektrische Potenzial 52₁ angelegt. An die Elektrodenstruktur 14₂ wird an einer oder mehreren Stellen das elektrische Potenzial 52₂ angelegt. An die Elektrodenstruktur 14₃ kann an einer oder mehreren Stellen das elektrische Potenzial 52₃ angeordnet werden, ebenso kann an die Elektrodenstruktur 144 an einer oder mehreren Stellen das elektrische Potenzial 52₄ angelegt werden. Die Potenziale 52₁ bis 52₄ können beispielsweise von der Ansteuereinrichtung 37, die in 6 nicht dargestellt ist, bereitgestellt werden.
Die individuelle Beaufschlagung mit individuellen Potenzialen ermöglicht es auch sogenannte „fliegende“ (engl.: floating) Potenziale anzulegen. Während beispielsweise die 2a, 2b, 3, 4, 5a und 5b Darstellungen zeigen, bei denen zumindest eine der Elektrodenstrukturen zumindest einen Teil einer Signalleitung zum Leiten eines Signals von einem Signalleitungseingang 34 zu einem Signalleitungsausgang 36 bildet und der elektrische Kondensator ausgebildet ist, um mittels der elektrischen Kapazität C₁ und/oder C₂ auf einer Signalleitungseigenschaft der Signalleitung einzuwirken und der Aktuator mit der anderen Elektrodenstruktur gekoppelt ist, um diese Elektrodenstruktur bezogen auf die Elektrodenstruktur der Signalleitung parallel zu der Substratebene zu bewegen, zeigt 6 eine Darstellung, bei der Elektrodenstrukturen 14₂ und 14₄ an der Signalleitung mechanisch fest verbunden sind. Ohne weiteres könnte jedoch die Signalleitung 42 auch selbst eine Elektrodenstruktur für den Kondensator 32₁ oder 32₂ bereitstellen, wie es im Zusammenhang mit anderen Ausführungsbeispielen beschrieben ist. Die Ausgestaltung der Elektrodenstrukturen 14₁, und 14₃ als elektrisch isolierte und gegebenenfalls mit einem fliegenden Potenzial zu beaufschlagende Elektrodenstrukturen bleibt hiervon unberührt.
Darüber hinaus zeigt die 6 eine weitere Weise der Oberflächenvergrößerung, nämlich eine Art Sägezahnmuster, die in den gegenüberliegenden Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ bzw. 14₃ und 14₄ ineinandergreifen. Auch diese optionale Ausgestaltung ist unabhängig von den weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der 6 implementierbar.
Zurückkommend auf die Möglichkeit, die Elektrodenstrukturen 14₁, 14₂, 14₃ und/oder 14₄ mit einem fliegenden oder schwebenden Potenzial gegenüber der Signalleitung 42 zu beaufschlagen, sei noch erwähnt, dass dies insbesondere die Möglichkeit bietet, Potenziale anzulegen, die beispielsweise im Falle eines Sticking einen Ladungsträgertransport von den Elektrodenstrukturen weg ermöglichen, um die Anhaftung zu beenden oder aufzulösen.
Optional kann das MEMS-Bauelement 60 auch mit einer Dielektrikumsschicht versehen sein, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der 3 oder der 5b erläutert ist. Eine entsprechende Dielektrikumsschicht kann mit zumindest einer der Elektrodenstrukturen, etwa 14₁ und/oder 14₂ bzw. 14₃ und/oder 14₄ verbunden sein. Eine Ansteuereinrichtung, etwa die Ansteuereinrichtung 37 zum Steuern zumindest eines Teils des MEMS, etwa der Aktuatoren 18₁ und/oder 18₂ kann ausgebildet sein, um vor einer Veränderung des Elektrodenabstands und/oder im Falle eines mechanischen Kontakts zwischen den Elektrodenstrukturen und der Dielektrikumsschicht, das Dielektrikum zu entladen oder auf ein vorbestimmtes Potenzial mit Ladungsträgern zu laden.
Sind beide Elektroden 14₁ und 14₂ bzw. 14₃ und 14₄ unabhängig voneinander bezüglich ihres Potenzials ansteuerbar, so ermöglicht dies auch das parallele Steuern/Laden/Entladen der Elektrodenstrukturen unabhängig voneinander.
In den 2a, 2b, 3, 4, 5a, 5b und 6 wird die Signalleitung jeweils an zwei gegenüberliegenden Seiten von zwei elektrischen Kondensatoren 32₁ und 32₂ bzw. 32', und 32'₂ beaufschlagt. Entsprechende MEMS-Bauelemente können ausgebildet sein, um die jeweiligen Aktuatoren 18₁ und 18₂ anzusteuern, um innerhalb eines Toleranzbereichs, etwa im Bereich von Fertigungstoleranzen, alternativ innerhalb eines Bereichs von ±20%, ±10% oder ±5% einen übereinstimmenden Kapazitätswert und/oder einen übereinstimmenden Elektrodenabstand in den Kondensatoren 32₁ und 32₂ zu erhalten. Alternativ kann ebenfalls vorgesehen sein, um einen voneinander abweichenden Kapazitätswert und/oder einen voneinander abweichenden Elektrodenabstand in dem ersten elektrischen Kondensator und dem zweiten elektrischen Kondensator zu erhalten. Das bedeutet, es ist nicht zwingend erforderlich, die beiden Kondensatoren synchron an die RF-Linie anzunähern. Es ist ebenfalls möglich, unterschiedlich schnell bzw. asynchron anzusteuern. Dadurch kann die Steigung der zeitlichen Kapazitätsänderungsfunktion im Sinne von C = C(t) leicht variiert werden, sofern dies im Sinne der Beeinflussung der Signalleitungseigenschaften vorteilhaft ist.
MEMS-Bauelemente in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen können ausgebildet sein, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators 32₁ und/oder 32₂ zwischen einem minimalen Kapazitätswert (größter Elektrodenabstand) und einem maximalen Kapazitätswert (minimaler Elektrodenabstand) einzustellen. Die Aktuatoren 18₁ und/oder 18₂ bzw. der Aktuator 18 kann ausgebildet sein, um einen Aktuatorhub bereitzustellen, der ein Verhältnis zwischen dem minimalen Kapazitätswert und dem maximalen Kapazitätswert von zumindest 15 bewirkt. Die Änderung der Kapazität kann dabei in einem Verhältnis von zumindest 1, zumindest 15 oder bevorzugt zumindest 20 betragen. Eine Obergrenze des Verhältnisses kann alternativ oder zusätzlich bei 1000, 500 oder 100 liegen. So können beispielhafte Verhältnisse von Kapazitätswerten zwischen 1 und 100, 15 und 50 und/oder 20 und 30 erreicht werden.
In anderen Worten ist in 6 eine sog. floating Elektrode, das Konzept der schwebenden Elektrode dargestellt. Der alternative Varaktor 60 weißt im Spalt 16₁, 16₂ zwischen Elektrode 48₁, 48₂ und RF Linie 42 eine/zwei zusätzliche Elektroden 14₁, 14₃ und/oder 14₂, 14₄ auf, die mit der Elektrode über eine elektrisch isolierende Verbindung 44 und/oder 46 mechanisch verbunden ist. Die Elektroden 14₁, 14₃ und/oder 14₂, 14₄ sind floating oder schwebende Elektroden, die jeweils einen separaten elektrischen Anschluss 52₁, 52₄ und/oder 52₂, 52₃ haben. Die floatenden Elektroden 14₁, 14₃ und/oder 14₂, 14₄ werden normalerweise elektrisch floatend gehalten oder mit anderen Signalen als den GND- und HF-Signalen versorgt, die während des Betriebs des Varaktors an die Elektroden 48₁, 48₂ bzw. die RF-Linie 42 gegeben werden. Im Standardfall wird nur eine schwebende Elektrode mit Anschlussdielektrikum verwendet, normalerweise die Elektrode 14₁, 14₃ mit Isolator 44, zusammen mit einer unstrukturierten HF-Leitung 42. Im Fall der dargestellten Elektrode 14₁, 14₃ folgt diese der Bewegung der Elektrode 48₁, 48₂ und ist weiterhin mit dem umgebenden Substrat verbunden. Dieser Verbindungsbereich weist in der Regel eine geringere Steifigkeit auf als das umgebende Substrat und die Elektroden selber. Darüber hinaus ist ein weiteres Ausführungsbeispiel in der Art ausgestaltet, dass die Elektroden 48₁, 48₂ und 14₁, 14₃ nicht mit dem umgebenden Substrat verbunden sind. Über die elektrische Kontaktierung 52₁, 52₄ mit einer weichen Feder (engl.: soft spring) oder einer direkten Verbindung in einem eingespannten Zustand (engl.: direct connection in a clamped-clamped case) sind die Elektroden 14₁, 14₃ mit separaten elektrischen Verbindungen verbunden, wohingegen die Elektrode 48₁, 48₂ gemäß 3 mit einem elektrischen Signal verbunden ist (bspw. GND).
Durch diese Ausführungen ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen auf die nachfolgend eingegangen wird. Durch die weitere Elektroden 14₁, 14₃ und/oder 14₂, 14₄ reduziert sich die Gefahr einer Selbstaktuierung der Aktoren in Folge der DC-Komponente des angelegten RF-Signals in der RF-Linie und verbessert die Betriebssicherheit des Bauelements. Die Gleichstromkomponente des HF-Signals steigt mit zunehmender HF-Signalleistung und Frequenz. Durch eine floatende Elektrode erhöht sich somit die zu übertragende HF-Leistung und die HF-Frequenz, bei welcher Varaktor 60 betriebssicher eingesetzt werden kann. Es ist darüber hinaus möglich ein kontinuierliches Dielektrikum zu verwenden, da eine geringere Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich das Dielektrikum auflädt und dadurch Haftreibung entsteht, da die Kontaktflächen metallisch, also elektrisch leitend sind. Dadurch erhöht sich im Spalt 16₁, 16₂ die Dielektrizitätszahl und infolge dessen stellt sich ein verbessertes tuning ratio ein. Darüber hinaus sind Kurzschlüsse zwischen Elektrode 48₁, 48₂ und RF Linie 42 verhindert. Durch die strukturierte Oberfläche der Elektroden 14₁, 14₃ und 14₂, 144 wird die Haftung zwischen diesen beiden Baugruppen im Falle eines Anhaftens verhindert. Durch die Verbindung der Elektroden 14₁, 14₃ und/oder 14₂, 14₄ mit GND oder einem spezifischen Spannungssignal kann diese Elektrode vor jedem Betriebszyklus entladen werden oder auf ein bestimmtes Niveau aufgeladen werden (in diesem Fall ist sie nicht mit GND verbunden), wodurch sich die Zuverlässigkeit und Ergebnis Reproduzierbarkeit des Bauelements verbessert.
7 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 20. Die Darstellung bezieht sich dabei auf die Schnittebene A-A aus 2a. Wie es auch in anderen Ausführungsbeispielen ausgeführt werden kann, ist die Elektrodenstruktur 14₂ zumindest Teil einer Signalleitung. Diese ist mit dem Substrat 12 durch eine Isolationsschicht 38 verbunden und daran abgestützt. Demgegenüber können die Aktuatoren 18₁ und 18₂ beweglich gegenüber dem Substrat 12 angeordnet sein.
8 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 20 analog 7, aber in einem ausgelenkten Zustand, so dass aufgrund der angelegten Signale die Abstände 16₁ und 16₂ aus 7 verringert sind, wie es durch die Abstände 16'₁ und 16'₂ dargestellt ist.
In anderen Worten zeigen die 7 und 8 den Varaktor 20 im bevorzugten Ausführungsbeispiel in einer Ansicht entlang der Schnittachse A-A. 7 zeigt den Varaktor 20 in einem nicht ausgelenkten Zustand. 8 zeigt den Varaktor 20 in einem ausgelenkten Zustand. Die durch die Abstände 16' definierte Kavität weist hierbei ein geringeres Volumen auf. Dargestellt ist hierbei die notwendige Isolationsschicht 38, die in Ausführungsbeispielen durchgängig ist. Bevorzugt ist diese Schicht unterbrochen ausgeführt. Typische elektrisch isolierende Werkstoffe sind hierbei Oxide, beispielsweise Siliziumoxide oder elektrisch nichtleitende Polymere.
9 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Verglichen mit beispielsweise der Darstellung aus 7 ist die Signalleitung, die auch als Elektrodenstruktur 14₂ dient, außerhalb der Ebene der Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ angeordnet und bildet eine Art Deckel für die Anordnung der Aktuatoren 18₁ und 18₂. Ein solcher Deckel kann, ggf. unter Zusammenwirkung mit einem korrespondierendem Deckel, wobei beide Begriffe die Orientierung im Raum nicht einschränken, dazu genutzt werden, um die Bewegung der Elektrodenstrukturen 14₁ du 14₃ auf einander zu steuern, da ein dazwischen angeordnetes Fluid durch die Spalte zum Deckel 14₂ bzw. dem Boden geführt wird. Ein derartiger fluidischer Widerstand kann ein Schwingungsverhalten der Elektroden einstellen oder beeinflussen, so dass ein Spat zwischen den Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ einerseits und 14₂ und 14₃ andererseits ebenso wie zu Boden ein Auslegungskriterium des MEMS-Bauelements sein kann.
In 9 wird deutlich, dass sich Elektrodenstrukturen, etwa Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ gegenüberliegend angeordnet auf einander zu und/oder von einander weg bewegen können bzw. einen Elektrodenabstand des durch die Elektrodenstrukturen gebildeten Kondensators verändern können. Unter Einwirkung auf eine weitere Elektrodenstruktur 14₂ kann aber auch ein gleichbleibender Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ zu veränderlichen Einflüssen auf ein Bauelement führen, wenn bspw. gleichzeitig der Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ vergrößert und der Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 14₂ und 14₃ im selben Umfang verringert wird oder umgekehrt.
Wie auch bei den anderen hierin beschriebenen MEMS-Bauelementen kann für das MEMS-Bauelement 90 ein in einer Substratebene x/y angeordnetes Substrat 12 vorgesehen sein. Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃, können parallel zu der Substratebene x/y gegenüberliegend zueinander angeordnet sein. Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ einerseits und 14₂ und 14₃ andererseits können auch einen Versatz senkrecht zu der Substratebene zu einander aufweisen, wobei die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂, 14₁ und 14₃ und 14₂ und 14₃ jeweils einen elektrischen Kondensator zu bilden können. Ein Aktuator, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist, ist ausgebildet, um einen Elektrodenabstand zwischen zumindest zwei der Elektrodenstrukturen parallel zu der Substratebene zu verändern. Im MEMS-Bauelement 90 ist dies für sämtliche Elektrodenpaare möglich, etwa indem eine Verschiebung der Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ auf einander zu den Abstand dazwischen beeinflusst und eine Bewegung der Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂ und/oder der Elektrodenstrukturen 14₂ und 14₂, relativ zu einander dieses Kriterium erfüllen, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators zu verändern. Die beiden Aktuatoren sind ausgebildet, um die Bewegung in-plane zu erzeugen, wobei möglicherweise auch nur einer der Aktuatoren mit daran angeordneter Elektrode vorgesehen sein könnte.
In der gezeigten Ausführungsform sind zwei der drei Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₃ in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene angeordnet und eine dritte Elektrodenstruktur 14₂ der drei Elektrodenstrukturen senkrecht zu der Substratebene versetzt hierzu angeordnet ist. Die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels kann auch erhalten werden, indem bspw. lediglich das Elektrodenstrukturpaar 14₁ und 14₂ oder 14₂ und 14₃ angeordnet wäre, was einem Versatz einer der Elektrodenstrukturen des MEMS-Bauelements 10 entlang der z-Richtung entsprechen kann.
In anderen Worten zeigt 9 einen Varaktor 90 mit einer RF-Linie 14₂, die oberhalb der Aktuierungsebene angeordnet ist. Hierbei vergrößert sich der Spalt 16 gegenüber den bisher gezeigten Lösungen, etwa im MEMS-Bauelement 20, so dass die Elektroden 14₁ und 14₃ einen größeren Hub ausführen können.
10 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 60 in der B-B-Ebene.
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf MEMS-Bauelemente mit einem oder mehreren Aktuatoren, die jeweils zumindest zwei an diskreten Bereichen miteinander verbundene Balken umfassen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere im Falle von zumindest zwei Aktuatoren, die gegenüberliegend zu einer Signalleitung angeordnet sind, können auch andere Aktuatoren eingesetzt werden, beispielsweise piezoelektrische Biegeaktoren und/oder Stapelaktuatoren, andere Formen elektrostatischer oder thermomechanischer Aktuatoren oder auch andere Funktionsprinzipien, wie beispielsweise Spulenantriebe oder dergleichen. Ein derartiges MEMS-Bauelement umfasst, beispielsweise Bezug nehmend auf die 2a und 2b eine an einer Substratebene angeordnetes Substrat 12 und eine Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, etwa die Elektrodenstrukturen 14₁ und 14₂, die parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um einen ersten elektrischen Kondensator 32₁ mit einem ersten Kapazitätswert C₁ zu bilden. Ferner ist zumindest eine dritte Elektrodenstruktur 14₃ vorgesehen, die parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der zweiten Elektrodenstruktur angeordnet ist. Mit der zweiten Elektrodenstruktur 14₂ oder mit einer vierten Elektrodenstruktur 14₄, siehe hierzu beispielsweise 6, wird ein zweiter elektrischer Kondensator 32₂ mit einem zweiten Kapazitätswert C₂ gebildet. Eine Aktuatoreinrichtung, die mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist, ist ausgebildet, um den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert unabhängig voneinander einzustellen und/oder gleichzeitig zu erhöhen oder zu reduzieren. Die Aktuatoreinrichtung kann die hierin beschriebenen Balken basierten Aktuatoren oder die gerade erläuterten anderen Aktuatoren aufweisen.
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Ansteuern derartiger MEMS-Bauelemente. Während einige Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements ein Ansteuern zumindest eines Balkens eines Aktuators mit zumindest zwei parallel zu einer Substratebene des MEMS-Bauelements beabstandeten und an diskreten Bereichen mechanisch miteinander verbundenen Balken, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, um das bewegliche Element in-plane bezogen auf die Substratebene zu bewegen, umfassen, und dergestalt ausgeführt werden, dass ein Elektrodenabstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur einer Elektrodenanordnung und einer parallel zu der Substratebene angeordneten zweiten Elektrodenstruktur der Elektrodenanordnung parallel zu der Substratebene verändert wird, indem der Aktuator durch eine Verformung zumindest eines Balkens parallel zu der Substratebene eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt, können andere Verfahren zum Ändern eines ersten elektrischen Kapazitätswerts und eines zweiten elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements, etwa unabhängig von der konkreten Implementierung des Aktuators, den Schritt aufweisen: Ansteuern einer Aktuatoreinrichtung, um einen ersten Abstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die parallel zu einer Substratebene gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und die einen ersten elektrischen Kondensator mit einem ersten elektrischen Kapazitätswert bilden, zu ändern. Ferner wird dadurch erreicht, dass ein zweiter Abstand zwischen zumindest einer dritten Elektrodenstruktur und einer Mitte der dritten Elektrodenstruktur, der einen zweiten elektrischen bildenden Elektrodenstruktur, etwa der zweiten Elektrodenstruktur 14₂ oder einer Elektrodenstruktur 14₄, und mit welcher die dritte Elektrodenstruktur einen zweiten elektrischen Kondensator mit dem zweiten Kapazitätswert bildet, zu reduzieren oder zu erhöhen.
Ausführungsbeispiele beruhen auf dem Lösungsgedanken der Verstellung der geerdeten Varaktorelektrode, beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel durch elektrostatisch laterale LNED-Aktorik. Das löst das oben beschriebene Problem von Pull-In für MEMS-Varaktor, weil die Bewegung bzw. Pull-In der GND-Platte entkoppelt von der Pull-In der Aktorik ist. Das ermöglicht die Ausnutzung fast des gesamten Anfangselektrodenabstandes, was die TR Faktoren von >30...50 ermöglicht. Das Problem des Verklebens existiert hier auch nicht, weil die Aktoren eine Art zusätzlichen Rückstellfeder darstellen. Durch eine spezielle Form der elektrischen Spannung kann zudem eine Linearität der Durchstimmbarkeit erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der LNED-Aktorik ist, dass die Chiptiefe und nicht der Chip-Footprint für die Vergrößerung der Elektrodenfläche und somit der Anfangskapazität C₀ benutzt werden kann. Das führt zum Kostenersparnis und ermöglicht die Miniaturisierung der MEMS-Varaktoren mit größeren Anfangskapazitäten.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikromechanische Bauelemente. Diese werden beispielsweise dazu benötigt, elektrische Signale in mechanische Wirkung zu übersetzen.
Im Falle der vorliegenden verformbaren Elemente resultiert eine Verformung des Elements aus einem elektrischen Eingangssignal. In diesem Falle ist das verformbare Element ein Aktuator 18.
Ein verformbares Element besteht aus zumindest zwei voneinander beabstandeten, balkenförmigen Elektroden, die voneinander durch eine elektrisch isolierende Schicht 26, die unterbrochen sein kann, getrennt sind. Beide Elektroden sind mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen belegt, infolge dessen ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden aufgespannt wird. Dadurch verformen sich die Elektroden zueinander. Durch die geometrischen Verhältnisse der Elektroden kann die Verformungsrichtung beeinflusst werden. Im vorliegenden Fall erfolgt eine laterale Verformung innerhalb der Substratebene (in plane).
Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Elektroden, die über mechanische Fixierungen miteinander verbunden sind und ausgebildet sind, um basierend auf einem elektrischen Potential eine Bewegung auszuführen. Ausführungsbeispiele sind jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern können eine beliebige Art von Balkenstrukturen, d. h. Balken, aufweisen, die ausgebildet sind, um ansprechend auf eine Aktuierung eine über die mechanische Fixierung in eine Bewegung umgewandelte Kraft bereitzustellen (Aktuator), etwa unter Verwendung piezoelektrischer Werkstoffe, oder anderer aktuierbarer Stoffe. Die Balken können bspw. elektrostatische, piezoelektrische, magnetostriktive und/oder thermomechanische Elektroden sein, die basierend auf einem angelegten Potential eine Verformung bereitstellen.
Die nachfolgend vorgestellten MEMS-Bauelemente sind Schichtstapel, die zumindest aus einer Substratschicht bestehen in der die Elektroden und die passiven Elemente angeordnet sind. Weitere Schichten betreffen einen Boden, der auch als Handlewafer bezeichnet wird und einen Deckel, der auch als Deckelwafer bezeichnet wird. Sowohl Deckel- als auch Handlewafer sind über stoffschlüssige Verfahren, vorzugsweise Bonden, mit der Substratebene verbunden, wodurch abgedichtete Zwischenräume 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, beispielsweise dotierte Halbleitermaterialien und/oder Metallmaterialien. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht Elektroden (für auslenkbare Elemente) und passive Elemente gebildet werden können. Sofern elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe angeordnet sein müssen, erfolgt der schichtweise Auftrag dieser Werkstoffe durch Abscheidungsverfahren.
Hierin beschriebene Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele können ohne weiteres miteinander kombiniert werden. Weitere Vorteile, die sich durch die hierin beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele ergeben, liegen darin, dass durch die Abstände 16 ein großer Hub der Elektroden möglich ist. Gleichermaßen zeigen die Ausführungsbeispiele, dass ein RF-HF-Signal in der RF-Linie vollständig von den Ansteuersignalen der Aktuatoren abgetrennt werden kann. Dadurch können die maximale Leistung und die maximale Frequenz innerhalb der RF-Linie der vorgestellten Varaktoren signifikant angehoben werden. Das Risiko der Selbstanregung aufgrund der Gleichstromkomponente des zugeführten HF-Signals, was in einem Pull-In enden kann, können durch die Verwendung von Elektrodenkonfigurationen mit hoher Steifigkeit, zum Beispiel beidseitig eingespannter Konfiguration der Balken der Aktuatoren oder schwebenden Elektroden, siehe 6, weiterreduziert werden.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf:

• Ein MEMS Bauelement mit mindestens einem auslenkbaren Element und mindestens einer feststehenden Elektrode, zwischen denen ein elektrisches Feld aufgespannt ist
- ◯ durch die Relativbewegung zwischen auslenkbaren Element erfolgt eine Änderung der Kapazität des MEMS Bauelement
- ◯ Die Änderung der Kapazität erfolgt beispielsweise linear mit der Änderung des Eingangssignals (Zukunft)
- ◯ Aktuell: hyperbolischer Verlauf der Spannungs- Kapazitätsänderung
• Eine Bewegungsrichtung in plane
• Eine Bewegungsart quasistatisch oder von 0-100% der Resonanzfrequenz der Aktoren, bevorzugt 0-50% und besonders bevorzugt 0-20%. 0% stellt dabei eine statische Auslenkung dar. Der Bereich 0-20% kann als quasistatisch angesehen werden.
• Das MEMS Bauelement ist ein Varaktor
• Das auslenkbare Element basiert auf einem elektrostatischen, piezo-, thermomechanischen Auslenkungsprinzip
• Eine Änderung der Kapazität kann in einem Verhältnis von 1-100, bevorzugt 15-50, bes. bevorzugt 20-30 eingestellt werden
• In einigen Ausführungsbeispielen kann die Änderung der Kapazität in einem Verhältnis von bis zu 1000 einstellbar sein
• RF Line ist mit dem Handle-Wafer elektrisch isoliert durch eine Isolationsschicht verbunden. Die Isolationsschicht kann unterbrochen sein. Das bedeutet, dass die RF-Line nur partiell mit dem Handle-Wafer verbunden ist
• Eine Verwendung der Vorrichtung als Varaktor oder als HF- kapazitativ Schalter

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018/193109 A1 [0021]

Claims

MEMS-Bauelement mit: einem in einer Substratebene (x/y) angeordneten Substrat (12); einer Elektrodenanordnung (14) mit einer ersten Elektrodenstruktur (14₁) und einer zweiten Elektrodenstruktur (14₂), die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um einen elektrischen Kondensator (32) zu bilden; einem Aktuator (18), der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand (16) zwischen der ersten Elektrodenstruktur (14₁) und der zweiten Elektrodenstruktur (14₂) parallel zu der Substratebene (x/y) zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators (32) zu verändern; wobei der Aktuator (18) zumindest zwei parallel zu der Substratebene (x/y) beabstandete und an diskreten Bereichen mechanisch mit einander verbundene Balken (24) aufweist, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, das ausgebildet ist, um sich in-plane bezogen auf die Substratebene (x/y) zu bewegen, um den Elektrodenabstand (16) zu verändern.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1, das als MEMS-Varaktor oder als kapazitiver Hochfrequenzschalter gebildet ist.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Elektrodenstruktur (14₂) zumindest einen Teil einer Signalleitung zum Leiten eines Signals von einem Signalleitungseingang (34) zu einem Signalleitungsausgang (36) bildet; wobei der elektrische Kondensator (32) ausgebildet ist, um mittels der elektrischen Kapazität auf eine Signalleitungseigenschaft der Signalleitung einzuwirken; wobei der Aktuator (18) mit der ersten Elektrodenstruktur (14₁) gekoppelt ist, um die erste Elektrodenstruktur (14₁) bezogen auf die zweite Elektrodenstruktur (14₂) parallel zur Substratebene (x/y) zu bewegen.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, mit einer Signalleitung zum Leiten eines Signals von einem Signalleitungseingang (34) zu einem Signalleitungsausgang (36), wobei der elektrische Kondensator (32) ausgebildet ist, um mittels der elektrischen Kapazität auf eine Signalleitungseigenschaft der Signalleitung einzuwirken; wobei die erste Elektrodenstruktur (14₁) elektrisch isoliert von der Signalleitung und mit der Signalleitung mechanisch fest verbunden ist.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 4, die erste Elektrodenstruktur (14₁) und/oder die zweite Elektrodenstruktur (14₂) mit einem schwebenden Potential gegenüber der Signalleitung gekoppelt sind.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 5, mit einem Dielektrikum (38) das mit der ersten oder zweiten Elektrodenstruktur (14₂) verbunden ist, und mit einer Ansteuereinrichtung (37) zum Steuern zumindest eines Teils des MEMS, die ausgebildet ist, vor einer Veränderung des Elektrodenabstands (16) das Dielektrikum (38) zu entladen oder auf ein vorbestimmtes Potential mit Ladungsträgern zu laden.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Aktuator ein erster Aktuator (18₁) ist und der elektrische Kondensator ein erster elektrischer Kondensator (32₁) mit einem elektrischen Kapazitätswert (C₁) ist; wobei das MEMS-Bauelement zumindest eine dritte Elektrodenstruktur (14₃) umfasst, die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zu der zweiten Elektrodenstruktur (14₂) angeordnet ist und mit dieser oder einer vierten Elektrodenstruktur (14₄) einen zweiten elektrischen Kondensator (32₂) bildet; wobei das MEMS-Bauelement einen zweiten Aktuator (18₂) umfasst, der mit der dritten Elektrodenstruktur (18₃) gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand (16₂) des zweiten elektrischen Kondensators (32₂) parallel zu der Substratebene (x/y) zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert (C₂) des zweiten elektrischen Kondensators (32₂) zu verändern.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 7, bei dem das MEMS-Bauelement ausgebildet ist, um den ersten Aktuator (18₁) und den zweiten Aktuator (18₂) anzusteuern, um innerhalb eines Toleranzbereichs einen übereinstimmenden Kapazitätswert und/oder einen übereinstimmenden Elektrodenabstand (16) in dem ersten elektrischen Kondensator (32₁) und dem zweiten elektrischen Kondensator (32₂) zu erhalten.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 7, bei dem das MEMS-Bauelement ausgebildet ist, um den ersten Aktuator (18₁) und den zweiten Aktuator (18₂) anzusteuern, um einen voneinander abweichenden Kapazitätswert und/oder einen voneinander abweichenden Elektrodenabstand (16) in dem ersten elektrischen Kondensator (32₁) und dem zweiten elektrischen Kondensator (32₂) zu erhalten.
MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem zwei der drei Elektrodenstrukturen in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene angeordnet sind und eine dritte Elektrodenstruktur der drei Elektrodenstrukturen senkrecht zu der Substratebene versetzt hierzu angeordnet ist.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, das ausgebildet ist, um den elektrischen Kapazitätswert zwischen einem minimalen Kapazitätswert und einem maximalen Kapazitätswert einzustellen, wobei der Aktuator (18) ausgebildet ist, um einen Aktuatorhub bereitzustellen, der ein Verhältnis zwischen dem minimalen Kapazitätswert und dem maximalen Kapazitätswert von zumindest 15 bewirkt.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer strukturierten oder unstrukturierten Isolationsschicht (38), die zwischen der ersten Elektrodenstruktur (14₁) und der zweiten Elektrodenstruktur (14₂) angeordnet ist.
MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 12, mit einer Ansteuereinrichtung (37), die ausgebildet ist, um bei einem mechanischen Kontakt zwischen der ersten Elektrodenstruktur (14₁) und der Isolationsschicht einerseits und der Isolationsschicht und der zweiten Elektrodenstruktur (14₂) andererseits ein Potential an zumindest eine der ersten Elektrodenstruktur (14₁) und der zweiten Elektrodenstruktur (14₂) anzulegen, um Ladungsträger abzutransportieren und einem Anhaften entgegenzuwirken.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrodenstruktur (14₁) und die zweite Elektrodenstruktur (14₂) zumindest bereichsweise eine auf einander angepasste Oberflächentopographie aufweisen, und gegenüber einer planaren Ausgestaltung der Elektroden eine Oberflächenvergrößerung des elektrischen Kondensators (32) aufweisen.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrodenstruktur (14₁) und die zweite Elektrodenstruktur (14₂) zumindest bereichsweise einen entlang eines veränderlichen Orts auf einer Elektrodenoberfläche veränderlichen Elektrodenabstand (16) zu einander aufweisen.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Elektrodenstruktur (14₂) zumindest einen Teil einer Signalleitung bildet, die mit dem Substrat (12) durch eine Isolationsschicht mechanisch fest verbunden ist.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine der Elektrodenanordnung zugewandte Elektrode des Aktuators (18) und eine dem Aktuator (18) zugewandte Elektrodenstruktur der Elektrodenanordnung elektrisch mit einander verbunden sind.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Ansteuereinrichtung (37) zum Ansteuern des Aktuators (18), die ausgebildet ist, um ein Ansteuersignal (39) an den Aktuator (18) auszugeben, das eine Änderung des Elektrodenabstands (16) bewirkt; wobei der Aktuator (18) eingerichtet ist, um einen linearen Zusammenhang oder einen hyperbolischen Zusammenhang zwischen dem Ansteuersignal (39) und einer bewirkten Änderung des elektrischen Kapazitätswerts einzustellen.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Ansteuereinrichtung (37) zum Ansteuern des Aktuators (18), die ausgebildet ist, um den Aktuator (18) quasistatisch anzusteuern.
MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Aktuator (18) ausgebildet ist, um zumindest eines aus einer elektrostatischen, einer piezoelektrischen und einer thermomechanischen Auslenkung bereitzustellen.
MEMS-Bauelement mit: einem in einer Substratebene (x/y) angeordneten Substrat (12); einer Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrodenstruktur (14₁) und einer zweiten Elektrodenstruktur (14₂), die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um einen ersten elektrischen Kondensator(32₁) mit einem ersten Kapazitätswert zu bilden; und mit zumindest einer dritten Elektrodenstruktur, die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zu der ersten Elektrodenstruktur (14₁) angeordnet ist und mit dieser oder einer vierten Elektrodenstruktur einen zweiten elektrischen Kondensator (32₂) mit einem zweiten Kapazitätswert bildet; einer Aktuatoreinrichtung die mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert unabhängig voneinander einzustellen; und/oder gleichzeitig zu erhöhen oder zu reduzieren.
Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements mit folgenden Schritten: Ansteuern zumindest eines Balkens (24) eines Aktuators (18) mit zumindest zwei parallel zu einer Substratebene (x/y) des MEMS-Bauelements beabstandeten und an diskreten Bereichen mechanisch mit einander verbundenen Balken (24), die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, um das bewegliche Element in-plane bezogen auf die Substratebene (x/y) zu bewegen; so dass ein Elektrodenabstand (16) zwischen einer ersten Elektrodenstruktur (14₁) einer Elektrodenanordnung und einer parallel zu der der Substratebene (x/y) angeordneten zweiten Elektrodenstruktur (14₂) der Elektrodenanordnung parallel zu der Substratebene (x/y) verändert wird, indem der Aktuator (18) durch eine Verformung zumindest eines Balkens (24) parallel zu der Substratebene (x/y) eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt.
Verfahren zum Ändern eines ersten elektrischen Kapazitätswerts und eines zweiten elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements mit folgendem Schritt: Ansteuern einer Aktuatoreinrichtung, um einen ersten Abstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur (14₁) und einer zweiten Elektrodenstruktur (14₂), die parallel zu einer Substratebene (x/y) des MEMS-Bauelements gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, und einen ersten elektrischen Kondensator(32₁) mit einem ersten Kapazitätswert bilden, zu ändern; und um einen zweiten Abstand zwischen zumindest einer dritten Elektrodenstruktur und einer mit der dritten Elektrodenstruktur einen zweiten elektrischen Kondensator (32₂) bildenden Elektrodenstruktur, die parallel zu der Substratebene (x/y) gegenüberliegend zu der dritten Elektrodenstruktur angeordnet ist, zu reduzieren oder zu erhöhen.