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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.
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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:
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Ein Zusatzproblem bei dem Pull-In ist das Verkleben (engl.: sticking) der Elektroden, das auftreten kann.
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Wünschenswert wären demnach MEMS-Bauelemente, die ein hohes Tuning Ratio aufweisen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS-Bauelemente mit einem hohen Tuning-Ratio bezogen auf eine elektrische Kapazität zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 14
2 dargestellt ist, kann alternativ oder zusätzlich auch eine mechanische Kopplung mit der Elektrodenstruktur 14
1 erfolgen. Eine Aktuierung des Aktuators 18 kann eine Änderung des Abstands 16 bewirken, womit basierend auf der Kondensatorgleichung
eine Änderung in dem durch den elektrischen Kondensator bereitgestellten elektrischen Kapazitätswerts erzielt wird. Dabei ist ε
0 die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, ε
r eine relative Permittivität des Mediums zwischen den Elektroden, A die Elektrodenfläche, und d der Elektrodenabstand.
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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.
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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.
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Für die Auslenkung des beweglichen Elements bzw. des Balkens 24
1 und/oder 24
2 können unterschiedliche Aktuatorprinzipien angewendet werden, darunter ein elektrostatischer Antrieb, ein piezoelektrisch erhaltener Antrieb und ein thermomechanischer Antrieb. Das bedeutet, die Balken 24
1 und/oder 24
2 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 26
1 bis 26
3 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.
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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.
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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.
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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.
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Das MEMS-Bauelement 10 kann beispielsweise als MEMS-Varaktor oder als kapazitiver Hochfrequenzschalter gebildet sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 :
g ist dabei ein Anfangsabstand und x(t) eine Elektrodenverschiebung. Für x(t) gilt
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.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele weisen eine Verbindung auf, die eine geringe Steifigkeit als das Substrat 12 und die Elektrode 14
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3 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 14
1, 14
3 oder der Aktoren 18 ist. Der Abstand 16 zwischen der RF-Line 14
2 und der geerdeten Elektroden 14
1, 14
3 definiert eine Anfangskapazität, was für eine Elektrodenseite des Varaktors 20 durch ein Plattenkondensatormodel mit einer simplen Formel beschrieben werden kann:
wobei ε
0 - 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 14
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3 um x in Richtung der RF-Line 14
2. Der Abstand 16 zwischen den Elektroden wird kleiner, was die Kapazität des Systems vergrößert.
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Die einheitslose Zahl, die die Kapazitätsänderung beschreibt, wird tuning ratio (TR) genannt und ist wie folgt definiert:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Neben einer Kapazitätserhöhung vermittels einer Dielektrizitätskonstante εr > 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.
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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.
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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.
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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..
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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.
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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 161-1 und 161-2 dargestellt ist, kann sich entlang der y-Richtung der Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 141 und 142 verändern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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10 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 60 in der B-B-Ebene.
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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.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikromechanische Bauelemente. Diese werden beispielsweise dazu benötigt, elektrische Signale in mechanische Wirkung zu übersetzen.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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