EP4255844A1 - Mems having lid drive and method for operation thereof - Google Patents

Mems having lid drive and method for operation thereof

Info

Publication number
EP4255844A1
EP4255844A1 EP20820367.9A EP20820367A EP4255844A1 EP 4255844 A1 EP4255844 A1 EP 4255844A1 EP 20820367 A EP20820367 A EP 20820367A EP 4255844 A1 EP4255844 A1 EP 4255844A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
mems
layer
drive
movable element
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20820367.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Sergiu Langa
Bert Kaiser
Anton MELNIKOV
Jorge Mario MONSALVE GUARACAO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP4255844A1 publication Critical patent/EP4255844A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0021—Transducers for transforming electrical into mechanical energy or vice versa
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00198—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems comprising elements which are movable in relation to each other, e.g. comprising slidable or rotatable elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • H02N1/008—Laterally driven motors, e.g. of the comb-drive type
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/02—Loudspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0257—Microphones or microspeakers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/036—Micropumps
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/03—Microengines and actuators
    • B81B2201/038—Microengines and actuators not provided for in B81B2201/031 - B81B2201/037
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0315—Cavities
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0323—Grooves
    • B81B2203/033—Trenches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/053—Translation according to an axis perpendicular to the substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/05—Type of movement
    • B81B2203/055—Translation in a plane parallel to the substrate, i.e. enabling movement along any direction in the plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
    • B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
    • B81C2201/0128—Processes for removing material
    • B81C2201/013—Etching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/03—Bonding two components
    • B81C2203/032—Gluing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C2203/00—Forming microstructural systems
    • B81C2203/03—Bonding two components
    • B81C2203/033—Thermal bonding
    • B81C2203/035—Soldering

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS device and a method of operating the same.
  • the present invention relates in particular to a MEMS with a cover drive for driving a movable element in-plane, ie in the plane.
  • MEMS converters which are formed from a substrate and have limited geometric dimensions or aspect ratios due to the restricted aspect ratio, for example the Bosch method. If the volume of a MEMS component is to be increased, this is possible, for example, by etching it deeper. At the same time, however, it is not possible to realize a small electrode spacing between adjacent electrodes, since this is also increased due to the etching method. Thus, it is at least difficult to develop a transducer which, on the one hand, can interact with a large volume of the surrounding fluid and, in doing so, can apply the necessary force or has correspondingly small electrode spacings.
  • a MEMS component includes a layer stack with a plurality of MEMS layers, which are arranged along a layer sequence direction. Furthermore, a movable element formed in a first MEMS layer is provided, which is arranged between a second MEMS layer and a third MEMS layer of the layer stack.
  • the MEMS component includes a drive device with a first drive structure mechanically fixed to the movable element and a second drive structure mechanically fixed to the second MEMS layer, which makes it possible to apply forces between the two drive structures
  • Drive device is designed to generate a drive force perpendicular to the layer sequence direction on the movable element, wherein the drive force is designed to deflect the movable element, in particular with a component perpendicular to the layer sequence direction, resulting in a rotational movement, a torsional movement and/or may include a translational movement.
  • the first drive structure and the second drive structure are spaced apart by a gap and arranged opposite one another.
  • a dimension of the gap along the layer sequence direction is set by, for example, a bonding process. Bonding processes enable small gap distances, so that high forces can be generated using electrostatic or electrodynamic driving forces, for example.
  • the moveable element is configured to have a plurality of layers connected by a bonding process. This makes it possible to obtain large movable elements and thus also high aspect ratios, so that a large amount of fluid can be moved with the movable element.
  • the second drive structure is a structured electrode structure with at least one first electrode element and a second electrode element that is electrically insulated therefrom.
  • the MEMS component is designed to apply a first electrical potential to the first electrode element and a second electrical potential that differs therefrom to the second electrode element.
  • the MEMS device is further configured to apply a third electrical potential to the first drive structure to generate the drive force in interaction of the third electrical potential with the first electrical potential or the second electrical potential. This allows, for example, bidirectional and possibly linear Deflection of the movable element in terms of a back and forth movement, which is advantageous.
  • the first electrode element and the second electrode element are electrically insulated from one another by an electrode gap.
  • the movable element When the movable element is in a rest position, it is arranged symmetrically and/or asymmetrically opposite the electrode gap. While an at least regionally symmetrical arrangement enables a deflection even with low electrical voltages and/or a symmetrical deflection, a preferred direction and/or a mechanical pre-deflection can be implemented by means of at least regional asymmetry.
  • electrodes of the second drive structure have a constant or variable lateral dimension perpendicular to the axial direction along an axial course perpendicular to the layer sequence direction.
  • the electrodes can provide strips with a variable stripe width, for example.
  • Variable expansion makes it possible to take into account and/or compensate for mechanical stresses that can be triggered by electrode deformation.
  • the drive device has a third drive structure that is mechanically firmly connected to the third MEMS layer.
  • a first gap is arranged between the first drive structure and the second drive structure and a second gap is arranged between the first drive structure and the third drive structure.
  • the drive device is designed to provide the drive force based on a first interaction between the first drive structure and the second drive structure and based on a second interaction between the first drive structure and the third drive structure. This enables a further increase in the force deflecting the movable element and/or precise movement of the movable element.
  • the drive device is designed to generate a first drive force component based on the first interaction and a second drive force component based on the second interaction.
  • the MEMS device is configured to receive the first driving force component or interaction and the second to generate the driving force component or interaction in phase or with a phase shift. While an in-phase control can be used, for example, for a translatory displacement of the movable element, a possibly variable but also a constant phase offset can be used for a rotation or tilting or torsion of the movable element.
  • the moveable element is mechanically connected to the third MEMS layer via an elastic region.
  • the movable member is configured to rotate based on the driving force while deforming the elastic portion. This enables targeted configurations of the individual components.
  • an electrode structure is arranged on a side or MEMS layer facing the second MEMS layer and/or on a side or MEMS layer facing the third MEMS layer and forms at least part of the first drive structure. This enables a high degree of variability in the electrical variability of the electrical control.
  • the movable element is configured on a side facing the second MEMS layer and/or the second MEMS layer on a side facing the movable element in such a way that surface structuring is provided in order to reduce the distance between the movable Element and the second MEMS layer to change locally. This enables a precise adjustment of electrostatic forces based on a changing electrode distance during the movement.
  • electrodes of the first drive structure and/or electrodes of the second drive structure are arranged and connected interdigitally. This enables a low level of electrical interference fields.
  • the MEMS component comprises a multiplicity of movable elements which are arranged next to one another in a common MEMS plane and which are coupled to one another fluidically and/or by means of a coupling element.
  • a drive structure with at least two connected electrodes arranged next to one another is arranged on each of the movable elements, of which one electrode is connected to a first electrical potential and a second electrode is connected to a second, different electrical potential. Facing electrodes of adjacent movable elements are connected to a combination of the first electric potential and the second electric potential. In other words, electrodes of adjacent movable elements can be driven electrically differently. This enables individual elements to be controlled as required.
  • the movable element is movably arranged in a MEMS cavity.
  • a movement of the movable element at least one partial cavity of the cavity is alternately enlarged and reduced, with the partial cavity extending locally into the second MEMS layer.
  • the corresponding MEMS space can be used efficiently.
  • the movable element has an element length along an axial stretching direction perpendicular to the layer sequence direction.
  • An electrode of the first drive structure has a plurality of electrode segments along the element length. Adjacent electrode segments are electrically connected to one another in an electrically conductive manner by electrical conductors.
  • the electrical conductors have a lower mechanical rigidity than the electrode segments along a direction perpendicular to the element length. As a result, these areas can absorb deformation energy, so that the electrode segments are deformed to a small extent, which has a high level of efficiency.
  • the moveable element is configured to provide interaction with a fluid. This can be done directly via direct contact with the fluid or indirectly, in that mechanical elements provided for fluid interaction are moved by the movable element.
  • the drive device has a fourth drive structure, which is arranged on a side of the second MEMS layer that faces away from the movable element.
  • Another movable element is adjacent to the fourth Arranged drive structure and forms a stacked arrangement with the movable element. This allows for a high degree of fluid interaction with little chip area occupation by the stacked arrangement.
  • a method for operating a MEMS component includes driving two drive structures arranged one behind the other along a layer sequence direction along which a multiplicity of MEMS layers of the MEMS component are arranged, and generating a drive force on a movable element of the MEMS device perpendicular to the layer sequence direction by driving to deflect the MEMS device.
  • the method is designed in such a way that a symmetrical and/or linear deflection of the movable element is controlled by means of adjacent electrode elements of the drive device, which are electrically insulated from one another by an electrode gap, by the electrode elements being symmetrical about a reference potential on average over time be controlled with respect to the applied potentials.
  • the deflection of the movable element is controlled asymmetrically on average over time along an actuation direction with respect to an opposite direction, ie, controlled asymmetrically. This can be used, for example, to compensate for mechanical pre-deflections or mechanical asymmetries.
  • FIG. 1 shows a schematic side sectional view of a MEMS component according to an embodiment
  • FIG. 2a shows a schematic side sectional view of a section of a MEMS component according to an embodiment
  • 3a shows a schematic side sectional view of a MEMS device according to an embodiment having a topography in a bottom wafer and/or a cap wafer;
  • FIG. 4a shows a schematic side sectional view of a movable element with an electrode structure according to an embodiment
  • FIG. 4b shows a schematic side sectional view of a movable element with a structured electrode structure according to an embodiment
  • 5a shows a schematic plan view of a part of a MEMS component to illustrate an interdigital interconnection of electrodes according to an embodiment
  • 5b shows a schematic plan view of a part of a MEMS component to illustrate an interdigital interconnection of structured electrodes according to an embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic side sectional view of a part of a MEMS component according to an embodiment with four movable elements according to an embodiment
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of parts of a MEMS device with cantilevered movable elements; according to one embodiment
  • FIG. 11 shows a schematic perspective view of a part of a MEMS component according to an embodiment which can have both openings and interdigital electrodes;
  • FIG. 13 is a schematic side sectional view of parts of a MEMS device according to an embodiment in which a movable element is formed in an H-shape;
  • FIG. 14 is a schematic side sectional view of a MEMS device according to an embodiment in which the movable element is formed in a block shape;
  • 16a-c each show a side sectional view of an alternative drive with linear deflection behavior based on a cover drive according to exemplary embodiments;
  • 18a shows a schematic plan view of a MEMS component according to an embodiment, which is connected to the substrate opposite a drive structure via an elastic region; 18b is a schematic side sectional view of the MEMS device of FIG.
  • FIG. 19 shows a schematic flow diagram of a method according to exemplary embodiments described herein.
  • Exemplary embodiments described below are described in connection with a large number of details. However, example embodiments can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of comprehensibility, exemplary embodiments are described using block diagrams as a substitute for a detailed illustration. Furthermore, details and/or features of individual exemplary embodiments can be combined with one another without further ado, as long as it is not explicitly described to the contrary.
  • Embodiments described herein relate to microelectromechanical (MEMS) devices.
  • MEMS devices can be multi-layered layered structures.
  • Such MEMS can be obtained, for example, by processing semiconductor material at wafer level, which can also include a combination of multiple wafers and/or the deposition of layers at wafer level.
  • Some of the exemplary embodiments described herein address the MEMS levels.
  • a MEMS plane is understood to mean a plane which is not necessarily two-dimensional and/or non-curved and which essentially extends parallel to a processed wafer, for example parallel to a main side of the wafer or of the subsequent MEMS.
  • Embodiments described herein relate to layer stacks having multiple layers.
  • Layers described in this context may, but not necessarily, be a single layer, but in embodiments may easily have two, three or more layers and are understood as a layered composite.
  • both layers, from the material of which a movable element is formed can be formed in multiple layers, as well as layers between which a movable element is arranged, which can be configured as at least part of a wafer and can have multiple layers of material, for example for Implementation of physical, chemical and/or electrical functions.
  • a plane direction can be understood as a direction within this plane, which can also be denoted by the English term "in-plane".
  • a direction along which the layers in the layer stack alternate or are arranged one on top of the other can be referred to as the layer sequence direction.
  • the plane direction, in-plane can refer to a direction perpendicular thereto.
  • Some of the exemplary embodiments described herein are described in connection with a loudspeaker configuration or a loudspeaker function of a corresponding MEMS component. It goes without saying that these statements, with the exception of the alternative or additional function of a sensory evaluation of the MEMS component or the movement or position of movable elements thereof, can be transferred to a microphone configuration or microphone function of the MEMS component, see above that such microphones constitute, without limitation, further exemplary embodiments of the present invention.
  • other areas of use of MEMS are also within the scope of the exemplary embodiments described herein, such as micropumps, ultrasonic transducers or other MEMS-based applications related to moving fluid. For example, example embodiments may relate to a movement of actuators that may interact with a fluid, among other things.
  • Example embodiments relate to application of electrostatic forces for deflection of a movable element.
  • the deflectable elements can be, for example, electrostatic, piezoelectric and/or thermomechanical electrodes, which provide a deformation based on an applied potential.
  • the MEMS device includes a layer stack 12, the may have a plurality of layers 12 1 , 12 2 , with additional layers 12 3 and possibly further layers also being able to be part of the layer stack 12 as an option. Some of the layer sequences can be mechanically connected to one another, but distances between adjacent layers can also be provided in certain areas. Some of the layers of the layer stack 12 can also be removed locally, as is shown for the MEMS layer 12 1 , for example.
  • the layer 12 1 which is arranged with the layers 12 2 and 12 3 along a layer sequence direction 14 , can be removed locally in order to expose a movable element 16 so that the movable element 16 is movable at least with respect to the layer 12 2 .
  • at least one component of the movement is perpendicular to the layer sequence direction 14 along a plane direction 18, ie in-plane. As explained in the context of exemplary embodiments, this can include a translatory movement along the direction of the plane 18 and/or a rotational component, for example a torsional movement.
  • the movable element 16 is arranged between the layers 12 2 and 12 3 , with a driving device 22 being provided to generate a driving force F along the plane direction 18 on the movable element 16, the driving force F being designed to to deflect the movable element 16.
  • the force F can be generated almost perpendicularly to the layer sequence direction, with other directions also being possible, for example for torsional movements.
  • the drive device includes a drive structure 22a, which is mechanically firmly connected to the movable element. Furthermore, the drive device 22 includes a drive structure 22b, which is mechanically firmly connected to the MEMS layer 12 2 .
  • mechanically firmly connected is understood to mean arranging a further element mechanically firmly on another element, for example by means of a fixation, for example by gluing, bonding, coating, soldering or the like.
  • a conductive layer can be arranged on another layer in order to arrange at least part of the drive structure mechanically firmly on one layer.
  • mechanically firmly connected is also understood to mean that, for example, an electrically conductive structure is an integral part of another structure.
  • a semiconductor material can be made electrically conductive by doping it, in order to provide the function of an electrode, for example.
  • This electrode is also considered to be mechanically fixed to the respective element understood to be connected, even if it is the same element from a different point of view.
  • the movable element 16 is designed to be electrically conductive, for example by comprising electrically conductive materials, for example a metal material and/or a doped semiconductor material.
  • the drive structure 22a can be applied to a base body of the movable element 16 in the form of an electrode structure, for example.
  • the drive structure 22b can comprise electrically conductive materials, for example with regard to an at least regional doping of semiconductor material of the layer 12 2 and/or by arranging an electrode structure.
  • the design of the MEMS component 10 such that a movement of the movable element 16 takes place in-plane and the drive structure is arranged along the layer sequence direction 14 makes it possible to have a comparatively large dimension 24 of the movable element 16 along the To obtain layer sequence direction 14, which is for example at least 75 microns, at least 100 microns, at least 500 microns or higher.
  • a comparatively large area can be uncovered along the plane direction 18, which corresponds to the aspect ratios of known uncovering methods, for example the Bosch method.
  • the drive device 22 can have a gap 26 between the drive devices 22a and 22b, which is independent of such an exposure method. This means that the drive structures 22a and 22b can be spaced apart by the gap 26 and arranged opposite one another, for example during a rest position of the movable element 16.
  • a dimension of the gap 26 along the layer sequence direction 14 can be set by a bonding process.
  • a dimension of the gap 26 can be at least partially determined by the joining of the layer stacks along the layer sequence direction 14, which, compared to an etching process, for example, can enable a comparatively small dimension of the gap 26, for example 10 ⁇ m or less, 5 ⁇ m or less or 1 ⁇ m or less.
  • a corresponding aspect ratio of the dimension 24 compared to the gap 26 can be correspondingly high, which is advantageous for the MEMS device 10 since a large volume of fluid can be interacted with.
  • the movable element 16 can be formed in one layer or in multiple layers.
  • the movable element 16 can have a plurality of at least two have at least three, at least four, at least five or more layers that are joined together, for example, by means of a bonding process.
  • different silicon layers can be connected to one another as part of a bonding of silicon wafers in order to obtain a high overall layer thickness or a large dimension 24, which means, for example, a low dependency or even independence on the aspect ratio of the etching process , such as the Bosch method can be produced.
  • FIG. 2a shows a schematic side sectional view of a section of a MEMS component 20 according to an embodiment.
  • the drive structure 22b of the drive device is a structured electrode structure, for example, and comprises at least one electrode element 22b 1 and one electrode element 22b 2 , which are electrically insulated from one another, so that a first electrical potential is applied to electrode element 22b 1 and a first electrical potential to electrode element 22b 2 different second electrical potential can be applied.
  • gaps 28 1 to 28 4 can be provided between the electrode segments, which can optionally also be filled with electrically insulating material or dielectric material.
  • the MEMS component 20 can comprise a plurality or multiplicity of movable elements 16 1 and 16 2 and possibly further movable elements, which are arranged next to one another along the plane direction 18 .
  • the drive structure 22a described in connection with FIG. 1 can be part of one, several or all movable elements 16 1 and 16 2 .
  • the movable element 16 1 can be arranged symmetrically opposite the electrode gap 28 2 , for example to obtain a symmetrical drive. Alternatively, it is also possible to arrange the movable element asymmetrically opposite the electrode gap 28 2 , for example to enable asymmetrical control. Similarly, the movable element 16 2 can be arranged symmetrically or asymmetrically opposite the electrode gap 28 1 .
  • different potentials U 3 and U 4 can be applied to the movable elements 16 1 and 16 2 , whereby according to exemplary embodiments the movable elements 16 1 and 16 2 or their drive structures are electrically or galvanically connected to one another, so that the potentials U 3 and U 4 are the same or identical.
  • electrostatic forces can be generated which can lead to a deflection of one or more movable elements 16 1 and/or 16 2 along the direction of movement of the plane direction 18 .
  • the driving force can be generated in interaction between the electrical potential of the movement structure and the potential U 1 and/or U 2 .
  • the drive structure 22b can have an electrode structure, which is preferably formed in a structured manner, for example in the form of interdigital electrodes. This means that further electrode elements that can be connected to the potential U 2 can also be part of the drive structure 22b. According to further exemplary embodiments, however, individual electrode segments can also be electrically insulated from one another, so that, for example, the electrode elements which are jointly provided with the reference symbol 22b 1 can also form electrode elements that can be individually subjected to potentials.
  • further drive structures 22c, 22d and/or 22e can be arranged on the sides of the layers 12 2 and 12 3 facing and/or facing away from the movable elements 16 1 and 16 2 .
  • the additional drive structures 22c, 22d and 22e are optional.
  • the drive structures 22d and 22e can be provided for arranging additional movable elements 16, in particular in the case of a stacked arrangement of the MEMS component.
  • additional moveable members may be located adjacent to drive structures 22d and/or 22e.
  • the drive structure 22c on the MEMS layer 12 3 or the wafer 44 can be used to provide an additional drive force component between the movable element 16 1 and/or 16 2 and the drive structure 22c in addition to the drive force component using the drive structure 22b.
  • a first interaction between the movable element 16 1 and the drive structure of the wafer 42 and a second interaction between the movable element 16 and the drive structure of the wafer 44 are provided.
  • such a check can be carried out via a control device which is designed to apply appropriate voltages or potentials or control signals to the electrodes or conductive structures.
  • the drive device can be designed to generate a first drive force component F 1 based on the first interaction and a second drive force component F 2 based on the second interaction.
  • the MEMS component can be designed to generate the first force component and the second force component in the same direction or in phase, which can enable a to-and-fro movement of the movable element 16 1 parallel to the plane direction 18 , for example.
  • a phase offset between the force components F 1 and F 2 can lead to a tilting or rotation about a suspension center M, for example a torsion of the movable element 16 1 .
  • a back and forth rotation of the movable element 16 1 for example about the center point or the center axis M, can also take place when the force components F 1 and F 2 are designed in antiphase. This means that it is possible for the upper and the lower drive structure to provide force components that are shifted relative to one another based on an individual control.
  • the drive device can have a further drive structure which can be arranged on a side of the MEMS layer 12 2 and/or 12 3 facing away from the movable element 16 1 or 16 2 , with a further movable element being arranged there adjacent to this drive structure to form a stacked arrangement with the movable member 16 1 and 16 2 .
  • the electrode structures can be connected to the layers 12 2 or 12 3 via connecting layers 32 1 to 32 4 , which can be particularly advantageous if the layers 12 2 and/or 12 3 are formed from semiconductor material.
  • the layers 32 1 to 32 4 can be formed in an electrically insulating manner, for example, and can include silicon oxide and/or silicon nitride, for example. Other material choices are also possible without restriction.
  • the moveable elements 16 1 and 16 2 can optionally be arranged symmetrically across the gaps 28 1 to 28 4 , which can enable a symmetrical control of the moveable elements 16 1 and 16 2 , for example for a linear movement. Irrespective of this, for example in a rest position, positions deviating from this can also be provided in order to implement, for example, an asymmetrical control.
  • the movable elements 16 1 and 16 2 can be moved toward or away from each other during an activation cycle, but can alternatively also be moved in phase, so that, for example, a distance between the movable elements 16 1 and 16 2 is changed the same or only insignificantly.
  • openings 38 1 to 38 3 can be provided in any number and/or position in a first wafer 42 and/or second wafer 44, which can provide a bottom wafer and/or cover wafer, for example which the movable element 16 1 and/or 16 2 is arranged, so that fluid can flow into or out of the sub-cavity 36 .
  • FIG. 2b shows a schematic side sectional view of a portion of the illustration from FIG. 2a, in which, for example, the optional drive structures 22d and 22e are not shown.
  • FIGS. 2c and 2d show the corresponding section of the MEMS component 20, a movement 48 of the movable elements 16 1 and 16 2 towards one another taking place in FIG. 2c, starting from an exemplary idle state in FIG. 2b , so that the volume of the sub-cavity 36 1 between the movable elements 16 1 and 16 2 is reduced, while correspondingly the volumes of sub-cavities 36 2 and 36 3 adjacent to the movable elements 16 1 and 16 2 on from the sub-cavity 36 1 Facing away sides are enlarged, so that correspondingly arranged openings 38 1 and 38 2 fluid 46 can flow into the partial cavities 36 2 and 36 3 , while the openings 38 3 fluid 46 can flow out of the partial cavity 36 1 .
  • FIG. 2d shows a complementary state in which the movement 48 is carried out in such a way that the movable elements 16 1 and 16 2 move away from one another, which can lead to the volume of the partial cavity 36 1 increasing again. while the volumes of the partial cavities 36 2 and 36 3 are reduced, so that the fluid 46 can flow in the opposite direction, for example through the opening 38 3 into the partial cavity 36 1 and through the openings 38 1 and 38 2 out of the partial cavities 36 2 and .36 3 out.
  • FIG. 2b shows examples of force vectors F1a1, F1b1, F1b2, F1a2, F2a1, F2b1, F2b2 and F2a2, which indicate that a movable element 16 1 formed to be electrically conductive, for example, and/or a movable element formed to be electrically conductive, for example Movable element 16 2 based on potentials of the electrode elements of the drive structures 22b and 22c forces can be generated which can trigger the movement 48 from FIG. 2c or the movement 48 from FIG. 2d.
  • a large number of movable elements 16 can be arranged along plane direction 18 in order to alternately reduce and enlarge adjacent partial cavities during activation in order to move a large amount of fluid, what is particularly advantageous for pump applications or loudspeaker applications.
  • the electrically conductive layers 22b and 22c can be subdivided in a first direction into at least two discrete partial regions 22b 1 and 22b 2 and 22 C1 and 22 C2 . These portions are electrically isolated from each other and separated by a gap 28 or an insulating medium such as silicon oxide therein and may constitute electrodes.
  • the arrangement and interconnection of the electrodes is designed to be interdigital, for example.
  • the distance between the partial areas is 1 ⁇ m, for example, but can also be 10 nm or even up to 10 ⁇ m.
  • a first group of partial regions 22 C1 and 22 C2 is mechanically connected to the cover wafer via an insulating connecting layer 32 2 , for example.
  • Another second group in partial areas 22b 1 and 22b 2 is mechanically connected to the bottom wafer via an insulating connecting layer 32 1 .
  • a first sub-area is connected to a first signal voltage
  • a second sub-area 22b 2 and/or 22 C2 is connected to a second signal voltage.
  • the signal voltages can have the same magnitude, but can also be phase-shifted by 180°, for example. The phase shift can also assume other values.
  • Electrically identical partial areas of the respective groups can be arranged opposite each other on the cover wafer and base wafer.
  • the resistance elements, ie the movable elements can, for example, be bar-shaped elements which have their direction of longitudinal extension in a second direction, which is arranged at right angles to the above-mentioned first direction. approximately along a centroid fiber. Such a dimension is indicated in Fig. 4a and Fig. 4b, for example, with the parameter I.
  • Preferred lengths are, for example, between 10 ⁇ m and 10 mm, particularly preferred lengths are between 1 mm and 6 mm and particularly preferred lengths l are around 3 mm.
  • a particularly preferred exemplary embodiment of a resistance element has a variable width, for example along the first direction.
  • the width of the resistive element is smallest in the region of its centroid fiber and can be located in the region of the neutral axis of the resistive element, see point M. Towards its upper and lower borders, the width can increase again at the edge of the movable element.
  • the width in the area of the centroid fiber is, for example, a value between 3 ⁇ m and 4 ⁇ m.
  • the illustrated width in the area of the upper and lower boundary is, for example, a value between 7 ⁇ m and 8 ⁇ m.
  • the width of the bar can also be made the other way around, ie thinner in the middle and thicker on the edge or thicker in the middle and thinner on the edge.
  • the extension which can be referred to as height, for example, and runs in a third direction, which is arranged perpendicularly to the plane that is spanned between the first and the second direction, for example along the distance 34, is between 400 ⁇ m and 400 ⁇ m, for example 5000 ⁇ m, preferably between 650 ⁇ m and 1500 ⁇ m and particularly preferably around 1000 ⁇ m.
  • the width of the resistance elements can vary in shape, as is also shown in FIGS. 3a to 3d.
  • the resistance elements are arranged in such a way that they cover two adjacent partial areas (22 C1 and 22 C2 , and 22b 1 and 22b 2 ) in the cover and base wafer area in equal parts.
  • This covering also includes the insulating area between two partial areas 38.
  • the insulating area 28 between two partial areas can be made of oxide (eg SiO 2 , Si 3 N 4 or Al 2 O 3 ) or air and can be between 0.1 ⁇ m and be 10 ⁇ m wide.
  • the resistance elements 16 1 , 16 2 are at a distance 26 1 , 26 2 from the electrodes of the electrically conductive layers. This is, for example, between 0.01 ⁇ m and 10 ⁇ m, preferably between 0.05 ⁇ m and 1 ⁇ m and a particularly preferred distance of 0.1 ⁇ m. This distance forms the two-part capacitive actuator between beams, so- such as top and bottom wafers.
  • the actuator that is supposed to move the resistance structures/bars therefore has no direct mechanical contact with the resistance structure. This distinguishes this solution from the other solutions where the actuator and the resistance structures have to be mechanically connected in order to get an acoustic effect from the resistance structures.
  • FIGS. 2a-d show different moments in time when the resistance elements are actuated:
  • U ACa the signal voltage/AC voltage applied to electrodes 2a and 5a.
  • F b1 F 1b1 + F 2b1 - ⁇ (U DC +U ACb ) 2 /d;
  • U ACb the signal voltage/AC voltage applied to the electrodes 22 C1 /22 C2 and 22 b1 /22 b2 .
  • UDC is the DC voltage that is applied between the top/bottom wafer and the device wafer.
  • d distance between cover/bottom wafer and device wafer, 26 1 , 26 2 .
  • the resultant force on a resistance element is:
  • the forces have the following relationship to one another: F a1 ⁇ F b1 or F a2 ⁇ F b2 c)
  • the forces have the following relationship to one another: F a1 > F b1 or F a2 > Fb 2 ;
  • FIG. 3 a shows a schematic side sectional view of a MEMS device 30 according to an embodiment, which is modified with respect to several optional changes compared to the MEMS device 20 . While the principle effect of moving movable elements 16 1 and 16 2 towards or away from each other can be the same, for example to increase or decrease volumes of partial cavities 36 1 , 36 2 and 36 3 in order to allow fluid to pass through openings 38 1 , 38 2 1 and 38 3 , a movable element 16' 1 or 16' 2 of the MEMS device 30 has a changed configuration.
  • the movable elements 16' 1 and 16' 2 can be formed from a semi-conductive or non-conductive material, so that the drive structure 22a and/or or 22f by means of layers 32 1 and/or 32 2 and comprising electrode elements 22a 1 , 22a 2 , 22f 1 and 22f 2 is mechanically firmly connected to the movable element or a base body thereof.
  • electrode structures can also be provided on the movable elements 16' 1 and 16' 2 as an alternative or in addition.
  • the drive structures 22a and 22f can be actuated or connected in the same or identical manner and, for example, brought to an identical potential, for example for the electrode elements 22a 1 and 22f 1 and 22a 2 and 22f 2 , with individual connection also being able to be provided as an alternative.
  • the structure can be arranged on a side of the MEMS layer 12 1 or of the movable element which faces the MEMS layer 12 2 and/or the MEMS layer 12 3 and form at least part of the drive structure.
  • the layers 12 2 and/or 12 3 can optionally be formed to be electrically conductive, so that a separate arrangement of electrode structures can be dispensed with.
  • the layers 12 2 and 12 3 can also be provided with electrode structures, as is described in connection with the MEMS component 20 .
  • the layers 12 2 and 12 3 can have surface topographies 52 1 to 52 2 which can be provided, for example, for symmetrical control in the area of opposite electrode columns 28 and in the form of elevations or depressions opposite main sides 12 2 A or 12 3 B can be implemented, that is, locally the distance between the movable element and the layer 12 2 or 12 3 in the region of the topographies 52 can be increased by implementing the topography as a depression in the material is reduced or reduced by implementing the topography as an elevation. In some configurations, this surface topography may be desired or required.
  • the electrodes are arranged on the movable element, it is advantageous to structure the base and/or cover wafers in the same or similar manner as shown in order to achieve a movement.
  • the topographies 52 can be used to set electrostatic forces.
  • surface topographies 52 can be elevations or holes. Such structuring can be arranged symmetrically on both sides of the wafer 42 and/or 44 .
  • the movable element 16' 1 and/or 16' 2 on a side facing the second MEMS layer 12 2 and/or the second MEMS layer 12 2 on a side facing the movable element 16' 1 or 16' 2 Facing side may have a surface structure or surface topography in order to change a distance between the movable element 16 ' 1 or 16' 2 and the second layer 12 2 locally.
  • the surface topographies 52 1 , 52 2 , 52 5 and 52 6 can be used for setting the electrostatic forces between the drive structures for the control shown
  • the surface topographies 52 3 , 52 4 , 52 7 and 52 8 can be used as dummy structures be, for example, to avoid bending of the wafer 42 and / or 44 as much as possible. Referring to the structured electrically conductive layers or electrodes 22c/22e and 22b/22d in FIG.
  • FIG. 3b shows a schematic side sectional view of a movable element 16′′ according to an exemplary embodiment, which can be used, for example, to be used in the MEMS component 16 as a movable element 16′ 1 or 16′ 2 .
  • a base body 54 of the movable element 16′′ can be formed, for example, from semiconductor material, such as silicon, and can have an approximately rectangular geometry, for example, it also being possible for thickenings to be provided at the ends of the base body 54 .
  • the electrodes 22a 1 , 22a 2 , 22f 1 and/or 22f 2 can also be arranged in part on side surfaces of the movable element 16′′ or the base body 54, which makes it possible, for example to also generate electric fields along these sides, which can be advantageous in the event of dynamic movement of the movable element 16''.
  • the shape of the base body 54 is independent of the implementation of the electrodes on the side surfaces. Such an implementation is also readily possible on the movable elements 16 1 and 16 2 .
  • FIGS. 3a and 3b show a so-called balance actuator.
  • FIGS. 3a and 3b show an alternative exemplary embodiment of an elementary cell with linear deflection behavior.
  • the difference from the exemplary embodiment in FIGS. 2a-d is the location of the electrically conductive layers on the resistance elements.
  • This alternative location makes the resistive element an active resistive element.
  • the resistance element is characterized in that the electrically conductive layers are each connected to the resistance element via an electrically insulating layer.
  • the shape of the resistance elements with the conductive layers in width can be different.
  • FIG. 3b an alternative deflectable and active resistance element is also shown (FIG. 3b).
  • the electrically conductive layers are arranged around part of the circumference of the resistance element.
  • electrically conductive layers are arranged not only between the resistance element and the cover wafer and between the resistance element and the base wafer, but also on the sides of the resistance elements that enclose the cavities.
  • Fig. 3c shows a schematic side sectional view of the base body 54 from Fig. 3b
  • FIG. 3d shows a schematic sectional side view of a base body 54' that is different from FIG. 3c and has a multiple convex configuration, in contrast to the single concave configuration of FIG. 2a.
  • the cross section of the movable element can be polygonal, for example rectangular, single-curved or multiply-curved, wherein a curvature can be convex or concave, with multiple curvature also permitting mixed forms thereof.
  • the movable element can have variable dimensions perpendicular to the layer sequence direction in the cross section along the layer sequence direction 14, i.e. for example along the plane direction 18.
  • FIG. 4a shows a schematic side sectional view of the movable element 16' 1 of the MEMS component 30 according to a first embodiment of the electrode structures.
  • the electrode segments 22f 2 and 22a 2 can be arranged opposite one another on the base body 54 regardless of its cross section and, for example, provide a planar contact along a length l.
  • the electrode element 22a 2 can have a height h 5 and the electrode element 22f 2 can have a height h 2 along the layer sequence direction 14, which can lead to an overall height h tot of the movable element 16′ 1 .
  • Fig. 4b shows a schematic side sectional view of an alternative embodiment, in which both the electrode element 22f 2 and the electrode element 22a 2 in segments 56 1 to 56 10 or 56 11 to 56 20 , the number of 10 segments 56 being merely exemplary and any number of at least two, at least three, at least five, at least eight, at least ten or more can be.
  • the segments 56 of an electrode 56f 2 or 22a 2 are electrically or galvanically coupled to one another, so that when an electrical potential is applied within the group 56 1 to 56 10 and 56 11 to 56 20 have the same potential.
  • a segment can have a dimension I s which, for example, has a value in a range between 0.5 ⁇ m and 2 ⁇ m, with other values also being able to be implemented on the basis of individual designs the length l can be provided as a constant or also variable distance labst, which separates two segments 56 from one another, but is bridged by means of an electrically conductive connection 58 .
  • the movable element can be designed over an element length l along an axial direction of extension perpendicular to the layer sequence direction such that the electrode 22a 2 and/or 22f 2 has a plurality of electrode segments 56 .
  • Adjacent electrode segments 56 can be electrically connected to one another by electrical conductors 58, the electrical conductors having a lower mechanical rigidity in the direction perpendicular to the element length, ie for example along the plane direction 18, than the electrode segments.
  • the electrically conductive layers can be segmented in the first direction, as shown in the side view in FIG. 4b.
  • the segments are spaced apart from one another.
  • the rigidity of the deflectable elements can already be addressed in the design.
  • the extension of the resistance elements in the third direction is indicated, inter alia, in Fig. 4a with h and the extension of the electrically conductive layer 22a or 22f is with h 2 or h 5 denotes.
  • the ratio of h to h 2 or h to h 5 is 20%, preferably 5% or more preferably 1%, ie h 2 and h 5 are thinner than the body 54.
  • the expansion of the resistance elements in the first direction is shown, inter alia, in FIG. 4b.
  • An alternative arrangement of the conductive layers 22a and 22f is shown here, which, as already mentioned above, reduces the rigidity of the deflectable element.
  • the length of the resistance element in the first direction is denoted by l.
  • the length of a segment is denoted by I s .
  • the distance between the segments is denoted by labst.
  • 5a shows a schematic top view of a part of a MEMS component 50 1 according to an embodiment, in particular the configuration of the movable elements 16' 1 to 16' 5 , which are exemplary in accordance with the movable elements 16' 1 and 16' 2 of the MEMS device 30 may be formed.
  • Partial cavities 36 1 to 36 6 are arranged between adjacent movable elements or between a movable element and surrounding substrate 62 in the case of movable elements 16′ 1 and 16′ 5 .
  • the movable elements 16′ 1 to 16′ 5 can be viewed as beams that are firmly clamped on both sides, with the interdigital interconnection of the electrode elements 22a 1 and 22a 2 being shown as an example. It is clear that the respective electrode elements of adjacent movable elements 16′ 1 to 16′ 5 can have the same potentials due to the end-to-end interconnection, but that severing such a configuration can also lead to an individual interconnection.
  • a direct voltage can be applied to the electrode elements 22a 1 and 22a 2 so that, for example, the direct voltage DC is applied alternately to the electrodes 22a 1 and 22a 2 .
  • an AC voltage can also be applied, which is indicated by AC- and AC+.
  • Such a configuration can also take place simultaneously, which can lead, for example, to attractive forces between adjacent movable elements in order to move them towards one another.
  • FIG. 5a shows a schematic representation of a contacting of the electrodes when they are connected to the beam, the movable elements.
  • a configuration can also be implemented for electrodes that face the cover wafer and/or the base wafer.
  • the movable elements 16' 1 to 16' 5 can be designed directly to interact with the fluid, for example by the base bodies moving the fluid or being moved by it.
  • additional elements such as plate elements or the like could also be arranged on the movable elements, which are moved by the movable elements and in turn interact with the fluid.
  • FIG. 5b shows a schematic top view of a MEMS component 50 2 according to an exemplary embodiment in a view comparable to FIG. 5a.
  • the movable elements are in the form of movable elements 16'', as illustrated in FIG. 3b, for example.
  • the electrodes 22a 1 and 22a 2 also run on side walls of the movable elements in addition to a top or bottom side, it being noted here that terms such as top, bottom, left, right, front, rear and the like are used here do not have a restrictive effect, but only serve to illustrate the point, since it is clear that the terms are mutually interchangeable due to a changing orientation of the bodies in space.
  • the electrical connection 58 between two adjacent segments 56 1 and 56 2 can be made, for example, by locally thinning out or removing the corresponding electrode, which can lead to low mechanical resistances of the electrode elements when the movable element 16'' 1 is curved .
  • the partial cavities 36 1 to 36 6 can be parts of an overall cavity, with the partial cavities 36 1 to 36 6 being able to be alternately enlarged and reduced due to the movement of the movable elements 16" 1 to 16" 5 .
  • the movable elements of the MEMS components 50 1 and 50 2 can be fluidly coupled to one another, so that when only one of the movable elements is actuated, an adjacent movable element can also be moved in the non-actuated state. That is, the motion of the fluid may couple to an adjacent movable element, whether actuated or unactuated.
  • Optional Adjacent movable elements can also be coupled to one another by means of a coupling element, not shown, for example in a central area, for example 1/2 or the like. Such a coupling element makes it possible to carry out a smooth movement of the coupled movable elements.
  • different potentials may be applied to electrodes 22a 1 and 22a 2 .
  • the interdigital structure can be formed in such a way that mutually facing electrodes of adjacent movable elements are connected to a combination of the potentials AC ⁇ and AC+, which means that the mutually facing electrodes both have different potentials or, to put it another way, different Potentials of the different electrodes 22a 1 and 22a 2 face each other.
  • This also applies to the DC wiring, which takes place alternately at the electrodes 22a 1 and 22a 2 , for example, so that a wired electrode faces an unwired electrode.
  • FIGS. 5a and 5b show top views of the exemplary embodiments from FIGS. 4a and 4b, respectively, with FIG. 5b also showing contacting of the electrodes when they are connected to the beam.
  • 5a and 5b are top views of the layers from Fig. 4a/Fig. 4b of a MEMS-based sound transducer with linear deflection behavior in a simplified representation with a limited number of actively deflectable elements.
  • the illustration shows a possible electrical interconnection of the actively deflectable resistance elements, as shown in FIGS. 4a/4b.
  • the two subregions interlock like a comb (in other words, interdigitally) and are arranged over the entire length of the respective passive resistance element. Equally, such a configuration can also be implemented for electrodes that face the cover wafer and/or the base wafer.
  • FIG. 6 shows a schematic side sectional view of a part of a MEMS device 60 according to an embodiment.
  • the cavity 66 which is subdivided into partial cavities by means of four movable elements 16' 1 to 16' 4 , outer regions are also shown there, in which the interconnection of the electrodes is illustrated in more detail. Electrodes and/or other areas can be uncovered through recesses 64 1 to 64 7 so that they are available for contacting. As shown by the recesses 64 1 to 64 5 , this can be done so that all electrodes along one side of the MEMS device 60 are accessible.
  • 7a shows a schematic side sectional view of a MEMS device 70 according to an embodiment.
  • the MEMS component 70 includes, for example, a configuration as is described in connection with the MEMS component 20 .
  • Each two adjacent movable elements 16 1 and 16 2 , 16 3 and 16 4 or 16 5 and 16 6 can form a unit cell 68 1 , 68 2 or 68 3 of the MEMS component 70 .
  • openings 38 1 , 38 2 and 38 3 of the wafer 44 can be assigned exclusively to the unit cells 68 1 , 68 2 and 68 3 , for example, openings 38 4 and 38 5 of the wafer 42 can be assigned to neighboring unit cells 68 1 and 68 2 or 68 2 and 68 3 are shared.
  • Recesses 64 1 , 64 2 , 64 3 and 64 4 for contacting the electrodes 22 C1 , 22 C2 , 22b 1 and 22b 2 can be provided in the substrate layers 12 2 and 12 3 .
  • cutouts 64 5 and/or 64 6 can be provided for local exposure of layer 12 1 in order to connect it to a potential, for example a reference potential (ground GND).
  • FIG. 7a shows a cross-sectional illustration of an exemplary embodiment of a MEMS-based sound transducer with linear deflection behavior with 3 elementary cells arranged next to one another.
  • the structure with passively deflectable resistance elements is shown.
  • the electrically conductive layers are each connected to the base and cover wafer via an electrically insulating layer.
  • the elementary cells are connected to one another via cavities of adjacent passive, deflectable resistance elements.
  • the positions of possible lower and upper outlet openings in the base and cover wafer are shown.
  • Areas 64 are provided for electrical contacting of the partial layers. Likewise, areas for electrical contacting of the partial areas of further electrodes are provided.
  • the contacting areas are shown as openings, which are led down to the respective electrically conductive layers in an etching process, for example as bores or square recesses or rectangular grooves.
  • the exemplary embodiment is not limited to the location of the electrically conductive layers shown.
  • contacting with GND in the layer 12 1 is possible.
  • a structure with actively deflectable elements according to FIGS. 3a to 4b is also possible.
  • FIG. 7b shows a schematic side sectional view of the MEMS component 70 in a configuration in which electrically conductive elements 72 1 to 72 6 are arranged in the cutouts 64 1 from FIG. 7a in order to enable contacting of the corresponding areas.
  • the electrically conductive areas or elements 72 1 to 72 6 may be spaced from the surrounding material by gaps 74 1 to 74 4 , which gaps may optionally be filled with electrically insulating material.
  • Electrically conductive structures 76 for example made of the material of the electrically conductive elements 72 or another electrically conductive material, can be arranged through electrically insulating connecting layers 32, which differ from the material of the connecting layers 32 or the electrically insulating property thereof Area surrounding electrodes can be enclosed to avoid short circuits.
  • the element 72 5 can provide a contact between the layer 12 1 and a partial area of the layer 12 3 , as the element 72 6 is also shown. In this case, the element 72 5 can also be electrically insulated from other elements, for example partial regions of the electrically conductive layer 22c. Contact can be made on both sides at this point.
  • FIG. 7b shows a sound transducer with linear deflection behavior and an alternative structure of a MEMS-based sound transducer, which differs with regard to the contacting and 101 the electrically conductive layers.
  • the contacts to the layers are not made by gaps.
  • the layers are connected to the top and bottom wafers by vias through conductive elements.
  • the layer 12 1 is connected to the bottom or top wafer by the conductive plugs.
  • the electrical potentials in the cover or base wafer are separated by the trench (or recesses). The advantage of this design is that the layers are not contacted in the recesses, but on the surface of the base or cover wafer.
  • FIG. 7c shows a schematic sectional side view of a MEMS component 70' similar to this, in which the contacting by means of recesses 74 1 to 74 5 is only from one side, that of the wafer 44, for example a cover wafer.
  • the MEMS component 70 can be placed simply on a substrate, since the electrical interconnection from one side can be sufficient.
  • the electrodes can be contacted in a variety of ways. The electrodes can be contacted from two sides or only from one side.
  • FIG. 7c shows a sound transducer with linear deflection behavior: It is similar to FIG. 3a, except that the contact is made from one side of the chip. i.e. all electrodes necessary for the actuation are accessible (through the recesses) from one side of the chip. In this case, wire bonding of the finished chip is easier to implement because the chip can only be wire bonded from one side.
  • the drive variant in FIG. 3a can also be contacted.
  • FIG 8a shows a schematic side sectional view of a MEMS component 80 according to an exemplary embodiment, in which the partial cavities 36 1 to 36 7 locally extend into at least one of the layers 12 2 and 12 3 in that cutouts 78 are provided there, for example between adjacent openings 38 1 and 38 2 , 38 2 and 38 3 and/or in the area of the openings 38 4 , 38 5 , 38 6 and/or 38 7 .
  • the layer 12 1 can be connected to an alternating potential U AC or -U AC or +U AC so that this potential can also be present at the movable elements 16 1 to 16 6 .
  • the layers 12 2 and 12 3 can be connected to a reference potential GND.
  • FIG. 8b shows a schematic side sectional view of the MEMS component 80 from FIG 8a is described, in which the surrounding substrate of the layer 12 1 is however connected to the reference potential, which can enable simple and safe handling of the MEMS component.
  • electrical insulation can also be provided on the MEMS component 80 .
  • Fig. 8b shows the MEMS component 80 in a state in which the movable elements 16 1 to 16 6 have moved in pairs within the unit cells 68 1 , 68 2 and 68 3 toward each other, so that corresponding main sides 16 1 A and 16 2 A or 16 3 A and 16 4 A, which delimit partial cavities 36 2 and 36 4 , are moved towards one another.
  • FIG . 8c shows a schematic side sectional view of the MEMS component 80 from FIG . 68 2 , 68 3 are moved away from each other to create a reverse fluid flow.
  • FIGS. 8a to 8c show sound transducers with non-linear deflection behavior: FIGS. 8a-c show a structure of a MEMS-based sound transducer in three deflection states.
  • FIGS. 8a-c show a structure of a MEMS-based sound transducer in three deflection states.
  • a simplified two-electrode configuration is shown.
  • the layers of the cover wafer 12 3 and base wafer 12 4 form a first electrode and the layer of the device wafer or the passively deflectable resistance elements form a second electrode.
  • the resistive elements are simplified in this illustration and may have other cross-sections, such as those described herein.
  • the resistance elements are arranged in a cavity, which is worked out of the layer 12 1 by etching processes and through further layers, which are the cover and base wafers.
  • At least one end preferably two opposite ends, are connected to the substrate of layer 12 1 .
  • the layers preferably have cover and base wafer structures, which result in a large volume of the cavity.
  • the layers are connected to layer 12 1 via an insulating layer 32 1 /32 2 .
  • the resistive elements have major faces. Main sides are characterized in that they are arranged opposite one another in adjacent resistance elements and delimit partial cavities 36 2 , 36 4 and 36 6 which are connected to the upper outlet opening 38 1 - 38 3 .
  • the opposite sides of the resistance elements are characterized by including the cavities 36 1 , 36 3 , 36 5 and 36 7 which are simultaneously connected to the lower outlet openings 38 4 -38 7 .
  • the opposite sides of the resistance elements are characterized in that they delimit the partial cavities 36 1 , 36 3 , 36 5 and 36 7 which connect the elementary cells to one another.
  • FIG. 8a shows the resistance elements in a non-deflected state.
  • Figure 8b shows the resistance elements in a deflected state in a first time interval with an additional applied voltage (combination between DC and AC) between 0 and 100 V, preferably between 1 and 50 V, particularly preferably between 1 and 25 V, about 24 V.
  • the resistance elements steer along the direction of movement 18 out.
  • Adjacent resistance elements of an elementary cell move towards one another, so that the distance between the respective main sides decreases and, as a result, the volume of the partial cavities 36 2 , 36 4 , 36 6 also decreases. Due to the reduction in the volume of the partial cavities, fluid is transported out of the partial cavities through the outlet openings 38 1 -38 3 .
  • the opposite sides of the resistance elements move in one direction, so that the distances between the opposite sides are increased. Equally, the enclosed volume of the cavities 36 1 , 36 3 , 36 5 , 36 7 is also increased as a result. The volume flow thus generated transports fluid through the openings 38 4 -38 7 into the partial cavities.
  • FIG. 8c shows the resistance elements in a deflected state in a second time interval that directly follows the first time interval.
  • the first and second time intervals alternate in this order over a long period of time, so that pressure pulses, for example as sound waves, are emitted.
  • the resistance elements are supplied with a different voltage (DC+AC), the phase of which is shifted by, for example, 180° compared to the voltage in the first time interval, with other phase angles also being adjustable.
  • the phase shift can also assume other values greater than zero.
  • the resistance elements thus move along the direction of movement 18 in a direction which is opposite to the direction in the first time interval.
  • the distance between the opposite sides of adjacent resistance elements decreases, as a result of which the volume of the partial cavities 36 2 , 36 4 , 36 6 is increased and as a result of which a volume flow of fluid is transported through the openings 38 1 -38 3 into the partial cavities.
  • the distance between the opposite sides of adjacent resistance elements decreases in the same way, so that a volume flow of fluid conveys out of the partial cavities 36 1 , 36 3 , 36 5 and 36 7 through the openings 38 4 -38 7 .
  • FIG. 9 shows a schematic perspective view of parts of a MEMS component 90 according to an embodiment, for example in the form of the wafer 42 and the layer 12 1 .
  • 10 movable elements 16 1 to 16e are shown, which can be surrounded by partial cavities 36 1 to 36 11 .
  • Reference number 15 shows a step, chamfer or rounding which sets back an inner area of the movable elements 16 compared to a peripheral area of the remaining layer 12 1 or reduces it in height, so that during subsequent bonding processes, for example for arranging the wafer 44 , A mechanical contact to the movable elements 16 is omitted.
  • FIG. 9 shows a MEMS-based sound transducer in a perspective view.
  • the layers containing the passive resistance elements and the layer (bottom wafer) connected to layers 22b 1 /22b 2 Shown are the layers containing the passive resistance elements and the layer (bottom wafer) connected to layers 22b 1 /22b 2 .
  • the layer that includes the cover wafer is not shown.
  • the configuration of the layers 22b 1 and 22b 2 is likewise shown, which interlock like fingers and are thus arranged next to one another in the area of the deflectable passive elements.
  • the layers 22b 1 /22b 2 are electrically separated by the region 28, which represents electrical insulation.
  • the layers 12 2 and 12 1 have different thicknesses.
  • the layer 12 2 has a thickness of 400 ⁇ m.
  • the thickness of the layer 12 1 can have values between 400 ⁇ m and 5 mm, for example.
  • the contacts in the layer 12 1 are disclosed by 72i, which connect the control to the electrically conductive layers 22b 1 /22b 2 with further contacts in the layer (not shown).
  • the control signals are then distributed into the zones of the respective areas of the layers 22b 1 and 22b 2 by means of suitable contacts 72 .
  • openings 38 Another aspect of this embodiment is the placement of the openings 38.
  • these openings connect the cavities 36 (in other words, trenches or recesses) to the surrounding fluid.
  • These openings are shown as rectangular in this embodiment.
  • the respective cavities 36 are connected to two openings which are each at a discrete distance from one another. Equally, however, it is also possible for an opening to have a length over the entire length of the passive resistance element or a length deviating therefrom.
  • the exemplary embodiments are not limited to a rectangular shape either. Other shapes that deviate from a rectangular shape are part of exemplary embodiments that should only be mentioned here.
  • the reference 15 refers to a circumferential step or chamfer or rounding which is arranged between the layer 12 1 and the substrate of the resistance elements. With a height difference of approximately 100 nm, the substrate of the resistance elements is slightly embedded in relation to the substrate 12 1 in order to prevent the resistance elements from being strained during the necessary bonding process of the cover layer. Equally, the step can also be provided in the area of the bonding zone of the layer 12 2 .
  • 10 shows a schematic perspective view of a MEMS device 100 according to an embodiment.
  • the movable elements 16 1 to 19 9 are elements that are only clamped on one side, for example adjacent movable elements that are clamped on opposite sides and can be arranged in the sense of interdigital elements. This means that exemplary embodiments described herein are not limited to movable elements clamped on both sides.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment of a MEMS-based sound transducer 100, which has deflectable resistance elements 16 1 to 16 9 connected on one side to the surrounding substrate of layer 12 1 , it also being possible for any number of resistance elements to be designed here .
  • Fig. 11 shows a schematic perspective view of a MEMS component 110 according to an embodiment or a part thereof, namely the layer 12 2 , which can have both openings 38 and interdigital electrodes 22b 1 and 22b 2 , the contacts 72 1 to 72 12 , which can pierce the electrodes 22b 1 and 22b 2 , for example, as explained in connection with FIG. 7b by way of example.
  • spacers 84a and/or 84b can be provided, which can limit a distance, in particular a minimum distance, between the movable element sweeping over the layer 12 2 and the movable element itself.
  • the spacers can be formed from electrically insulating material, for example, and can prevent a cover wafer and/or a base wafer from being bonded to the fin over a large area during wafer-level bonding, since their dimensions are relatively small, in the range of a few micrometers.
  • the spacers can be used as a transport lock.
  • the spacers 84a and/or 84b can be e.g. B.
  • HF-GPE Gas-Phase Etching, gas-phase etching
  • FIG. 11 shows the layer 12 2 of a MEMS-based sound transducer in a perspective view and substantiates the implementation of the description of FIG. 12a shows a schematic plan view of parts of a MEMS device 120 1 according to an embodiment.
  • the electrode 22b 2 has a rectangular shape and is arranged approximately centrally across an intermediate space between two adjacent movable elements 16 1 and 16 2 , as is also shown, for example, in FIG. 2a.
  • the movable elements 16 1 and 16 2 can be formed, for example, in the shape of a comb.
  • FIG. 12b shows a schematic plan view of parts of a MEMS component 120 2 , in which the movable elements 16 1 and 16 2 can be formed as hollow bodies, for example, which allows material savings. Irrespective of this, the electrode 22b 2 can have a concave design, for example.
  • FIGS. 12a, 12b and 12c show a schematic plan view of parts of a MEMS component 12O3, in which the movable elements 16 1 and 16 2 are formed as solid bodies and, independently of this, the electrode 22b 2 is formed as convex in shape.
  • the different details of FIGS. 12a, 12b and 12c can easily be combined with one another.
  • the electrodes of the drive structures arranged on the substrate can have a constant or variable lateral dimension along an axial course perpendicular to the layer sequence direction, ie parallel to the plane direction 18 .
  • the same also applies to the electrodes on the movable elements or in the movable elements.
  • FIGS. 12a-12c show different exemplary embodiments of the deflectable resistance elements in a plan view of an area of an alternative elementary cell.
  • 12a shows a comb-shaped configuration.
  • 12b shows a concave configuration of the deflectable resistance element and the layer 22b 2 shown as an example.
  • the resistance elements can also be thin-walled bodies that have no material in the area of the centroid fiber.
  • FIG. 12c shows a convex shape of the represented components of the unit cell.
  • a transition between the resistance element and the surrounding substrate that is as stress-free as possible, so that it makes sense to widen the resistance element in the area of the transition.
  • the shape of the deflection of a resistance element can be influenced the. It is understandable for a person skilled in the art that a hollow resistance element has a greater light-weight character than a filled resistance element.
  • the performance of a sound transducer can be directly influenced by the geometric design of the resistance elements. It is undeniable that different configurations can also be combined in a MEMS converter.
  • the layer 12 2 and/or the layer 12 3 is electrically conductive and divided into different segments or areas by means of electrically insulating elements or areas or segmentations 92, which are subjected to different potentials 86a/86b or 88a/88b can, while the layer 12 1 with, for example, H-shaped movable elements 16 1 and 16 2 can be subjected to a reference potential.
  • the potential 86a can be AC- and the potential 86b AC+ and/or a DC voltage potential can be applied alternately to different segments. The same applies to the potentials 88a/88b.
  • FIG. 13 shows a resistance element with a linear deflection behavior.
  • FIG. 13 shows a further exemplary embodiment according to FIGS. 8a-c.
  • the H-shaped design of the resistance elements and the double potential management in the cover and base wafer are different:
  • Resistance element with linear deflection behavior This means that when a voltage is applied to 12 1 ; 86, 88 electrical forces arise. When the stresses 86a/86b or 88a/88b are equal, the forces balance and the resistance element does not move. However, if the voltage between 86a/86b or 88a/88b becomes different, then an imbalance arises and the resistance element moves linearly in one direction. If the voltage between 86a/86b or 88a/88b is reversed, then the resistance element moves linearly in the opposite direction. This advantageously results in a very large volume of the surrounding cavity, with which a high sound pressure level of the resulting sound transducer is possible. However, this also requires a large force with a large deflection of the resistance elements.
  • FIG. 14 shows a schematic side sectional view of a MEMS device 140 according to an embodiment that may be consistent with the MEMS device 130.
  • MEMS device 140 may include block-shaped or solid moveable elements 16 1 and 16 2 .
  • FIG. 14 shows a resistance element with a linear deflection behavior
  • FIG. 14 concretising FIG. 13 with solid resistance elements.
  • 15a shows a schematic side sectional view of a MEMS 150 according to an embodiment in which the insulating layers 32 1 and 32 2 as well as exemplary electrode layers 22 1 and 22 2 are formed circumferentially around the layers 12 2 and 12 3 as well as one electrically insulating layer 32 3 around layer 12 1 . In this way, simple wafer bonding can be made possible.
  • FIG. 15a shows an exemplary embodiment of a MEMS-based sound transducer in a cross-sectional representation.
  • This exemplary embodiment shows the MEMS sound transducer in a method step of its manufacture.
  • spacers 84 are connected to the resistance elements on both sides in the vertical direction. These spacers represent force dissipation points that make it possible to achieve uniform bonding of the layers 12 1 . In a further step in the manufacturing process, these spacers are then removed. It is equally conceivable that these spacers are at the same time a means of securing during transport, which enables damage-free transport during the manufacturing process.
  • spacers are only destroyed when a signal is applied to them for the first time and thus represent a transport safeguard throughout the entire B2B process. Because there are many such spacers on the chip, it is possible to design them of different sizes, so that when removing the spacers, only some are specifically removed, while others remain: the smaller spacers are removed and the larger ones remain. This would make it possible to specifically free (release) only certain resistance elements or make them flexible. In this way, one could use or release the same chip for different applications (with more or less free resistive elements).
  • 15b shows a schematic side sectional view of an intermediate product 150' for a MEMS device according to embodiments described herein.
  • Material 94 is shown remaining in a center region when etching from a first side 96 1 and a second side 96 2 to obtain indentations 98 1 to 98 8 .
  • the intermediate product 150' can also be an already bonded wafer example and/or a wafer with a high thickness, in which a doubled aspect ratio can be produced due to the etching on both sides.
  • 15b shows an exemplary embodiment of a converter in a sectional view.
  • This illustration is not intended to claim any method of fabricating a MEMS. Rather, it shows the advantage of such a construction as claimed by the device.
  • An important aspect of this invention is that the resistance elements must be symmetrical in order to ensure uniform deformation during the movement process.
  • An asymmetrical structure leads to the non-uniform deformation behavior just described. As a result, there would no longer be a linear relationship between the applied voltage and the deflection of the resistance element, resulting in a high distortion factor.
  • An asymmetrical structure results from the method used in the etching process. By working out material to form recesses, trenches/trench or cavities, there are no parallel boundaries, but always funnel-like recesses. The width of the recess is always smaller at the base (bottom) than at the top.
  • FIG. 15b it is illustrated by FIG. 15b that a stacking of resistive elements is possible in order to increase the resulting aspect ratio of the transducer element without the limitations affecting the Bosch method being used.
  • the fins are symmetrical relative to the plane that is spanned by the first and second direction.
  • the areas 96F 1 and 96F 2 shown are therefore of the same size and the electrical forces to be applied, which deflect the resistance elements in the direction of movement, are of the same size. A uniform deflection by the same amount is thus guaranteed.
  • both layers are etched from only one side, the surfaces 96F 1 and 96F 2 are not formed uniformly or even differ from one another in terms of their surface area. The result would be an uneven deflection of the resistance elements.
  • FIG. 15c shows a schematic side sectional view of a part of a MEMS device 150'' according to an embodiment.
  • the movable elements 16 1 and 16 2 can be obtained, for example, by stacking structures similar to the intermediate product 150′, in that several of these intermediate products are stacked on top of one another, for example by means of wafer bonding. It should be noted that only two of the three movable elements obtainable in FIG. 15b are shown in FIG. 15c.
  • an increase in the efficiency that can be obtained, for example, by means of a loudspeaker configuration of the MEMS component can be obtained, for example since the sound pressure level (Sound Pressure Level - SPL) is correspondingly increased.
  • Sound Pressure Level - SPL Sound Pressure Level
  • stacking along the layer sequence direction M enables high rigidity along this direction, which leads to a lower susceptibility to so-called pull-in Effects can lead and thus a lower holding force or a lower vertical deflection can lead parallel to the layer sequence direction 14, which is advantageous.
  • a structure is thus shown in which the movable element has a plurality of layers connected by means of a bonding process.
  • the SPL In order to increase the SPL, it is possible, as shown in FIG. 15c, to connect several layers to one another. Theoretically, the aspect ratio of the trenches or resistance elements can be greatly increased. In this case, the “continuity” of the device level is advantageous in comparison to the required support layers (e.g. handle wafers in BSOI wafers) reported in the prior art.
  • the required support layers e.g. handle wafers in BSOI wafers
  • a configuration is illustrated with reference to FIGS. 16a, 16b and 16c, in which the electrodes on the movable element are provided with n-doping in the electrodes 22a 1 and 22f 1 or with p-doping in the electrodes 22a 2 and 22f 2 can be obtained.
  • a reference position can be obtained when the layer 12 2 and/or 12 3 is connected, possibly with a local reduction of the distance, to a reference potential, for example 0V, GND.
  • a force can be exerted on the movable element 16, which pushes the electrodes 22a 2 and 22f 2 into the closely spaced region, due to the accumulation of movable positive holes in the regions 22f 2 and 22a 2 leads to an external negative voltage (AC-).
  • AC- external negative voltage
  • Fig. 16c a complementary configuration is shown, in which due to a positive voltage on the layers 12 2 and 12 3 the high number of movable negative electrodes, which are accumulated in the areas 22 1 and 22a 1 , in the direction of the surface topography 52 to move.
  • An accumulation of a mobile negative electron can also correspond to a depletion of an immobile positive ion and vice versa.
  • a space charge zone can arise due to a depletion in addition to an accumulation.
  • Electrically insulating layers 102 1 and 102 2 can be arranged in order to neutralize the surface states and to obtain a state of the movable element 16 which is as neutral as possible.
  • FIG. 16a-c each show an alternative drive with linear deflection behavior and based on a cover drive.
  • This configuration can advantageously improve the usual linear structure, which provides three electrodes.
  • connected to the deflectable element is a layer that includes N- and P-doped regions that are adjacently arranged and individually connected to the deflectable element.
  • the layers are cover and base wafers, which provide a protuberance 52 in the area of the deflectable elements. These protuberances are materially connected to the cover and base wafer and are at a minimal distance from the deflectable element, so that an acoustic short circuit between the partial cavities that adjoin the deflectable element is prevented.
  • Figure 16a shows the device in an undeflected state with no voltage applied.
  • 16b shows the alternative drive in a first deflection state.
  • the deflection of the deflectable element is based on the field effect.
  • the figure shows the deflection in a first direction.
  • the deflection is based on a negative voltage AC- being applied to the top and bottom wafers. Due to the field effect, the charge carriers accumulate in the P region (movable holes/+ directly at the interface to the oxide, 10-20 nm deep). This is accompanied by a depleted zone (immobile ions/-, 1-2 ⁇ m deep) in the N range.
  • the largest change in capacitance which is equivalent to the deflection force, occurs when the fin overlaps the lid in the P region.
  • 16c shows the alternative drive in a second deflection state.
  • the deflection of the deflectable element is based on the field effect.
  • the figure shows the deflection in a second direction.
  • the deflection is based on a positive voltage AC+ being applied to the top and bottom wafers. Due to the field effect, the charge carriers accumulate in the N region of the layers (mobile holes/+ directly at the interface to the oxide, 10-20 nm deep). This is accompanied by a depleted zone (immobile ions/-, 1-2 ⁇ m deep) in the P region of the layers.
  • the largest change in capacitance which is equivalent to the deflection force, occurs when the fin overlaps the lid in the P region.
  • FIGS. 17a, 17b and 17c A complementary state is indicated with reference to FIGS. 17a, 17b and 17c, in which the n-doped regions 22 C1 and 22 b 1 arranged on the layers 12 2 and 12 3 or integrated there, in addition to p-doped regions 22 c 2 and 22b 2 are arranged. These can be covered by electrically insulating layers 102 1 and/or 102 2 . In this case, the movable element 16 can be formed to be electrically conductive, for example also via a corresponding doping.
  • a movement of the movable element 16 towards the n-doped regions 22 C1 and 22b 1 or towards the p-doped regions 22b 2 and 22 C2 can be triggered.
  • FIGS. 17a-c show an alternative drive to FIGS. 16a-c, based on the field effect, in which the doped layers are integrated in the cover wafer and the base wafer.
  • FIG. 18a shows a schematic plan view of a MEMS device 180 according to an embodiment.
  • the movable element is mechanically connected to the MEMS layer 12 3 , which is not shown in FIG. 18a, via an elastic region.
  • the elastic area can include a layer arranged for this purpose, a remaining layer or a material provided especially for this purpose.
  • the movable member is configured to rotate or deform the elastic portion based on the driving force.
  • the elastic area can be provided in an area 104, for example,
  • Fig. 18b shows a schematic side sectional view in the AA' plane of Fig. 18a. Due to the mechanical and elastic connection in the region 104, the movable element 16 2 as well as the other movable elements connected to the layer 12 3 can perform the movement adjacent to the layer 12 2 similar to a rocking movement or rocking movement, so that adjacent to the layer 12 2 there can be a high movement amplitude and in the region of the layer 12 3 a small movement amplitude, but with high material stretching.
  • a driving device can be implemented in a variety of ways, such as by providing electrodes on layer 12 2 and/or the movable element 16 2 and/or by For example, doped areas are arranged. Electrodes on a side facing the layer 12 2 , an end face, of the movable element 16 2 can be referred to as an end drive. Such a drive from the front side thus forms an embodiment of the present invention.
  • the fin, the movable element 16 2 can be driven starting from the end face of the fin by designing the device wafer accordingly.
  • the first drive structure can be arranged at least on the end face of an end face of the movable element.
  • electrodes can be arranged on or in the layer 12 1 . Positioning can be done, for example, face-to-face between the movable element 16 2 and the side of the layer 12 1 associated with the faces of the movable elements. A height of the electrodes can correspond to the height of the movable element or be less.
  • FIGS. 18a and 18b show an alternative structure of a sound transducer in a plan view and a side view. This differs significantly by the connection of the deflectable element to the cover wafer in a region 104.
  • This connection is particularly preferably implemented as a material bond.
  • the alternative direction of movement, perpendicular to the lateral extension of the resistance element, is shown at 18 .
  • the greatest deflection occurs in the area of the bottom wafer.
  • the smallest deflection occurs in area 104, the connection area of the resistance element to the cover wafer.
  • the connection area 104 can have a rigidity that deviates from the rigidity of the cover wafer and the resistance element and is preferably lower.
  • the connection area 104 is a spring element.
  • the resulting sub-cavities, which are separated from one another by the resistance elements, are connected to the surrounding fluid through openings in the base wafer and cover wafer (not shown).
  • a method based on exemplary embodiments described herein is described using a schematic flowchart in FIG.
  • a step 1910 of the method 1900 can include driving two drive structures arranged along a layer sequence direction along which a multiplicity of MEMS layers of the MEMS component are arranged.
  • a step 1920 includes generating a driving force on a movable element of the MEMS device perpendicular to the layer sequence direction by driving to deflect the MEMS device.
  • the method can be carried out in such a way that two adjacent electrode elements are controlled in the sense of a so-called “balanced” or linear control of the drive device, which are electrically insulated from one another by an electrode gap, a symmetrical and/or linear deflection of the movable element is controlled by the electrode elements being controlled symmetrically over time with respect to the applied potentials around a reference potential, such as GND.
  • the method can also be carried out asymmetrically or unbalanced or non-linearly, in that the deflection of the movable element is controlled asymmetrically in the time average along an actuation direction with respect to an opposite direction. This can be obtained by different potential levels and/or different time intervals.
  • the exemplary embodiments described herein relate to microelectromechanical systems, MEMS, which are designed to have a large effective area for interaction with a fluid.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • the displacement elements, the movable elements 16 can be in contact with a surrounding fluid and interact with it directly or indirectly.
  • a high sound pressure level can be generated in relation to the surface area of the MEMS.
  • use as micropumps, ultrasonic transducers or other MEMS-based applications is also possible within the scope of the exemplary embodiments described herein, since these are connected to one another by the task of moving fluid.
  • Exemplary embodiments solve the problem of structuring limitations in existing etching processes, i. That is, a limitation of the geometric resolution, such as the thinnest trenches to be etched, in volume-processing processes such as electroerosion, lithography, galvanic molding, nano-stamping, milling or other SI structuring, for the representation of field-driven drive effects, such as electrostatic - table or electromagnetic in the plane.
  • the "Bosch" Si structuring method limits the aspect ratio (depth to width) of etched Si structures to typically 30.
  • the structuring of electrostatically deflectable elements (driving force) as well as the structuring of passive elements (resistance structures, displacement elements, fluidic resistance structures), which describe the fill factor of the chip area is limited by the Bosch method.
  • Driving force and fill factor are the Key parameters to achieve higher Sound Pressure Level (SPL) per chip area (SPL/mm 2 ) in microspeakers. Therefore, new, simpler drive variants must be found that are not limited by the aspect ratio of the Bosch method and allow, for example, 100 dB/mm 2 or higher.
  • the solution of the invention is represented by the device and the method for deflecting one or more resistance elements in Chapter 6 of this description of the invention.
  • the solution includes a device that contains a MEMS sound transducer as a layered system.
  • the core of the invention is:
  • the drive power of the new drive is no longer limited by the aspect ratio of the Bosch method.
  • the basic idea is to create the electrode gap by bonding at least two discs.
  • the active electrode gap can be set particularly small, regardless of the limitations of the Bosch process, and a large force can thus be generated.
  • This gap is created between the one pane to be bonded and the other.
  • the actively movable element e.g. a beam structure
  • the actively movable element e.g. a beam structure in the first wafer to be bonded (device wafer) is then spaced apart across the gap from the other wafer to be bonded (top or bottom wafer).
  • the drive is thus generated via the gap along the circumference or parts of the circumference of the actively movable element.
  • the force is defined by the vertical distance from the top of the cover or base wafer to the top of the device wafer.
  • the distance between the lid and device wafer can be defined independently of the Bosch method and thus larger aspect ratios or larger drive forces can be achieved with the lid drive.
  • the drive takes place here along the longitudinal edges on the upper side and/or lower side of the actively movable element (as the upper lower part of the circumference) as the closest electrode side to the cover and/or base
  • the force between the actively moving element (e.g. elongated flap element) and the cover or base is determined by the lateral distance between the two bonded panes.
  • the two discs will at least partially mesh. Consequently, the drive takes place along front rarely (lateral part of the circumference of actively moving structures).
  • additional conductive layers can be dispensed with here.
  • the fill factor of a micro-loudspeaker is characterized by the maximum between the fill factor of the actuator and the fill factor of the resistance structures in the displacement level (device level). If the fill factors of the two components of the micro-speaker are limited, e.g. by the Bosch method, then it becomes difficult to arbitrarily increase the fill factor of the micro-speaker. It is therefore important to make the fill factor of the actuator and the resistance structures independent of the Bosch method. In the lid drive, the fill factor of the actuator as well as the resistance structure level is independent of the Bosch method.
  • the cover drive can be characterized, for example, in that an electrically conductive layer is arranged between a cover wafer and the layer containing fluidic resistance elements. Likewise, another electrically conductive layer is arranged between the same layer containing resistance elements and a bottom wafer.
  • a resistance element does not mean an electrical resistance, but a resistance element that interacts with a surrounding fluid, such as the movable element 16.
  • this resistance element can also be referred to as a displacement element, fin or active or passive actuator.
  • the first and the second electrical layer can be structured in such a way that one or more electrical voltages that are separate from one another can be applied within the two electrical layers. If only one voltage (per top/bottom wafer) is required (depending on the application), the top/bottom wafers themselves can be used as the first and second electrical layers.
  • the first and second electrically conductive layers are mechanically strong and connected to the layers of the top or bottom wafers via an insulating connecting layer.
  • the main sides of these electrically conductive layers face away from the respectively adjacent layers of the top and bottom wafer and face one another.
  • a further layer is arranged between the two main sides of the electrically conductive layers, from which a cavity is formed by SI structuring methods. In relation to the plane of the layer, which is arranged parallel to the layer of cover and handling wafers, this cavity surrounds at least one resistance element.
  • a resistance element is formed from a doped semiconductor material by SI structuring methods and subdivides the cavity into partial cavities.
  • Linear operation as well as non-linear operation can be implemented with the cover drive.
  • the exemplary embodiments with linear deflection behavior and non-linear deflection behavior differ from one another.
  • Preferred exemplary embodiments are drives with linear deflection behavior.
  • the "unbalanced actor" non-linear operation / non-linear deflection method means the following:
  • a "non-balanced actor" is usually easier to implement technologically because only one voltage has to be applied to the conductive layers (not two or more). I.e. the conductive layers do not have to In one exemplary embodiment, the conductive layers could even be dispensed with completely, so that the necessary voltage can be applied directly to the cover or base wafer.In this case, the cover and base wafers can be structured , see Fig. 8a-c.
  • the dense packing that is made possible in the core idea of the invention can be combined with a microresonator structure, so that the sound radiation in the low-frequency range is improved.
  • the electrodes and all corresponding partial elements are formed in one or more layers.
  • the partial electrodes are electrically insulated by a distance 28, which can include, for example, oxide or nitride, for example SiO 2 , Si 3 N 4 or Al 2 O 3 .
  • a method for controlling and deflecting the resistance elements and thus also the interaction with the surrounding fluid can be the same between the different movable elements, suspended on one wafer or exposed by both wafers.
  • the force of the actuator can be controlled through the gap between the movable element and the base wafer or cover wafer during the bonding between the wafers and is not determined by an etching method, for example. This eliminates the limitation, for example of the Bosch method to an aspect ratio of around 30. That is, the actuator can be made with an aspect ratio greater than 30.
  • Standardized Si wafers which are significantly cheaper, can be used for the cover wafer or the base wafer as well as for the device wafer, the layer 12 1 .
  • a BSOI wafer can also be used, which, however, conventionally cannot be processed from two sides in order to increase the aspect ratio.
  • both BSOI wafers and wafers can be processed on both sides, so that the trenches between the resistor structures, which are produced using the Bosch method, can have a double aspect ratio, for example 2 ⁇ 30, i. i.e., about 60. If several device wafers are bonded together, the aspect ratio can be further increased, for example as described in connection with FIGS. 15b and 15c. For example, an aspect ratio of 120 (two device wafers), 180 (three device wafers), 240 (four device wafers), etc. can be obtained.
  • the fill factor of the actuator (see first advantage) and the device level (see previous advantage) can be independent of methods such as the Borsch method, the fill factor of the overall system, i.e. the number of actuators or resistive structures/unit area can be greatly improved.
  • the mechanical and moving elements can be packed more densely in the device level and thus the fill factor of the overall system (number of actuators or resistor structures / unit area) can advantageously be greatly improved (more sound per area).
  • the system which is symmetrical with regard to half the device height, can be stacked and thus the apparent aspect ratio can theoretically be increased without limit. The basis for this is the unnecessary presence of any supporting layers or similar relative to the device level.
  • the final component of an exemplary embodiment consists only of Si and SiO2. No AL2O3 layers or other layers are necessary, which e.g. can induce tension (stress) in the system.
  • the resistance structure is driven from both sides (from above and below).
  • the actuator is present symmetrically from both sides (top and bottom) and along the entire length of the resistance structure.
  • the resistive structures do not wobble compared to the case where the resistive structures are only driven from one side.
  • aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or component of a device also counts as a corresponding method step or as a feature of a method step understand is. Similarly, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • embodiments of the invention can be implemented in hardware or in software. Implementation can be performed using a digital storage medium such as a floppy disk, DVD, Blu-ray Disc, CD, ROM, PROM, EPROM, EEPROM or FLASH memory, hard disk or other magnetic or optical memory, on which electronically readable control signals are stored, which can interact with a programmable computer system in such a way that the respective method is implemented. Therefore, the digital storage medium can be computer-readable.
  • Some exemplary embodiments according to the invention thus include a data carrier which has electronically readable control signals which are capable of interacting with a programmable computer system in such a way that one of the methods described herein is carried out.
  • exemplary embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, with the program code being effective to carry out one of the methods when the computer program product runs on a computer.
  • the program code can also be stored on a machine-readable carrier, for example.
  • exemplary embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, the computer program being stored on a machine-readable carrier.
  • an exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a computer program which has a program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded.
  • a further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data stream or a sequence of signals which represents the computer program for carrying out one of the methods described herein.
  • the data stream or the sequence of signals can be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
  • Another embodiment includes a processing device, such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • a processing device such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
  • Another embodiment includes a computer on which the computer program for performing one of the methods described herein is installed.
  • a programmable logic device eg, a field programmable gate array, an FPGA
  • a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein.
  • the methods are performed on the part of any hardware device. This can be hardware that can be used universally, such as a computer processor (CPU), or hardware that is specific to the method, such as an ASIC.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

The invention relates to a MEMS component comprising a layer stack having a plurality of MEMS layers arranged in a layer sequence direction. The MEMS component comprises a movable element which is formed in a first MEMS layer and is arranged between a second MEMS layer and a third MEMS layer of the layer stack. A drive device is furthermore provided and has a first drive structure, which is mechanically fixedly connected to the movable element, and a second drive structure, which is mechanically fixedly connected to the second MEMS layer. The drive device is designed to generate a drive force acting on the movable element perpendicular to the layer sequence direction, and the drive force is designed to deflect the movable element.

Description

MEMS mit Deckelantrieb und Verfahren zum Betreiben derselben Top drive MEMS and method of operating the same
Beschreibung description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein MEMS-Bauelement und auf ein Verfahren zum Betreiben desselben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich dabei insbesondere auf ein MEMS mit einem Deckelantrieb zum Antrieb eines beweglichen Elements in-plane, das heißt, in der Ebene. The present invention relates to a MEMS device and a method of operating the same. The present invention relates in particular to a MEMS with a cover drive for driving a movable element in-plane, ie in the plane.
Bekannt sind MEMS-Wandler, die aus einem Substrat heraus gebildet sind und durch das eingeschränkte Aspektverhältnis, beispielsweise der Boschmethode, limitierte geometri- sche Abmessungen oder Aspektverhältnisse aufweisen. Soll das Volumen eines MEMS- Bauelements vergrößert werden, ist das beispielsweise über eine tiefere Ätzung möglich. Gleichzeitig ist dann aber kein geringer Elektrodenabstand zwischen benachbarten Elekt- roden realisierbar, da dieser aufgrund der Ätzmethode mit vergrößert wird. Somit ist es zumindest schwierig, einen Wandler herauszubilden, der einerseits mit einem großen Vo- lumen des umgebenden Fluids interagieren kann und dabei die dazu notwendige Kraft auf- bringen kann bzw. entsprechend geringe Elektrodenabstände aufweist. MEMS converters are known which are formed from a substrate and have limited geometric dimensions or aspect ratios due to the restricted aspect ratio, for example the Bosch method. If the volume of a MEMS component is to be increased, this is possible, for example, by etching it deeper. At the same time, however, it is not possible to realize a small electrode spacing between adjacent electrodes, since this is also increased due to the etching method. Thus, it is at least difficult to develop a transducer which, on the one hand, can interact with a large volume of the surrounding fluid and, in doing so, can apply the necessary force or has correspondingly small electrode spacings.
Es besteht deshalb ein Bedarf an MEMS-Wandlern, die ein großes Aspektverhältnis auf- weisen, um große Fluidvolumina bewegen zu können und gleichzeitig geringe Elektroden- abstände realisieren zu können. There is therefore a need for MEMS converters that have a large aspect ratio in order to be able to move large volumes of fluid and at the same time be able to realize small electrode spacings.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS-Bauelemente mit hohen Aspektverhältnissen zu schaffen. It is therefore an object of the present invention to provide MEMS devices with high aspect ratios.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass eine in-plane Aktuierung eines beweglichen Elements auch auf einer Elektrodenanordnung ba- sieren kann, die senkrecht zur Bewegungsrichtung angeordnet ist, was es ermöglicht, große bewegliche Elemente beispielsweise mittels Ätzung herauszulösen und gleichzeitig geringe Spaltabstände senkrecht zur Bewegungsrichtung zu ermöglichen, da diese Spalt- abstände von dem verwendeten Ätzprozess unabhängig sein können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement einen Schichtstapel mit einer Mehrzahl von MEMS-Schichten, die entlang einer Schichtfolgenrichtung angeord- net sind. Ferner ist ein in einer ersten MEMS-Schicht gebildetes bewegliches Element vor- gesehen, das zwischen einer zweiten MEMS-Schicht und einer dritten MEMS-Schicht des Schichtstapels angeordnet ist. Das MEMS-Bauelement umfasst eine Antriebseinrichtung mit einer mit dem beweglichen Element mechanisch fest verbundenen ersten Antriebsstruk- tur und einer mit der zweiten MEMS-Schicht mechanisch fest verbundenen zweiten An- triebsstruktur, was es ermöglicht, Kräfte zwischen den beiden Antriebsstrukturen aufzubrin- gen. Die Antriebseinrichtung ist ausgebildet, um eine Antriebskraft senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung an dem beweglichen Element zu erzeugen, wobei die Antriebskraft ausgelegt ist, um das bewegliche Element auszulenken, insbesondere mit einer Kompo- nente senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung, was eine rotatorische Bewegung, eine Tor- sionsbewegung und/oder eine translatorische Bewegung umfassen kann. A key idea of the present invention consists in having recognized that an in-plane actuation of a movable element can also be based on an electrode arrangement which is arranged perpendicularly to the direction of movement, which makes it possible to release large movable elements, for example by means of etching, and at the same time to allow small gap distances perpendicular to the direction of movement, since these gap distances can be independent of the etching process used. According to one embodiment, a MEMS component includes a layer stack with a plurality of MEMS layers, which are arranged along a layer sequence direction. Furthermore, a movable element formed in a first MEMS layer is provided, which is arranged between a second MEMS layer and a third MEMS layer of the layer stack. The MEMS component includes a drive device with a first drive structure mechanically fixed to the movable element and a second drive structure mechanically fixed to the second MEMS layer, which makes it possible to apply forces between the two drive structures Drive device is designed to generate a drive force perpendicular to the layer sequence direction on the movable element, wherein the drive force is designed to deflect the movable element, in particular with a component perpendicular to the layer sequence direction, resulting in a rotational movement, a torsional movement and/or may include a translational movement.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die erste Antriebsstruktur und die zweite Antriebs- struktur durch eine Spalt beabstandet und einander gegenüberliegend angeordnet. Eine Abmessung des Spalts entlang der Schichtfolgenrichtung ist durch z.B. einen Bondingpro- zess eingestellt. Bondingprozesse ermöglichen geringe Spaltabstände, so dass beispiels- weise unter Verwendung elektrostatischer oder elektrodynamischer Antriebskräfte hohe Kräfte erzeugt werden können. According to one embodiment, the first drive structure and the second drive structure are spaced apart by a gap and arranged opposite one another. A dimension of the gap along the layer sequence direction is set by, for example, a bonding process. Bonding processes enable small gap distances, so that high forces can be generated using electrostatic or electrodynamic driving forces, for example.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Element so gestaltet, dass es eine Mehrzahl mittels eines Bondingprozesses verbundene Schichten aufweist. Dadurch ist es möglich, große bewegliche Elemente und damit auch hohe Aspektverhältnisse zu erhalten, so dass ein hohes Maß an Fluid mit dem beweglichen Element bewegt werden kann. According to one embodiment, the moveable element is configured to have a plurality of layers connected by a bonding process. This makes it possible to obtain large movable elements and thus also high aspect ratios, so that a large amount of fluid can be moved with the movable element.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die zweite Antriebsstruktur eine strukturierte Elekt- rodenstruktur mit zumindest einem ersten Elektrodenelement und einem hiervon elektrisch isolierten zweiten Elektrodenelement. Das MEMS-Bauelement ist ausgebildet, um an das erste Elektrodenelement ein erstes elektrisches Potenzial und an das zweite Elektroden- element ein hiervon verschiedenes zweites elektrisches Potenzial anzulegen. Das MEMS- Bauelement ist ferner ausgelegt, um an die erste Antriebsstruktur ein drittes elektrisches Potenzial anzulegen, um in Zusammenwirkung des dritten elektrischen Potenzials mit dem ersten elektrischen Potenzial oder dem zweiten elektrischen Potenzial die Antriebskraft zu erzeugen. Dies ermöglicht beispielsweise eine bidirektionale und möglicherweise lineare Auslenkung des beweglichen Elements im Sinne einer Hin-und-her-Bewegung, was vorteil- haft ist. According to one exemplary embodiment, the second drive structure is a structured electrode structure with at least one first electrode element and a second electrode element that is electrically insulated therefrom. The MEMS component is designed to apply a first electrical potential to the first electrode element and a second electrical potential that differs therefrom to the second electrode element. The MEMS device is further configured to apply a third electrical potential to the first drive structure to generate the drive force in interaction of the third electrical potential with the first electrical potential or the second electrical potential. This allows, for example, bidirectional and possibly linear Deflection of the movable element in terms of a back and forth movement, which is advantageous.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind das erste Elektrodenelement und das zweite Elekt- rodenelement durch einen Elektrodenspalt elektrisch voneinander isoliert. In einer Ruhepo- sition des beweglichen Elements ist dieses symmetrisch und/oder asymmetrisch gegen- überliegend des Elektrodenspalts angeordnet. Während eine zumindest bereichsweise symmetrische Anordnung eine Auslenkung bereits bei geringen elektrischen Spannungen und/oder eine symmetrische Auslenkung ermöglicht, kann mittels einer zumindest be- reichsweisen Asymmetrie eine Vorzugsrichtung und/oder eine mechanische Vorauslen- kung implementiert werden. According to one exemplary embodiment, the first electrode element and the second electrode element are electrically insulated from one another by an electrode gap. When the movable element is in a rest position, it is arranged symmetrically and/or asymmetrically opposite the electrode gap. While an at least regionally symmetrical arrangement enables a deflection even with low electrical voltages and/or a symmetrical deflection, a preferred direction and/or a mechanical pre-deflection can be implemented by means of at least regional asymmetry.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen Elektroden der zweiten Antriebsstruktur entlang eines axialen Verlaufs senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung eine Konstante oder verän- derliche laterale Abmessung senkrecht zu der axialen Richtung auf. Anders ausgedrückt können die Elektroden beispielsweise Streifen mit variabler Streifenbreite bereitstellen. Eine variable Ausdehnung ermöglicht es, mechanische Spannungen, die durch eine Elekt- rodenverformung ausgelöst werden können, zu berücksichtigen und/oder zu kompensie- ren. According to one exemplary embodiment, electrodes of the second drive structure have a constant or variable lateral dimension perpendicular to the axial direction along an axial course perpendicular to the layer sequence direction. In other words, the electrodes can provide strips with a variable stripe width, for example. Variable expansion makes it possible to take into account and/or compensate for mechanical stresses that can be triggered by electrode deformation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Antriebseinrichtung eine dritte Antriebsstruk- tur auf, die mit der driten MEMS-Schicht mechanisch fest verbunden ist. Zwischen der ers- ten Antriebsstruktur und der zweiten Antriebsstruktur ist ein erster Spalt angeordnet und zwischen der ersten Antriebsstruktur und der dritten Antriebsstruktur ist ein zweiter Spalt angeordnet. Die Antriebseinrichtung ist ausgebildet, um die Antriebskraft basierend auf ei- ner ersten Interaktion zwischen der ersten Antriebsstruktur und der zweiten Antriebsstruktur und basierend auf einer zweiten Interaktion zwischen der ersten Antriebsstruktur und der dritten Antriebsstruktur bereitzustellen. Dies ermöglicht eine weitere Erhöhung der das be- wegliche Element auslenkenden Kraft und/oder eine präzise Bewegung des beweglichen Elements. According to one exemplary embodiment, the drive device has a third drive structure that is mechanically firmly connected to the third MEMS layer. A first gap is arranged between the first drive structure and the second drive structure and a second gap is arranged between the first drive structure and the third drive structure. The drive device is designed to provide the drive force based on a first interaction between the first drive structure and the second drive structure and based on a second interaction between the first drive structure and the third drive structure. This enables a further increase in the force deflecting the movable element and/or precise movement of the movable element.
Gemäß eine Ausführungsbeispiel ist die Antriebseinrichtung ausgebildet, um basierend auf der ersten Interaktion eine erste Antriebskraftkomponente und basierend auf der zweiten Interaktion eine zweite Antriebskraftkomponente zu erzeugen. Das MEMS-Bauelement ist ausgebildet, um die erste Antriebskraftkomponente oder Interaktion und die zweite An- triebskraftkomponente oder Interaktion gleichphasig oder mit einem Phasenversatz zu er- zeugen. Während eine gleichphasige Ansteuerung beispielsweise für eine translatorische Verschiebung des beweglichen Elements genutzt werden kann, kann ein gegebenenfalls variabler, aber auch ein konstanter Phasenversatz für eine Rotation oder Verkippung oder Torsion des beweglichen Elements genutzt werden. According to one exemplary embodiment, the drive device is designed to generate a first drive force component based on the first interaction and a second drive force component based on the second interaction. The MEMS device is configured to receive the first driving force component or interaction and the second to generate the driving force component or interaction in phase or with a phase shift. While an in-phase control can be used, for example, for a translatory displacement of the movable element, a possibly variable but also a constant phase offset can be used for a rotation or tilting or torsion of the movable element.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Element mit der dritten MEMS- Schicht mechanisch über einen elastischen Bereich verbunden. Das bewegliche Element ist ausgebildet, um basierend auf der Antriebskraft eine Rotationsbewegung unter Verfor- mung des elastischen Bereichs auszuführen. Dies ermöglicht gezielte Auslegungen der Einzelkomponenten. According to one embodiment, the moveable element is mechanically connected to the third MEMS layer via an elastic region. The movable member is configured to rotate based on the driving force while deforming the elastic portion. This enables targeted configurations of the individual components.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine Elektrodenstruktur an einer derzweiten MEMS- Schicht zugewandten und/oder an einer der dritten MEMS-Schicht zugewandten Seite oder MEMS-Schicht angeordnet und bildet zumindest einen Teil der ersten Antriebsstruktur. Dies ermöglicht eine hohe Variabilität der elektrischen Variabilität der elektrischen Ansteuerung. According to one embodiment, an electrode structure is arranged on a side or MEMS layer facing the second MEMS layer and/or on a side or MEMS layer facing the third MEMS layer and forms at least part of the first drive structure. This enables a high degree of variability in the electrical variability of the electrical control.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Element an einer der zweiten MEMS-Schicht zugewandten Seite und/oder die zweite MEMS-Schicht an einer dem be- weglichen Element zugewandten Seite so ausgestaltet, dass eine Oberflächenstrukturie- rung vorgesehen ist, um einen Abstand zwischen dem beweglichen Element und der zwei- ten MEMS-Schicht lokal zu verändern. Dies ermöglich eine präzise Justage elektrostati- scher Kräfte basierend auf einem während der Bewegung veränderlichen Elektrodenab- stand. According to one exemplary embodiment, the movable element is configured on a side facing the second MEMS layer and/or the second MEMS layer on a side facing the movable element in such a way that surface structuring is provided in order to reduce the distance between the movable Element and the second MEMS layer to change locally. This enables a precise adjustment of electrostatic forces based on a changing electrode distance during the movement.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind Elektroden der ersten Antriebsstruktur und/oder Elektroden der zweiten Antriebsstruktur interdigital angeordnet und verschaltet. Dies er- möglicht ein geringes Maß an elektrischen Störfeldern. According to one exemplary embodiment, electrodes of the first drive structure and/or electrodes of the second drive structure are arranged and connected interdigitally. This enables a low level of electrical interference fields.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst das MEMS-Bauelement eine Vielzahl beweg- licher Elemente, die nebeneinander in einer gemeinsamen MEMS-Ebene angeordnet sind und die fluidisch und/oder vermittels eines Kopplungselements miteinander gekoppelt sind. Dies ermöglicht ein hohes Maß an bewegtem Fluid. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist an jedem der beweglichen Elemente eine Antriebs- struktur mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten verbundenen Elektroden ange- ordnet, von denen eine Elektrode mit einem ersten elektrischen Potenzial und eine zweite Elektrode mit einem zweiten, verschiedenen elektrischen Potenzial verbunden ist. Einander zugewandte Elektroden benachbarter beweglicher Elemente sind mit einer Kombination des ersten elektrischen Potenzials und des zweiten elektrischen Potenzials verbunden. An- ders ausgedrückt können Elektroden benachbarter beweglicher Elemente verschieden elektrisch angesteuert werden. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Ansteuerung einzel- ner Elemente. In accordance with one exemplary embodiment, the MEMS component comprises a multiplicity of movable elements which are arranged next to one another in a common MEMS plane and which are coupled to one another fluidically and/or by means of a coupling element. This allows for a high level of moving fluid. According to one exemplary embodiment, a drive structure with at least two connected electrodes arranged next to one another is arranged on each of the movable elements, of which one electrode is connected to a first electrical potential and a second electrode is connected to a second, different electrical potential. Facing electrodes of adjacent movable elements are connected to a combination of the first electric potential and the second electric potential. In other words, electrodes of adjacent movable elements can be driven electrically differently. This enables individual elements to be controlled as required.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Element in einer MEMS-Kavität be- weglich angeordnet. Vermittels einer Bewegung des beweglichen Elements wird zumindest eine Teilkavität der Kavität wechselweise vergrößert und verkleinert, wobei sich die Teil- kavität lokal in die zweite MEMS-Schicht erstreckt. Durch das Erstrecken der Teilkavität in die zweite MEMS-Schicht kann der entsprechende MEMS-Raum effizient genutzt werden. According to one embodiment, the movable element is movably arranged in a MEMS cavity. By means of a movement of the movable element, at least one partial cavity of the cavity is alternately enlarged and reduced, with the partial cavity extending locally into the second MEMS layer. By extending the partial cavity into the second MEMS layer, the corresponding MEMS space can be used efficiently.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das bewegliche Element eine Elementlänge ent- lang einer axialen Streckungsrichtung senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung auf. Eine Elektrode der ersten Antriebsstruktur verweist entlang der Elementlänge eine Mehrzahl von Elektrodensegmenten auf. Benachbarte Elektrodensegmente sind elektrisch miteinander elektrisch leitfähig durch elektrische Leiter verbunden. Die elektrischen Leiter weisen ent- lang einer Richtung senkrecht zu der Elementlänge eine geringere mechanische Steifigkeit auf als die Elektrodensegmente. Diese Bereiche können dadurch Verformungsenergie auf- nehmen, so dass die Elektrodensegmente in geringem Maß verformt werden, was eine hohe Effizienz aufweist. According to one exemplary embodiment, the movable element has an element length along an axial stretching direction perpendicular to the layer sequence direction. An electrode of the first drive structure has a plurality of electrode segments along the element length. Adjacent electrode segments are electrically connected to one another in an electrically conductive manner by electrical conductors. The electrical conductors have a lower mechanical rigidity than the electrode segments along a direction perpendicular to the element length. As a result, these areas can absorb deformation energy, so that the electrode segments are deformed to a small extent, which has a high level of efficiency.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das bewegliche Element für die Bereitstellung einer Interaktion mit einem Fluid ausgelegt. Dies kann direkt über einen unmittelbaren Kontakt mit dem Fluid oder mittelbar, indirekt erfolgen, indem für die Fluidinteraktion vorgesehene mechanische Elemente durch das bewegliche Element bewegt werden. According to one embodiment, the moveable element is configured to provide interaction with a fluid. This can be done directly via direct contact with the fluid or indirectly, in that mechanical elements provided for fluid interaction are moved by the movable element.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Antriebseinrichtung eine vierte Antriebsstruk- tur auf, die an einer von dem beweglichen Element abgewandten Seite der zweiten MEMS- Schicht angeordnet ist. Ein weiteres bewegliches Element ist benachbart zu der vierten Antriebsstruktur angeordnet und bildet mit dem beweglichen Element eine gestapelte An- ordnung. Dies ermöglicht ein hohes Maß an Fluidinteraktion bei geringer Inanspruchnahme einer Chip-Fläche durch die gestapelte Anordnung. According to one exemplary embodiment, the drive device has a fourth drive structure, which is arranged on a side of the second MEMS layer that faces away from the movable element. Another movable element is adjacent to the fourth Arranged drive structure and forms a stacked arrangement with the movable element. This allows for a high degree of fluid interaction with little chip area occupation by the stacked arrangement.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Betrieb eines MEMS- Bauelements ein Ansteuern zweier einander entlang einer Schichtfolgenrichtung, entlang der eine Vielzahl von MEMS-Schichten des MEMS-Bauelements angeordnet sind, ange- ordnete Antriebsstrukturen und ein Erzeugen einer Antriebskraft an einem beweglichen Ele- ment des MEMS-Bauelements senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung durch das Ansteu- ern, um das MEMS-Bauelement auszulenken. According to one exemplary embodiment, a method for operating a MEMS component includes driving two drive structures arranged one behind the other along a layer sequence direction along which a multiplicity of MEMS layers of the MEMS component are arranged, and generating a drive force on a movable element of the MEMS device perpendicular to the layer sequence direction by driving to deflect the MEMS device.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Verfahren so ausgestaltet, dass vermittels be- nachbarter Elektrodenelemente der Antriebseinrichtung, die durch einen Elektrodenspalt elektrisch voneinander isoliert sind, eine symmetrische und/oder lineare Auslenkung des beweglichen Elements angesteuert wird, indem die Elektrodenelemente im zeitlichen Mittel symmetrisch um ein Referenzpotenzial bezüglich der angelegten Potenziale angesteuert werden. According to one exemplary embodiment, the method is designed in such a way that a symmetrical and/or linear deflection of the movable element is controlled by means of adjacent electrode elements of the drive device, which are electrically insulated from one another by an electrode gap, by the electrode elements being symmetrical about a reference potential on average over time be controlled with respect to the applied potentials.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Auslenkung des beweglichen Elements asym- metrisch im zeitlichen Mittel entlang einer Aktuierungsrichtung bezüglich einer entgegenge- setzten Richtung angesteuert, also asymmetrisch angesteuert. Dies kann beispielsweise genutzt werden, um mechanische Vorauslenkungen oder mechanische Asymmetrien aus- zugleichen. According to one exemplary embodiment, the deflection of the movable element is controlled asymmetrically on average over time along an actuation direction with respect to an opposite direction, ie, controlled asymmetrically. This can be used, for example, to compensate for mechanical pre-deflections or mechanical asymmetries.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand weiterer abhängiger Patentan- sprüche. Further advantageous configurations are the subject matter of further dependent patent claims.
Besonders bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen: Particularly preferred embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawings. show:
Fig. 1 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 shows a schematic side sectional view of a MEMS component according to an embodiment;
Fig. 2a eine schematische Seitenschnittansicht eines Ausschnitts eines MEMS- Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel; Fig. 2b-d schematische Seitenschnittansichten unterschiedlicher Auslenkungszu- stände des MEMS-Bauelements aus Fig. 2a gemäß Ausführungsbeispielen; 2a shows a schematic side sectional view of a section of a MEMS component according to an embodiment; 2b-d schematic side sectional views of different deflection states of the MEMS component from FIG. 2a according to exemplary embodiments;
Fig. 3a eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Topographie in einem Bodenwafer und/oder Deckelwafer aufweist; 3a shows a schematic side sectional view of a MEMS device according to an embodiment having a topography in a bottom wafer and/or a cap wafer;
Fig. 3b-d schematische Seitenschnittansichten beweglicher Elemente gemäß Ausfüh- rungsbeispielen; 3b-d schematic side sectional views of movable elements according to exemplary embodiments;
Fig. 4a eine schematische Seitenschnitansicht eines beweglichen Elements mit ei- ner Elektrodenstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel; 4a shows a schematic side sectional view of a movable element with an electrode structure according to an embodiment;
Fig. 4b eine schematische Seitenschnittansicht eines beweglichen Elements mit ei- ner strukturierten Elektrodenstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel; 4b shows a schematic side sectional view of a movable element with a structured electrode structure according to an embodiment;
Fig. 5a eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines MEMS-Bauelements zur Darstellung einer Interdigitalverschaltung von Elektroden gemäß einem Aus- führungsbeispiel; 5a shows a schematic plan view of a part of a MEMS component to illustrate an interdigital interconnection of electrodes according to an embodiment;
Fig. 5b eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines MEMS-Bauelements zur Darstellung einer Interdigitalverschaltung von strukturierten Elektroden ge- mäß einem Ausführungsbeispiel; 5b shows a schematic plan view of a part of a MEMS component to illustrate an interdigital interconnection of structured electrodes according to an embodiment;
Fig. 6 eine schematische Seitenschnitansicht eines Teils eines MEMS- Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel mit vier beweglichen Ele- mente gemäß einem Ausführungsbeispiel; 6 shows a schematic side sectional view of a part of a MEMS component according to an embodiment with four movable elements according to an embodiment;
Fig. 7a-c schematische Seitenschnittansichten eines MEMS-Bauelements gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel und unterschiedliche Implementierungen elektri- scher Kontaktierung desselben; 7a-c schematic side sectional views of a MEMS component according to an embodiment and different implementations of electrical contacting thereof;
Fig. 8a-c Seitenschnittansichten eines MEMS basierten Schallwandlers gemäß einem Ausführungsbeispiel und in drei Auslenkungszuständen; Fig. 9 eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines MEMS- Bauelements mit beidseitig eingespannten beweglichen Elementen; gemäß einem Ausführungsbeispiel; 8a-c side sectional views of a MEMS-based sound transducer according to an embodiment and in three deflection states; 9 shows a schematic perspective view of parts of a MEMS component with movable elements clamped on both sides; according to one embodiment;
Fig. 10 eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines MEMS- Bauelements mit einseitig eingespannten beweglichen Elementen; gemäß einem Ausführungsbeispiel; 10 is a schematic perspective view of parts of a MEMS device with cantilevered movable elements; according to one embodiment;
Fig. 11 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines MEMS- Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel das sowohl Öffnungen als auch Interdigital-Elektroden aufweisen kann; 11 shows a schematic perspective view of a part of a MEMS component according to an embodiment which can have both openings and interdigital electrodes;
Fig. 12a-c Draufsichten auf Bereiche alternativer Ausgestaltungen einer Elementarzelle für MEMS-Bauelemente gemäß Ausführungsbeispielen; 12a-c top views of areas of alternative configurations of a unit cell for MEMS components according to exemplary embodiments;
Fig. 13 eine schematische Seitenschnittansicht von Teilen eines MEMS- Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem ein bewegliches Element H-förmig gebildet ist; 13 is a schematic side sectional view of parts of a MEMS device according to an embodiment in which a movable element is formed in an H-shape;
Fig. 14 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem das bewegliche Element Block-förmig gebildet ist; 14 is a schematic side sectional view of a MEMS device according to an embodiment in which the movable element is formed in a block shape;
Fig. 15a-c schematische Seitenschnittansichten gestapelter MEMS gemäß Ausfüh- rungsbeispielen; 15a-c schematic side sectional views of stacked MEMS according to exemplary embodiments;
Fig. 16a-c jeweils eine Seitenschnittansicht eines alternativen Antrieb mit linearen Aus- lenkungsverhalten auf Basis eines Deckelantriebs gemäß Ausführungsbei- spielen; 16a-c each show a side sectional view of an alternative drive with linear deflection behavior based on a cover drive according to exemplary embodiments;
Fig. 17a-c gegenüber den Fig. 16a-c komplementäre Implementierung des alternativen Antriebs gemäß Ausführungsbeispielen; 17a-c Complementary implementation of the alternative drive according to exemplary embodiments compared to FIGS. 16a-c;
Fig. 18a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Aus- führungsbeispiel, das mit dem Substrat gegenüberliegend zu einer Antriebs- struktur über einen elastischen Bereich verbunden ist; Fig. 18b eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements der18a shows a schematic plan view of a MEMS component according to an embodiment, which is connected to the substrate opposite a drive structure via an elastic region; 18b is a schematic side sectional view of the MEMS device of FIG
Fig. 18a; und 18a; and
Fig. 19 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß hierin be- schriebener Ausführungsbeispiele. 19 shows a schematic flow diagram of a method according to exemplary embodiments described herein.
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktions- gleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedli- chen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedli- chen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Before the following exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail with reference to the drawings, it is pointed out that identical, functionally identical or equivalent elements, objects and/or structures are provided with the same reference symbols in the different figures, so that the The description of these elements presented in different exemplary embodiments is interchangeable or can be applied to one another.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer De- taildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausfüh- rungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit ge- genteilig beschrieben ist. Exemplary embodiments described below are described in connection with a large number of details. However, example embodiments can also be implemented without these detailed features. Furthermore, for the sake of comprehensibility, exemplary embodiments are described using block diagrams as a substitute for a detailed illustration. Furthermore, details and/or features of individual exemplary embodiments can be combined with one another without further ado, as long as it is not explicitly described to the contrary.
Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikroelektromechanische Bauelemente (MEMS-Bauelemente). Solche MEMS-Bauelemente können mehrschichtige Schichtstrukturen sein. Derartige MEMS können beispielsweise durch Prozessieren von Hableitermaterial auf Wafer-Level erhalten werden, was auch eine Kombination mehrerer Wafer und/oder die Abscheidung von Schichten auf Wafer-Ebenen beinhalten kann. Man- che der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gehen auf die MEMS-Ebenen ein. Als eine MEMS-Ebene wird eine nicht notwendigerweise zweidimensionale und/oder unge- krümmte Ebene verstanden, die sich im Wesentlichen parallel zu einem prozessierten Wafer erstreckt, etwa parallel zu einer Hauptseite des Wafers bzw. des späteren MEMS. Embodiments described herein relate to microelectromechanical (MEMS) devices. Such MEMS devices can be multi-layered layered structures. Such MEMS can be obtained, for example, by processing semiconductor material at wafer level, which can also include a combination of multiple wafers and/or the deposition of layers at wafer level. Some of the exemplary embodiments described herein address the MEMS levels. A MEMS plane is understood to mean a plane which is not necessarily two-dimensional and/or non-curved and which essentially extends parallel to a processed wafer, for example parallel to a main side of the wafer or of the subsequent MEMS.
Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Schichtstapel mit mehreren Schichten. In diesem Zusammenhang beschriebene Schichten sind möglicherweise aber nicht notwendigerweise eine einzige Schicht, sondern können in Ausführungsbeispielen ohne weiteres zwei, drei oder mehrere Schichten aufweisen und als Schichtverbund ver- standen werden. So können sowohl Schichten, aus deren Material ein bewegliches Element gebildet wird mehrschichtig gebildet sein als auch Schichten, zwischen denen ein bewegli- ches Element angeordnet ist, die bspw. als zumindest ein Teil eines Wafers ausgestaltet sein können und mehrere Materialschichten aufweisen können, etwa zur Implementierung von physikalischen, chemischen und/oder elektrischen Funktionen. Embodiments described herein relate to layer stacks having multiple layers. Layers described in this context may, but not necessarily, be a single layer, but in embodiments may easily have two, three or more layers and are understood as a layered composite. Thus, both layers, from the material of which a movable element is formed, can be formed in multiple layers, as well as layers between which a movable element is arranged, which can be configured as at least part of a wafer and can have multiple layers of material, for example for Implementation of physical, chemical and/or electrical functions.
Eine Ebenenrichtung kann als eine Richtung innerhalb dieser Ebene verstanden werden, was auch mit dem englischen Begriff „in-plane“ bezeichnet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine Richtung, entlang der sich die Schichten in dem Schichtstapel abwech- seln oder einander angeordnet sind, als Schichtfolgenrichtung bezeichnet werden. Die Ebe- nenrichtung, in-plane, kann sich insofern auf eine Richtung senkrecht hierzu beziehen. A plane direction can be understood as a direction within this plane, which can also be denoted by the English term "in-plane". Alternatively or additionally, a direction along which the layers in the layer stack alternate or are arranged one on top of the other can be referred to as the layer sequence direction. In this respect, the plane direction, in-plane, can refer to a direction perpendicular thereto.
Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit ei- ner Lautsprecher-Konfiguration oder einer Lautsprecher-Funktion eines entsprechenden MEMS-Bauelements beschrieben. Es versteht sich, dass diese Ausführungen mit Aus- nahme der alternativen oder zusätzlichen Funktion einer sensorischen Auswertung des MEMS-Bauelements bzw. der Bewegung oder Position beweglicher Elemente hiervon auf eine Mikrofon-Konfiguration bzw. Mikrofon-Funktion des MEMS-Bauelements übertragbar sind, so dass derartige Mikrofone ohne Einschränkungen weiterer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen. Des Weiteren sind auch andere Einsatzgebiete von MEMS im Rahmen hierin beschriebener Ausführungsbeispiele, etwa Mikropumpen, Ultra- schallwandler oder anderweitige MEMS-basierten Anwendungen die auf ein Bewegen von Fluid bezogen sind. Bspw. können Ausführungsbeispiele auf eine Bewegung von Aktoren bezogen sein, die unter anderem mit einem Fluid interagieren können. Some of the exemplary embodiments described herein are described in connection with a loudspeaker configuration or a loudspeaker function of a corresponding MEMS component. It goes without saying that these statements, with the exception of the alternative or additional function of a sensory evaluation of the MEMS component or the movement or position of movable elements thereof, can be transferred to a microphone configuration or microphone function of the MEMS component, see above that such microphones constitute, without limitation, further exemplary embodiments of the present invention. Furthermore, other areas of use of MEMS are also within the scope of the exemplary embodiments described herein, such as micropumps, ultrasonic transducers or other MEMS-based applications related to moving fluid. For example, example embodiments may relate to a movement of actuators that may interact with a fluid, among other things.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Anwendung elektrostatischer Kräfte für eine Auslenkung eines beweglichen Elements. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele kön- nen aber ohne Weiteres auch unter Verwendung anderer Antriebsprinzipien implementiert werden, etwa eine elektromagnetische Krafterzeugung oder Sensierung. Die auslenkbaren Elemente können bspw. elektrostatische, piezoelektrische und/oder thermomechanische Elektroden sein, die basierend auf einem angelegten Potential eine Verformung bereitstel- len. Example embodiments relate to application of electrostatic forces for deflection of a movable element. However, the exemplary embodiments described can easily also be implemented using other drive principles, such as electromagnetic force generation or sensing. The deflectable elements can be, for example, electrostatic, piezoelectric and/or thermomechanical electrodes, which provide a deformation based on an applied potential.
Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement umfasst einen Schichtstapel 12, der mehrere Schichten 121, 122 aufweisen kann, wobei optional auch zusätzliche Schichten 123 und möglicherweise weitere Schichten Teil des Schichtstapels 12 sein können. Manche der Schichtfolgen können mechanisch miteinander verbunden sein, es können aber auch be- reichsweise Abstände zwischen benachbarten Schichten vorgesehen sein. Auch können manche der Schichten des Schichtstapels 12 lokal entfernt sein, wie es beispielsweise für die MEMS-Schicht 121 dargestellt ist. Hier kann die Schicht 121 , die mit den Schichten 122 und 123 entlang einer Schichtfolgenrichtung 14 angeordnet ist, lokal entfernt sein, um ein bewegliches Element 16 freizustellen, so dass das bewegliche Element 16 zumindest ge- genüber der Schicht 122 beweglich ist. Hierbei ist zumindest eine Komponente der Bewe- gung senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung 14 entlang einer Ebenenrichtung 18, das heißt, in-plane. Wie es im Rahmen von Ausführungsbeispielen erläutert wird, kann dies eine translatorische Bewegung entlang der Ebenenrichtung 18 und/oder eine rotatorische Kom- ponente beinhalten, etwa für eine Torsionsbewegung. 1 shows a schematic side sectional view of a MEMS device 10 according to an embodiment. The MEMS device includes a layer stack 12, the may have a plurality of layers 12 1 , 12 2 , with additional layers 12 3 and possibly further layers also being able to be part of the layer stack 12 as an option. Some of the layer sequences can be mechanically connected to one another, but distances between adjacent layers can also be provided in certain areas. Some of the layers of the layer stack 12 can also be removed locally, as is shown for the MEMS layer 12 1 , for example. Here, the layer 12 1 , which is arranged with the layers 12 2 and 12 3 along a layer sequence direction 14 , can be removed locally in order to expose a movable element 16 so that the movable element 16 is movable at least with respect to the layer 12 2 . In this case, at least one component of the movement is perpendicular to the layer sequence direction 14 along a plane direction 18, ie in-plane. As explained in the context of exemplary embodiments, this can include a translatory movement along the direction of the plane 18 and/or a rotational component, for example a torsional movement.
Das bewegliche Element 16 ist zwischen den Schichten 122 und 123 angeordnet, wobei eine Antriebseinrichtung 22 vorgesehen ist, um eine Antriebskraft F entlang der Ebenen- richtung 18 an dem beweglichen Element 16 zu erzeugen, wobei die Antriebskraft F aus- gelegt ist, um das bewegliche Element 16 auszulenken. Die Kraft F kann in manchen Aus- gestaltungen und nahezu senkrecht zur Schichtfolgenrichtung erzeugt werden, wobei bspw. für Torsionsbewegungen auch andere Richtungen möglich sind. The movable element 16 is arranged between the layers 12 2 and 12 3 , with a driving device 22 being provided to generate a driving force F along the plane direction 18 on the movable element 16, the driving force F being designed to to deflect the movable element 16. In some configurations, the force F can be generated almost perpendicularly to the layer sequence direction, with other directions also being possible, for example for torsional movements.
Die Antriebseinrichtung umfasst eine Antriebsstruktur 22a, die mit dem beweglichen Ele- ment mechanisch fest verbunden ist. Ferner umfasst die Antriebseinrichtung 22 eine An- triebsstruktur 22b, die mit der MEMS-Schicht 122 mechanisch fest verbunden ist. Als me- chanisch fest verbunden wird im Zusammenhang mit hierin beschriebenen Ausführungs- beispielen verstanden, ein weiteres Element mechanisch fest an einem anderen Element anzuordnen, beispielsweise mittels einer Fixierung, etwa durch Kleben, Bonden, Beschich- ten, Löten oder dergleichen. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise eine leitfähige Schicht an einer anderen Schicht angeordnet werden, um zumindest einen Teil der An- triebsstruktur mechanisch fest an einer Schicht anzuordnen. Alternativ oder zusätzlich wird als mechanisch fest verbunden auch verstanden, dass beispielsweise eine elektrisch leit- fähig Struktur integraler Bestandteil einer anderen Struktur ist. So kann beispielsweise in einer bevorzugten Ausgestaltung durch Dotieren eines Halbleitermaterials selbiges elektrisch leitfähig ausgestaltet werden, um beispielsweise die Funktion einer Elektrode be- reitzustellen. Diese Elektrode wird ebenso als mechanisch fest mit dem jeweiligen Element verbunden verstanden, auch wenn es sich in anderer Betrachtungsweise um dasselbe Ele- ment handelt. The drive device includes a drive structure 22a, which is mechanically firmly connected to the movable element. Furthermore, the drive device 22 includes a drive structure 22b, which is mechanically firmly connected to the MEMS layer 12 2 . In connection with the exemplary embodiments described herein, mechanically firmly connected is understood to mean arranging a further element mechanically firmly on another element, for example by means of a fixation, for example by gluing, bonding, coating, soldering or the like. Alternatively or additionally, for example, a conductive layer can be arranged on another layer in order to arrange at least part of the drive structure mechanically firmly on one layer. Alternatively or additionally, mechanically firmly connected is also understood to mean that, for example, an electrically conductive structure is an integral part of another structure. In a preferred configuration, for example, a semiconductor material can be made electrically conductive by doping it, in order to provide the function of an electrode, for example. This electrode is also considered to be mechanically fixed to the respective element understood to be connected, even if it is the same element from a different point of view.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist beispielsweise das bewegliche Element 16 elektrisch leitfähig ausgestaltet, etwa indem es elektrisch leitfähige Materialien umfasst, etwa ein Metallmaterial und/oder ein dotiertes Halbleitermaterial. Alternativ oder zusätzlich kann die Antriebsstruktur 22a beispielsweise in Form einer Elektrodenstruktur auf einem Grundkörper des beweglichen Elements 16 aufgebracht sein. In analoger Weise kann bei- spielsweise die Antriebsstruktur 22b elektrisch leitfähige Materialien umfassen, etwa im Hin- blick auf eine zumindest bereichsweise Dotierung von Halbleitermaterial der Schicht 122 und/oder durch Anordnen einer Elektrodenstruktur. According to one embodiment, for example, the movable element 16 is designed to be electrically conductive, for example by comprising electrically conductive materials, for example a metal material and/or a doped semiconductor material. Alternatively or additionally, the drive structure 22a can be applied to a base body of the movable element 16 in the form of an electrode structure, for example. In an analogous manner, for example, the drive structure 22b can comprise electrically conductive materials, for example with regard to an at least regional doping of semiconductor material of the layer 12 2 and/or by arranging an electrode structure.
Die Auslegung des MEMS-Bauelements 10 dergestalt, dass eine Bewegung des bewegli- chen Elements 16 in-plane erfolgt und die Antriebsstruktur entlang der Schichtfolgenrich- tung 14 angeordnet ist, ermöglicht es, eine vergleichsweise große Abmessung 24 des be- weglichen Elements 16 entlang der Schichtfolgenrichtung 14 zu erhalten, die beispielsweise zumindest 75 μm, zumindest 100 μm, zumindest 500 μm oder höher ist. Entlang der Ebe- nenrichtung 18 kann ein vergleichsweise großer Bereich freigelegt werden, der in Überein- stimmung mit den Aspektverhältnissen bekannter Freilegeverfahren ist, beispielsweise der Boschmethode. Dadurch, dass die Antriebseinrichtung 22 einen Spalt 26 zwischen den An- triebseinrichtungen 22a und 22b aufweisen kann, der von einer derartigen Freilegemethode unabhängig ist. Das bedeutet, die Antriebsstrukturen 22a und 22b können durch den Spalt 26 beabstandet und gegenüberliegend zueinander angeordnet sein, beispielsweise wäh- rend einer Ruheposition des beweglichen Elements 16. Eine Abmessung des Spalts 26 entlang der Schichtfolgenrichtung 14 kann durch einen Bondingprozess eingestellt sein. The design of the MEMS component 10 such that a movement of the movable element 16 takes place in-plane and the drive structure is arranged along the layer sequence direction 14 makes it possible to have a comparatively large dimension 24 of the movable element 16 along the To obtain layer sequence direction 14, which is for example at least 75 microns, at least 100 microns, at least 500 microns or higher. A comparatively large area can be uncovered along the plane direction 18, which corresponds to the aspect ratios of known uncovering methods, for example the Bosch method. Because the drive device 22 can have a gap 26 between the drive devices 22a and 22b, which is independent of such an exposure method. This means that the drive structures 22a and 22b can be spaced apart by the gap 26 and arranged opposite one another, for example during a rest position of the movable element 16. A dimension of the gap 26 along the layer sequence direction 14 can be set by a bonding process.
Beispielsweise kann eine Abmessung des Spalts 26 durch das Aneinanderfügen der Schichtstapel entlang der Schichtfolgenrichtung 14 zumindest teilweise bestimmt sein, was, verglichen mit bspw. einem Ätzprozess eine vergleichsweise geringe Abmessung des Spalts 26 ermöglichen kann, beispielsweise 10 μm oder weniger, 5 μm oder weniger oder 1 μm oder weniger. Ein entsprechendes Aspektverhältnis der Abmessung 24 verglichen mit dem Spalt 26 kann entsprechend hoch sein, was vorteilhaft für das MEMS-Bauelement 10 ist, da mit einem großen Fluid-Volumen interagiert werden kann. For example, a dimension of the gap 26 can be at least partially determined by the joining of the layer stacks along the layer sequence direction 14, which, compared to an etching process, for example, can enable a comparatively small dimension of the gap 26, for example 10 μm or less, 5 μm or less or 1 µm or less. A corresponding aspect ratio of the dimension 24 compared to the gap 26 can be correspondingly high, which is advantageous for the MEMS device 10 since a large volume of fluid can be interacted with.
Das bewegliche Element 16 kann dabei einschichtig oder auch mehrschichtig gebildet sein.The movable element 16 can be formed in one layer or in multiple layers.
So kann beispielsweise das bewegliche Element 16 eine Mehrzahl von zumindest zwei, zumindest drei, zumindest vier, zumindest fünf oder mehr Schichten aufweisen, die bei- spielsweise mittels eines Bondingsprozesses aneinandergefügt sind. So können beispiels- weise unterschiedliche Silizium-Schichten im Rahmen eines Bondings von Silizium-Wafern miteinander verbunden werden, um insgesamt eine hohe Schichtdicke bzw. eine große Ab- messung 24 zu erhalten, womit bspw. eine geringe Abhängigkeit oder gar Unabhängigkeit vom Aspektverhältnis des Ätzverfahrens, etwa der Boschmethode hergestellt werden kann. For example, the movable element 16 can have a plurality of at least two have at least three, at least four, at least five or more layers that are joined together, for example, by means of a bonding process. For example, different silicon layers can be connected to one another as part of a bonding of silicon wafers in order to obtain a high overall layer thickness or a large dimension 24, which means, for example, a low dependency or even independence on the aspect ratio of the etching process , such as the Bosch method can be produced.
Fig. 2a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Ausschnitts eines MEMS- Bauelements 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Antriebsstruktur 22b der Antriebs- einrichtung ist beispielsweise eine strukturierte Elektrodenstruktur und umfasst zumindest ein Elektrodenelement 22b1 und ein Elektrodenelement 22b2, die voneinander elektrisch isoliert sind, so dass an das Elektrodenelement 22b1 ein erstes elektrisches Potenzial und an das Elektrodenelement 22b2 ein hiervon verschiedenes zweites elektrisches Potenzial anlegbar sind. Dies umfasst beispielsweise eine alternierende Beaufschlagung der Elekt- rodenelemente 22b1 und 22b2 mit Potenzialen gleicher oder unterschiedlicher Amplitude, kann aber auch eine gleichzeitige Beaufschlagung der Elektrodenelemente 22b1 und 22b2 mit gleichen oder unterschiedlichen Potenzialen bedeuten, je nachdem, welche Ansteue- rung des MEMS-Bauelements 20 gewünscht oder erforderlich ist. FIG. 2a shows a schematic side sectional view of a section of a MEMS component 20 according to an embodiment. The drive structure 22b of the drive device is a structured electrode structure, for example, and comprises at least one electrode element 22b 1 and one electrode element 22b 2 , which are electrically insulated from one another, so that a first electrical potential is applied to electrode element 22b 1 and a first electrical potential to electrode element 22b 2 different second electrical potential can be applied. This includes, for example, alternating exposure of the electrode elements 22b 1 and 22b 2 to potentials of the same or different amplitudes, but can also mean simultaneous exposure of the electrode elements 22b 1 and 22b 2 to the same or different potentials, depending on which control of the MEMS device 20 is desired or required.
Zur elektrischen Isolierung können Spalte 281 bis 284 zwischen den Elektrodensegmenten vorgesehen sein, die optional auch mit elektrisch isolierendem Material bzw. dielektrischem Material gefüllt sein können. For electrical insulation, gaps 28 1 to 28 4 can be provided between the electrode segments, which can optionally also be filled with electrically insulating material or dielectric material.
Das MEMS-Bauelement 20 kann eine Mehrzahl oder Vielzahl beweglicher Elemente 161 und 162 und gegebenenfalls weiterer beweglicher Elemente umfassen, die entlang der Ebe- nenrichtung 18 nebeneinander angeordnet sind. Die im Zusammenhang mit der Fig. 1 be- schriebene Antriebsstruktur 22a kann Teil eines, mehrerer oder aller beweglicher Elemente 161 und 162 sein. The MEMS component 20 can comprise a plurality or multiplicity of movable elements 16 1 and 16 2 and possibly further movable elements, which are arranged next to one another along the plane direction 18 . The drive structure 22a described in connection with FIG. 1 can be part of one, several or all movable elements 16 1 and 16 2 .
Das bewegliche Element 161 kann symmetrisch gegenüberliegend des Elektrodenspalts 282 angeordnet sein, beispielsweise zum Erhalten einer symmetrischen Ansteuerung. Al- ternativ ist es ebenfalls möglich, das bewegliche Element asymmetrisch gegenüberliegend des Elektrodenspalts 282 anzuordnen, etwa um eine asymmetrische Ansteuerung zu er- möglichen. In ähnlicher Weise kann das bewegliche Element 162 symmetrisch oder asym- metrisch gegenüberliegend zum Elektrodenspalt 281 angeordnet sein. Beispielhaft können an die beweglichen Elemente 161 und 162 voneinander verschiedene Potenziale U3 und U4 anlegbar sein, wobei gemäß Ausführungsbeispielen die beweglichen Elemente 161 und 162 bzw. deren Antriebsstrukturen elektrisch oder galvanisch miteinander verbunden sind, so dass die Potenziale U3 und U4 gleich oder identisch sind. Basierend auf den Potenzialen U1, U2, U3 und U4 können elektrostatische Kräfte erzeugt werden, die zu einer Auslenkung eines oder mehrerer beweglicher Elemente 161 und/oder 162 entlang der Bewegungsrichtung der Ebenenrichtung 18 führen können. Dadurch kann in Zusammen- wirkung des elektrischen Potenzials der Bewegungsstruktur mit dem Potenzial U1 und/oder U2 die Antriebskraft erzeugt werden. The movable element 16 1 can be arranged symmetrically opposite the electrode gap 28 2 , for example to obtain a symmetrical drive. Alternatively, it is also possible to arrange the movable element asymmetrically opposite the electrode gap 28 2 , for example to enable asymmetrical control. Similarly, the movable element 16 2 can be arranged symmetrically or asymmetrically opposite the electrode gap 28 1 . For example, different potentials U 3 and U 4 can be applied to the movable elements 16 1 and 16 2 , whereby according to exemplary embodiments the movable elements 16 1 and 16 2 or their drive structures are electrically or galvanically connected to one another, so that the potentials U 3 and U 4 are the same or identical. Based on the potentials U 1 , U 2 , U 3 and U 4 , electrostatic forces can be generated which can lead to a deflection of one or more movable elements 16 1 and/or 16 2 along the direction of movement of the plane direction 18 . As a result, the driving force can be generated in interaction between the electrical potential of the movement structure and the potential U 1 and/or U 2 .
Die Antriebsstruktur 22b kann eine Elektrodenstruktur aufweisen, die bevorzugt strukturiert gebildet ist, etwa in Form von Interdigitalelektroden. Das bedeutet, weitere Elektrodenele- mente, die mit dem Potenzial U2 verbindbar sind, können ebenfalls Teil der Antriebsstruktur 22b sein. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können einzelne Elektrodensegmente jedoch auch elektrisch voneinander isoliert sein, so dass beispielsweise die Elektrodenele- mente, die gemeinschaftlich mit dem Bezugszeichen 22b1 versehen sind, auch individuell mit Potenzialen beaufschlagbare Elektrodenelemente bilden können. The drive structure 22b can have an electrode structure, which is preferably formed in a structured manner, for example in the form of interdigital electrodes. This means that further electrode elements that can be connected to the potential U 2 can also be part of the drive structure 22b. According to further exemplary embodiments, however, individual electrode segments can also be electrically insulated from one another, so that, for example, the electrode elements which are jointly provided with the reference symbol 22b 1 can also form electrode elements that can be individually subjected to potentials.
Wie es in Fig. 2a dargestellt ist, können weitere Antriebsstrukturen 22c, 22d und/oder 22e an den beweglichen Elementen 161 und 162 zugewandten und/oder abgewandten Seiten der Schichten 122 und 123 angeordnet sein. Die zusätzliche Antriebsstrukturen 22c, 22d und 22e sind dabei optional. Die Antriebsstrukturen 22d und 22e können insbesondere bei einer gestapelten Anordnung des MEMS-Bauelements zum Anordnen zusätzlicher beweg- licher Elemente 16 vorgesehen sein. In ähnlicher Weise, wie die beweglichen Elemente 161 und 162 benachbart zu den Antriebsstrukturen 22b und 22c dargestellt sind, können zusätz- liche bewegliche Elemente benachbart zu den Antriebsstrukturen 22d und/oder 22e ange- ordnet sein. As shown in FIG. 2a, further drive structures 22c, 22d and/or 22e can be arranged on the sides of the layers 12 2 and 12 3 facing and/or facing away from the movable elements 16 1 and 16 2 . The additional drive structures 22c, 22d and 22e are optional. The drive structures 22d and 22e can be provided for arranging additional movable elements 16, in particular in the case of a stacked arrangement of the MEMS component. In a manner similar to that in which moveable members 16 1 and 16 2 are shown adjacent to drive structures 22b and 22c, additional moveable members may be located adjacent to drive structures 22d and/or 22e.
Bspw. kann die Antriebsstruktur 22c an der MEMS-Schicht 123 bzw. dem Wafer 44 genutzt werden um eine zusätzliche Antriebskraftkomponente zwischen dem beweglichen Element 161 und/oder 162 und der Antriebsstruktur 22c zusätzlich zu der Antriebskraftkomponente unter Verwendung der Antriebsstruktur 22b bereitzustellen. Das bedeutet, gegenüber der Beschreibung des MEMS-Bauelements 10 kann an einem beweglichen Element 16 eine erste Interaktion zwischen dem beweglichen Element 161 und der Antriebsstruktur des Wafers 42 und eine zweite Interaktion zwischen dem beweglichen Element 16 und der An- triebsstruktur des Wafers 44 bereitgestellt werden. Beispielsweise kann eine derartige Kon- trolle über eine Steuereinrichtung erfolgen, die ausgebildet ist, um entsprechende Span- nungen oder Potenziale bzw. Steuersignale an die Elektroden bzw. leitfähigen Strukturen anzulegen. Die Antriebeinrichtung kann ausgebildet sein, um basierend auf der ersten In- teraktion eine erste Antriebskraftkomponente F1 und basierend auf der zweiten Interaktion eine zweite Antriebskraftkomponente F2 zu erzeugen. Das MEMS-Bauelement kann aus- gebildet sein, um die erste Kraftkomponente und die zweite Kraftkomponente gleichsinnig oder gleichphasig zu erzeugen, was beispielsweise eine Hin- und Her-Bewegung des be- weglichen Elements 161 parallel zur Ebenenrichtung 18 ermöglichen kann. Ein Phasenver- satz zwischen den Kraftkomponenten F1 und F2 kann zu einer Verkippung oder Rotation um einen Aufhängemittelpunkt M führen, beispielsweise eine Torsion des beweglichen Ele- ments 161. Auch kann bei einer gegenphasigen Ansteuerung eine Auslegung der Kraftkom- ponenten F1 und F2 eine Hin- und Her-Rotation des beweglichen Elements 161 beispiels- weise um den Mitelpunkt oder die Mittelachse M erfolgen. Das bedeutet, es ist möglich, dass die obere und die untere Antriebsstruktur basierend auf einer individuellen Ansteue- rung zueinander verschobene Kraftkomponenten bereitstellen können. For example, the drive structure 22c on the MEMS layer 12 3 or the wafer 44 can be used to provide an additional drive force component between the movable element 16 1 and/or 16 2 and the drive structure 22c in addition to the drive force component using the drive structure 22b. This means that, compared to the description of the MEMS component 10, a first interaction between the movable element 16 1 and the drive structure of the wafer 42 and a second interaction between the movable element 16 and the drive structure of the wafer 44 are provided. For example, such a check can be carried out via a control device which is designed to apply appropriate voltages or potentials or control signals to the electrodes or conductive structures. The drive device can be designed to generate a first drive force component F 1 based on the first interaction and a second drive force component F 2 based on the second interaction. The MEMS component can be designed to generate the first force component and the second force component in the same direction or in phase, which can enable a to-and-fro movement of the movable element 16 1 parallel to the plane direction 18 , for example. A phase offset between the force components F 1 and F 2 can lead to a tilting or rotation about a suspension center M, for example a torsion of the movable element 16 1 . A back and forth rotation of the movable element 16 1 , for example about the center point or the center axis M, can also take place when the force components F 1 and F 2 are designed in antiphase. This means that it is possible for the upper and the lower drive structure to provide force components that are shifted relative to one another based on an individual control.
Die Antriebseinrichtung kann weitere Antriebsstruktur aufweisen, die an einer von dem be- weglichen Element 161 bzw. 162 abgewandten Seite der MEMS-Schicht 122 und/oder 123 angeordnet sein kann, wobei dort ein weiteres bewegliches Element benachbart zu dieser Antriebsstruktur angeordnet sein kann, um mit dem beweglichen Element 161 und 162 eine gestapelte Anordnung zu bilden. The drive device can have a further drive structure which can be arranged on a side of the MEMS layer 12 2 and/or 12 3 facing away from the movable element 16 1 or 16 2 , with a further movable element being arranged there adjacent to this drive structure to form a stacked arrangement with the movable member 16 1 and 16 2 .
Die Elektrodenstrukturen können beispielsweise über Verbindungsschichten 321 bis 324 mit den Schichten 122 bzw. 123 verbunden sein, was insbesondere vorteilhaft sein kann, wenn die Schichten 122 und/oder 123 aus Halbleitermaterial gebildet sind. Die Schichten 321 bis 324 können beispielsweise elektrisch isolierend gebildet sein und beispielsweise Silizi- umoxid und/oder Siliziumnitrid umfassen. Andere Materialwahlen sind dabei ohne Ein- schränkung ebenfalls möglich. The electrode structures can be connected to the layers 12 2 or 12 3 via connecting layers 32 1 to 32 4 , which can be particularly advantageous if the layers 12 2 and/or 12 3 are formed from semiconductor material. The layers 32 1 to 32 4 can be formed in an electrically insulating manner, for example, and can include silicon oxide and/or silicon nitride, for example. Other material choices are also possible without restriction.
Die beweglichen Elemente 161 und 162 können optional symmetrisch über den Spalten 281 bis 284 angeordnet sein, was eine symmetrische Ansteuerung der beweglichen Elemente 161 und 162 ermöglichen kann etwa für eine lineare Bewegung. Ungeachtet dessen können beispielsweise in einer Ruhelage, auch hiervon abweichende Positionen vorgesehen sein, um beispielsweise eine asymmetrische Ansteuerung zu implementieren. Die beweglichen Elemente 161 und 162 können während eines Ansteuerzyklus aufeinander zu- bzw. voneinander wegbewegt werden, können alternativ aber auch gleichphasig bewegt werden, so dass beispielsweise ein Abstand zwischen den beweglichen Elementen 161 und 162 gleich oder lediglich unwesentlich verändert wird. Im anderen Fall, dass sich die be- weglichen Elemente 161 und 162 wechselweise aufeinander zu- und voneinander wegbe- wegen, kann beispielsweise das Volumen einer Teilkavität 36 zwischen den beweglichen Elementen 161 und 162 wechselweise verkleinert und vergrößert werden. Für einen fluidi- schen Austausch mit einer Umgebung können hierzu Öffnungen 381 bis 383 in beliebiger Anzahl und/oder Position in einem ersten Wafer 42 und/oder zweiten Wafer 44, die bei- spielsweise einen Bodenwafer und/oder Deckelwafer bereitstellen können, zwischen dem das bewegliche Element 161 und/oder 162 angeordnet ist, so dass Fluid in die Teilkavität 36 hineinströmen oder hinausströmen kann. The moveable elements 16 1 and 16 2 can optionally be arranged symmetrically across the gaps 28 1 to 28 4 , which can enable a symmetrical control of the moveable elements 16 1 and 16 2 , for example for a linear movement. Irrespective of this, for example in a rest position, positions deviating from this can also be provided in order to implement, for example, an asymmetrical control. The movable elements 16 1 and 16 2 can be moved toward or away from each other during an activation cycle, but can alternatively also be moved in phase, so that, for example, a distance between the movable elements 16 1 and 16 2 is changed the same or only insignificantly. In the other case, in which the movable elements 16 1 and 16 2 move alternately towards and away from one another, the volume of a partial cavity 36 between the movable elements 16 1 and 16 2 can be alternately reduced and enlarged, for example. For a fluidic exchange with an environment, openings 38 1 to 38 3 can be provided in any number and/or position in a first wafer 42 and/or second wafer 44, which can provide a bottom wafer and/or cover wafer, for example which the movable element 16 1 and/or 16 2 is arranged, so that fluid can flow into or out of the sub-cavity 36 .
Fig. 2b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Teils der Darstellung aus Fig. 2a, bei der beispielsweise die optionalen Antriebsstrukturen 22d und 22e nicht dargestellt sind. FIG. 2b shows a schematic side sectional view of a portion of the illustration from FIG. 2a, in which, for example, the optional drive structures 22d and 22e are not shown.
In vergleichbarer Weise zeigen die Fig. 2c und 2d den entsprechenden Ausschnit des MEMS-Bauelements 20, wobei in Fig. 2c ausgehend von einem beispielhaften Ruhezu- stand der Fig. 2b eine Bewegung 48 der beweglichen Elemente 161 und 162 aufeinander zu erfolgt ist, so dass das Volumen der Teilkavität 361 zwischen den beweglichen Elemen- ten 161 und 162 verkleinert ist, während korrespondierend die Volumina von Teilkavitäten 362 und 363 benachbart zu den beweglichen Elementen 161 und 162 an von der Teilkavität 361 abgewandten Seiten vergrößert werden, so dass entsprechend angeordnete Öffnungen 381 und 382 Fluid 46 in die Teilkavitäten 362 und 363 strömen lassen können, während die Öffnungen 383 Fluid 46 aus der Teilkavität 361 ausströmen lassen kann. In a comparable manner, FIGS. 2c and 2d show the corresponding section of the MEMS component 20, a movement 48 of the movable elements 16 1 and 16 2 towards one another taking place in FIG. 2c, starting from an exemplary idle state in FIG. 2b , so that the volume of the sub-cavity 36 1 between the movable elements 16 1 and 16 2 is reduced, while correspondingly the volumes of sub-cavities 36 2 and 36 3 adjacent to the movable elements 16 1 and 16 2 on from the sub-cavity 36 1 Facing away sides are enlarged, so that correspondingly arranged openings 38 1 and 38 2 fluid 46 can flow into the partial cavities 36 2 and 36 3 , while the openings 38 3 fluid 46 can flow out of the partial cavity 36 1 .
In Fig. 2d ist ein komplementärer Zustand dargestellt, in dem die Bewegung 48 so ausge- führt wird, dass sich die beweglichen Elemente 161 und 162 voneinander wegbewegen, was dazu führen kann, dass sich das Volumen der Teilkavität 361 wieder vergrößert, während die Volumina der Teilkavitäten 362 und 363 verkleinert werden, so dass das Fluid 46 in umgekehrte Richtung strömen kann, beispielsweise durch die Öffnung 383 in die Teilkavität 361 und durch die Öffnungen 381 und 382 aus den Teilkavitäten 362 bzw. 363 heraus. In Fig. 2b sind dazu beispielhaft Kraftvektoren F1a1 , F1 b1 , F1 b2, F1a2, F2a1 , F2b1 , F2b2 und F2a2 dargestellt, die anzeigen, dass ein beispielhaft elektrisch leitfähig gebildetes be- wegliches Element 161 und/oder ein beispielhaft elektrisch leitfähig gebildetes bewegliches Element 162 basierend auf Potenzialen der Elektrodenelemente der Antriebsstrukturen 22b und 22c Kräfte erzeugt werden können, die die Bewegung 48 aus Fig. 2c oder die Bewe- gung 48 aus Fig. 2d auslösen können. 2d shows a complementary state in which the movement 48 is carried out in such a way that the movable elements 16 1 and 16 2 move away from one another, which can lead to the volume of the partial cavity 36 1 increasing again. while the volumes of the partial cavities 36 2 and 36 3 are reduced, so that the fluid 46 can flow in the opposite direction, for example through the opening 38 3 into the partial cavity 36 1 and through the openings 38 1 and 38 2 out of the partial cavities 36 2 and .36 3 out. 2b shows examples of force vectors F1a1, F1b1, F1b2, F1a2, F2a1, F2b1, F2b2 and F2a2, which indicate that a movable element 16 1 formed to be electrically conductive, for example, and/or a movable element formed to be electrically conductive, for example Movable element 16 2 based on potentials of the electrode elements of the drive structures 22b and 22c forces can be generated which can trigger the movement 48 from FIG. 2c or the movement 48 from FIG. 2d.
Wie es aus den Fig. 2a bis 2d hervorgeht, können eine Vielzahl von beweglichen Elementen 16 entlang der Ebenenrichtung 18 angeordnet sein, um wechselweise benachbarte Teil- kavitäten während einer Ansteuerung zu verkleinern und zu vergrößern, um ein hohes Maß an Fluid zu bewegen, was insbesondere für Pumpenanwendungen oder Lautsprecheran- wendungen von Vorteil ist. As can be seen from FIGS. 2a to 2d, a large number of movable elements 16 can be arranged along plane direction 18 in order to alternately reduce and enlarge adjacent partial cavities during activation in order to move a large amount of fluid, what is particularly advantageous for pump applications or loudspeaker applications.
In anderen Worten können die elektrisch leitfähigen Schichten 22b und 22c in einer ersten Richtung in mindestens zwei diskrete Teilbereiche 22b1 und 22b2 sowie 22C1 und 22C2 un- terteilt sein. Diese Teilbereiche sind elektrisch voneinander isoliert und durch einen Abstand 28 oder ein darin befindliches isolierendes Medium, beispielsweise Siliziumoxid, getrennt und können Elektroden darstellen. Die Anordnung und Verschaltung der Elektroden ist bei- spielhaft interdigital ausgeführt. Der Abstand der Teilbereiche beträgt beispielsweise 1 μm, kann aber auch 10 nm oder sogar bis zu 10 μm betragen. Eine erste Gruppe Teilbereiche 22C1 und 22C2 ist beispielhaft über eine isolierende Verbindungsschicht 322 mit dem De- ckelwafer mechanisch verbunden. Eine weitere zweite Gruppe in Teilbereichen 22b1 und 22b2 ist über eine isolierende Verbindungsschicht 321 mit dem Bodenwafer mechanisch verbunden. In einer Gruppe der Teilbereiche, etwa 22b1 und/oder 22C1 ist ein erster Teilbe- reich mit einer ersten Signalspannung beschältet, ein zweiter Teilbereich 22b2 und/oder 22C2 ist mit einer zweiten Signalspannung beschältet. Zum Beispiel können die Signalspan- nungen denselben Betrag aufweisen, können aber auch um beispielsweise 180°-Phasen verschoben sein. Die Phasenverschiebung kann auch andere Werte annehmen. Elektrisch gleiche Teilbereiche der jeweiligen Gruppen können am Deckelwafer und Bodenwafer je- weils gegenüberliegend angeordnet sein. In other words, the electrically conductive layers 22b and 22c can be subdivided in a first direction into at least two discrete partial regions 22b 1 and 22b 2 and 22 C1 and 22 C2 . These portions are electrically isolated from each other and separated by a gap 28 or an insulating medium such as silicon oxide therein and may constitute electrodes. The arrangement and interconnection of the electrodes is designed to be interdigital, for example. The distance between the partial areas is 1 μm, for example, but can also be 10 nm or even up to 10 μm. A first group of partial regions 22 C1 and 22 C2 is mechanically connected to the cover wafer via an insulating connecting layer 32 2 , for example. Another second group in partial areas 22b 1 and 22b 2 is mechanically connected to the bottom wafer via an insulating connecting layer 32 1 . In one group of sub-areas, for example 22b 1 and/or 22 C1 , a first sub-area is connected to a first signal voltage, and a second sub-area 22b 2 and/or 22 C2 is connected to a second signal voltage. For example, the signal voltages can have the same magnitude, but can also be phase-shifted by 180°, for example. The phase shift can also assume other values. Electrically identical partial areas of the respective groups can be arranged opposite each other on the cover wafer and base wafer.
Die Beschreibung der Anordnung und geometrischen Ausgestaltung der Widerstandsele- mente 161 bis 16n, wobei n ein ganzzahliges Vielfaches von a, also eine Ganzzahl, sein kann, folgt. Die Widerstandselemente, d. h. die beweglichen Elemente, können beispiels- weise balkenförmige Elemente sein, die in eine zweite Richtung, die rechtwinklig zur oben genannten ersten Richtung angeordnet ist, ihre Längserstreckungsrichtung aufweisen, etwa entlang einer Flächenschwerpunktfaser. Eine derartige Abmessung ist in Fig. 4a und Fig. 4b bspw. mit dem Parameter I angegeben. Bevorzugte Längen sind beispielsweise zwischen 10 μm und 10 mm, besonders bevorzugte Längen sind zwischen 1 mm und 6 mm und besonders bevorzugte Längen l liegen bei in etwa 3 mm. Die Ausdehnung der Wider- standselemente in die erste Richtung, d. h., parallel zu der Bewegungsrichtung, ist sehr viel kleiner als die Ausdehnung in die zweite Richtung. Hierbei ist zu beachten, dass ein beson- ders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Widerstandselements eine variable Breite auf- weist, etwa entlang der ersten Richtung. Die Breite des Widerstandselements ist im Bereich seiner Flächenschwerpunktfaser am geringsten und kann im Bereich der neutralen Achse des Widerstandselements angeordnet sein, siehe hierzu den Punkt M. Zu seinen oberen und unteren Berandungen kann die Breite am Rande des beweglichen Elements wieder zunehmen. Die Breiten im Bereich der Flächenschwerpunktfaser beträgt beispielsweise ei- nen Wert zwischen 3 μm und 4 μm. Die dargestellte Breite im Bereich der oberen und un- teren Berandung beträgt beispielsweise einen Wert zwischen 7 μm und 8 μm. Die Breite des Balkens kann auch anders herum gestaltet werden, d. h. in der Mitte dünner und am Rand dicker oder in der Mitte dicker und am Rand dünner. The description of the arrangement and geometric configuration of the resistance elements 16 1 to 16 n , where n can be an integer multiple of a, ie an integer, follows. The resistance elements, ie the movable elements, can, for example, be bar-shaped elements which have their direction of longitudinal extension in a second direction, which is arranged at right angles to the above-mentioned first direction. approximately along a centroid fiber. Such a dimension is indicated in Fig. 4a and Fig. 4b, for example, with the parameter I. Preferred lengths are, for example, between 10 μm and 10 mm, particularly preferred lengths are between 1 mm and 6 mm and particularly preferred lengths l are around 3 mm. The extension of the resistance elements in the first direction, ie parallel to the direction of movement, is very much smaller than the extension in the second direction. It should be noted here that a particularly preferred exemplary embodiment of a resistance element has a variable width, for example along the first direction. The width of the resistive element is smallest in the region of its centroid fiber and can be located in the region of the neutral axis of the resistive element, see point M. Towards its upper and lower borders, the width can increase again at the edge of the movable element. The width in the area of the centroid fiber is, for example, a value between 3 μm and 4 μm. The illustrated width in the area of the upper and lower boundary is, for example, a value between 7 μm and 8 μm. The width of the bar can also be made the other way around, ie thinner in the middle and thicker on the edge or thicker in the middle and thinner on the edge.
Die Ausdehnung, die bspw. als Höhe bezeichnet werden kann, und in eine dritte Richtung, die senkrecht zur Ebene angeordnet ist, die zwischen der ersten und der zweiten Richtung aufgespannt ist, beispielsweise entlang des Abstands 34, verläuft, beträgt beispielsweise zwischen 400 μm und 5000 μm, bevorzugt zwischen 650 μm und 1500 μm und besonders bevorzugt in etwa 1000 μm. Die Form der Widerstandselemente in der Breite kann unter- schiedlich sein, wie es auch anhand der Fig. 3a bis 3d dargestellt ist. The extension, which can be referred to as height, for example, and runs in a third direction, which is arranged perpendicularly to the plane that is spanned between the first and the second direction, for example along the distance 34, is between 400 μm and 400 μm, for example 5000 μm, preferably between 650 μm and 1500 μm and particularly preferably around 1000 μm. The width of the resistance elements can vary in shape, as is also shown in FIGS. 3a to 3d.
Die Widerstandselemente sind so angeordnet, dass sie zwei benachbarte Teilbereiche (22C1 und 22C2, sowie 22b1 und 22b2) im Deckel- und Bodenwaferbereich zu gleichen Teilen überdecken. In diese Überdeckung eingeschlossen ist auch der isolierende Bereich zwi- schen zwei Teilbereichen 38. Der Isolierende Bereich 28 zwischen zwei Teilbereichen kann aus Oxid (z.B. SiO2, Si3N4 oder Al2O3) oder Luft bestehen und kann zwischen 0.1 μm und 10 μm breit sein. The resistance elements are arranged in such a way that they cover two adjacent partial areas (22 C1 and 22 C2 , and 22b 1 and 22b 2 ) in the cover and base wafer area in equal parts. This covering also includes the insulating area between two partial areas 38. The insulating area 28 between two partial areas can be made of oxide (eg SiO 2 , Si 3 N 4 or Al 2 O 3 ) or air and can be between 0.1 μm and be 10 μm wide.
Die Widerstandselemente 161, 162 weisen zu den Elektroden der elektrisch leitfähigen Schichten einen Abstand 261 , 262 auf. Dieser beträgt beispielweise zwischen 0,01 μm und 10 μm, bevorzugt zwischen 0,05 μm und 1 μm und besonders bevorzugten Abstand von 0,1 μm auf. Dieser Abstand bildet den zweiteiligen kapazitiven Aktor zwischen Balken, so- wie Deckel- und Bodenwafer. Damit hat der Aktor, die die Widerstandstrukturen/Balken bewegen soll, keinen direkten mechanischen Kontakt mit der Widerstandstruktur. Das unterscheidet diese Lösung von den anderen Lösungen, wo der Aktor und die Widerstandstrukturen mechanisch verbunden sein müssen, um einen akustischen Effekt von den Widerstandstrukturen zu bekommen. The resistance elements 16 1 , 16 2 are at a distance 26 1 , 26 2 from the electrodes of the electrically conductive layers. This is, for example, between 0.01 μm and 10 μm, preferably between 0.05 μm and 1 μm and a particularly preferred distance of 0.1 μm. This distance forms the two-part capacitive actuator between beams, so- such as top and bottom wafers. The actuator that is supposed to move the resistance structures/bars therefore has no direct mechanical contact with the resistance structure. This distinguishes this solution from the other solutions where the actuator and the resistance structures have to be mechanically connected in order to get an acoustic effect from the resistance structures.
Die Balanced actor (Aktor mit linearem Auslenkungsverhalten) gemäß den Fig. 2a-d zeigen unterschiedliche Zeitmomente bei der Aktuierung der Widerstandselemente: The balanced actor (actuator with linear deflection behavior) according to FIGS. 2a-d show different moments in time when the resistance elements are actuated:
Die auf ein Widerstandselement wirkenden Kräfte sind nachfolgend dargestellt: The forces acting on a resistance element are shown below:
Die Kraft, die nach links (erste Bewegungsrichtung) zieht: Fa1 = F1a1 + F2a1 = ~(UDC+UACa)2/d The force pulling to the left (first direction of movement): F a1 = F 1a1 + F 2a1 = ~(U DC +U ACa ) 2 /d
UACa = die Signalspannung/Wechselspannung, die auf den Elektroden 2a und 5a angelegt ist. U ACa = the signal voltage/AC voltage applied to electrodes 2a and 5a.
Die Kraft, die nach rechts (zweite Bewegungsrichtung) zieht: Fb1 = F1b1 + F2b1 - ~(UDC+UACb)2/d; The force pulling to the right (second direction of movement): F b1 = F 1b1 + F 2b1 - ~(U DC +U ACb ) 2 /d;
UACb = die Signalspannung/Wechselspannung, die auf den Elektroden 22C1/22C2 und 22b1/22b2 angelegt ist. U ACb = the signal voltage/AC voltage applied to the electrodes 22 C1 /22 C2 and 22 b1 /22 b2 .
UDC ist die Gleichspannung, die zwischen Deckel/Bodenwafer und Device-Wafer angelegt wird. d = Abstand zwischen Deckel/Bodenwafer und Device-Wafer, 261, 262. UDC is the DC voltage that is applied between the top/bottom wafer and the device wafer. d = distance between cover/bottom wafer and device wafer, 26 1 , 26 2 .
Die resultierende Kraft auf ein Widerstandselement ist: The resultant force on a resistance element is:
F1 - Fa1 - Fb1 - ~(2*UDC*UACa - 2UDC*UACb +UACa 2 - UACb 2)/d F 1 - F a1 - F b1 - ~(2*U DC *U ACa - 2 UDC * UACb +U ACa 2 - U ACb 2 )/d
Wenn die Signalspannung/Wechselspannung UACa = - UACb = UAC ist, dann gilt If the signal voltage/AC voltage U ACa = - U ACb = U AC , then applies
F1 - ~ 4*UDC*UAC/d. die resultierende Kraft ist linear von der Signalspannung UAC abhängig. Die Linearität zwi- schen Signalspannung und Kraft ist für die Klangqualität eines Lautsprechers von sehr ho- her Bedeutung (Klirrfaktor). a) Für ein Gleichgewicht der Kräfte gilt: 22C1 und 22c2 bzw. 22b1 und 22b2 haben die gleiche Spannung UACa = UACb, Die Kräfte sind alle gleich Fa1 = Fb1 und Fa2 = Fb2: Die Widerstandselemente befinden sich gleichermaßen unter 22CI/22C2 bzw. 22b1/22b2; b) Für die Bewegung der Widerstandselemente unter 22c2/22b2 gilt: Spannung UACa < UACb. Die Kräfte haben folgendes Verhältnis zueinander: Fa1 < Fb1 bzw. Fa2 < Fb2 c) Für die Bewegung der Widerstandselemente unter 22cV22b1 gilt: UACa > UACb. Die Kräfte haben folgendes Verhältnis zueinander: Fa1 > Fb1 bzw. Fa2 > Fb2; F 1 - ~ 4*U DC *U AC /d. the resulting force is linearly dependent on the signal voltage U AC . The linearity between signal voltage and power is very important for the sound quality of a loudspeaker (distortion factor). a) For a balance of forces, the following applies: 22 C1 and 22c 2 or 22b 1 and 22b 2 have the same voltage U ACa = U ACb , the forces are all equal F a1 = F b1 and F a2 = F b2 : The resistance elements are equally located at 22CI/22C 2 and 22b 1 /22b 2 ; b) The following applies to the movement of the resistance elements under 22c 2 /22b 2 : Voltage U ACa <U ACb . The forces have the following relationship to one another: F a1 < F b1 or F a2 < F b2 c) The following applies to the movement of the resistance elements under 22cV22b 1 : U ACa > U ACb . The forces have the following relationship to one another: F a1 > F b1 or F a2 > Fb 2 ;
Fig. 3a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements 30 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das bezüglich mehrerer optionaler Veränderungen gegenüber dem MEMS-Bauelement 20 verändert ist. Während die prinzipielle Wirkung, bewegliche Elemente 161 und 162 aufeinander zu- oder voneinander wegzubewegen gleich sein kann, etwa um Volumina von Teilkavitäten 361, 362 und 363 zu vergrößern oder zu verkleinern, um Fluid durch Öffnungen 381, 382 und 383 hindurchzubewegen, weist ein bewegliches Element 16'1 bzw. 16'2 des MEMS-Bauelements 30 eine veränderte Konfiguration auf. FIG. 3 a shows a schematic side sectional view of a MEMS device 30 according to an embodiment, which is modified with respect to several optional changes compared to the MEMS device 20 . While the principle effect of moving movable elements 16 1 and 16 2 towards or away from each other can be the same, for example to increase or decrease volumes of partial cavities 36 1 , 36 2 and 36 3 in order to allow fluid to pass through openings 38 1 , 38 2 1 and 38 3 , a movable element 16' 1 or 16' 2 of the MEMS device 30 has a changed configuration.
Anders als beim MEMS-Bauelement 20, wo die beweglichen Elemente 16 beispielhaft in- tegral elektrisch leitfähig gebildet sind, können die beweglichen Elemente 16'1 und 16'2 aus einem halbleitenden oder nicht leitenden Material gebildet sein, so dass die Antriebsstruktur 22a und/oder 22f mittels Schichten 321 und/oder 322 und umfassend Elektrodenelemente 22a1, 22a2, 22f1 und 22f2 mechanisch fest mit dem beweglichen Element verbunden ist bzw. einen Grundkörper hiervon. Das bedeutet, anders als im MEMS-Bauelement 20, wo Elekt- rodenstrukturen an den Substratschichten 122 und 123 angeordnet sind, können Elektro- denstrukturen alternativ oder zusätzlich auch an den beweglichen Elementen 16‘1 und 16‘2 vorgesehen sein. Die Antriebsstrukturen 22a und 22f können dabei gleich oder identisch angesteuert oder verschaltet sein und beispielsweise auf ein identisches Potenzial gebracht sein, etwa für die Elektrodenelemente 22a1 und 22f1 sowie 22a2 und 22f2, wobei alternativ auch eine individuelle Verschaltung vorgesehen sein kann. Das bedeutet, eine Elektroden- Struktur kann an einer der MEMS-Schicht 122 und/oder der MEMS-Schicht 123 zugewand- ten Seite der MEMS-Schicht 121 bzw. des beweglichen Elements angeordnet sein, und zumindest einen Teil der Antriebsstruktur bilden. Unlike the MEMS component 20, where the movable elements 16 are formed integrally electrically conductive, for example, the movable elements 16' 1 and 16' 2 can be formed from a semi-conductive or non-conductive material, so that the drive structure 22a and/or or 22f by means of layers 32 1 and/or 32 2 and comprising electrode elements 22a 1 , 22a 2 , 22f 1 and 22f 2 is mechanically firmly connected to the movable element or a base body thereof. This means that, unlike in the MEMS component 20, where electrode structures are arranged on the substrate layers 12 2 and 12 3 , electrode structures can also be provided on the movable elements 16' 1 and 16' 2 as an alternative or in addition. The drive structures 22a and 22f can be actuated or connected in the same or identical manner and, for example, brought to an identical potential, for example for the electrode elements 22a 1 and 22f 1 and 22a 2 and 22f 2 , with individual connection also being able to be provided as an alternative. This means an electrode The structure can be arranged on a side of the MEMS layer 12 1 or of the movable element which faces the MEMS layer 12 2 and/or the MEMS layer 12 3 and form at least part of the drive structure.
Beim MEMS-Bauelement 30 können dahingegen optional die Schichten 122 und/oder 123 elektrisch leitfähig gebildet sein, so dass auf eine separate Anordnung von Elektrodenstruk- turen verzichtet werden kann. Alternativ können auch die Schichten 122 und 123 mit Elekt- rodenstrukturen versehen werden, wie es im Zusammenhang mit dem MEMS-Bauelement 20 beschrieben ist. In contrast, in the case of the MEMS component 30, the layers 12 2 and/or 12 3 can optionally be formed to be electrically conductive, so that a separate arrangement of electrode structures can be dispensed with. Alternatively, the layers 12 2 and 12 3 can also be provided with electrode structures, as is described in connection with the MEMS component 20 .
Hiervon unabhängig aber auch in Kombination können die Schichten 122 und 123 Oberflä- chentopographien 521 bis 522 aufweisen, die beispielsweise für eine symmetrische Ansteu- erung im Bereich gegenüberliegender Elektrodenspalte 28 vorgesehen sein können und in Form von Erhebungen oder Vertiefungen gegenüber Hauptseiten 122A oder 123B imple- mentiert sein können, das heißt, lokal kann der Abstand zwischen dem beweglichen Ele- ment und der Schicht 122 bzw. 123 im Bereich der Topographien 52 vergrößert werden, indem die Topographie als Vertiefung im Material implementiert wird oder verringert, indem die Topographie als Erhöhung implementiert wird. In manchen Ausgestaltungen kann diese Oberflächentopographie gewünscht oder erforderlich sein. Sind bspw. die Elektroden auf dem beweglichen Element angeordnet, so ist es vorteilhaft, die Boden- und/oder Deckel- Wafer gleich oder ähnlich wie dargestellt zu strukturieren, um eine Bewegung Durch die Topographien 52 kann eine Einstellung elektrostatischer Kräfte erhalten werden. In ande- ren Worten können Oberflächentopographien 52 Erhebungen oder Löcher sein. Derartige Strukturierungen können auf beiden Seiten der Wafer 42 und/oder 44 symmetrisch ange- ordnet sein. Das bedeutet, dass das bewegliche Element 16‘1 und/oder 16'2 an einer der zweiten MEMS-Schicht 122 zugewandten Seite und/oder die zweite MEMS-Schicht 122 an einer dem beweglichen Element 16‘1 bzw. 16'2 zugewandten Seite eine Oberflächenstruk- turierung oder Oberflächentopographie aufweisen kann, um einen Abstand zwischen dem beweglichen Element 16‘1 bzw. 16'2 und der zweiten Schicht 122 lokal zu verändern. Regardless of this, but also in combination, the layers 12 2 and 12 3 can have surface topographies 52 1 to 52 2 which can be provided, for example, for symmetrical control in the area of opposite electrode columns 28 and in the form of elevations or depressions opposite main sides 12 2 A or 12 3 B can be implemented, that is, locally the distance between the movable element and the layer 12 2 or 12 3 in the region of the topographies 52 can be increased by implementing the topography as a depression in the material is reduced or reduced by implementing the topography as an elevation. In some configurations, this surface topography may be desired or required. If, for example, the electrodes are arranged on the movable element, it is advantageous to structure the base and/or cover wafers in the same or similar manner as shown in order to achieve a movement. The topographies 52 can be used to set electrostatic forces. In other words, surface topographies 52 can be elevations or holes. Such structuring can be arranged symmetrically on both sides of the wafer 42 and/or 44 . This means that the movable element 16' 1 and/or 16' 2 on a side facing the second MEMS layer 12 2 and/or the second MEMS layer 12 2 on a side facing the movable element 16' 1 or 16' 2 Facing side may have a surface structure or surface topography in order to change a distance between the movable element 16 ' 1 or 16' 2 and the second layer 12 2 locally.
Während für die dargestellte Ansteuerung die Oberflächentopographien 521, 522, 525 und 526 für die Einstellung der elektrostatischen Kräfte zwischen den Antriebsstrukturen genutzt werden können, können die Oberflächentopographien 523, 524, 527 und 528 als Dummy- Strukturierungen genutzt werden, beispielsweise um eine Verbiegung der Wafer 42 und/ oder 44 soweit wie möglich zu vermeiden. Bezug nehmend auf die strukturierten elektrisch leifähigen Schichten bzw. Elektroden 22c/22e und 22b/22d in Fig. 2a sei hier angemerkt, dass unter Verwendung einer gleichwirkenden Strukturierung der Elektroden 22e in Teilbe- reiche bezogen auf die Teilbereiche der elektrisch leitfähigen Schicht 22c und/oder unter Verwendung einer gleichwirkenden Strukturierung der Elektroden 22d in Teilbereiche be- zogen auf die Teilbereiche der elektrisch leitfähigen Schicht 22b eine ähnlich oder gleiche Wirkung im Sinne einer Vermeidung einer Verbiegung erhalten werden kann, unabhängig davon ob benachbart zu den elektrisch leitfähigen Schichten 22d und/oder 22d weitere in Fig. 2a nicht dargestellte bewegliche Elemente angeordnet sind. While the surface topographies 52 1 , 52 2 , 52 5 and 52 6 can be used for setting the electrostatic forces between the drive structures for the control shown, the surface topographies 52 3 , 52 4 , 52 7 and 52 8 can be used as dummy structures be, for example, to avoid bending of the wafer 42 and / or 44 as much as possible. Referring to the structured electrically conductive layers or electrodes 22c/22e and 22b/22d in FIG. 2a, it should be noted here that that using an equivalent structuring of the electrodes 22e in sub-areas related to the sub-areas of the electrically conductive layer 22c and/or using an equivalent structuring of the electrodes 22d in sub-areas related to the sub-areas of the electrically conductive layer 22b a similar or the same Effect in terms of avoiding a bending can be obtained, regardless of whether adjacent to the electrically conductive layers 22d and / or 22d further movable elements not shown in Fig. 2a are arranged.
Optional, in einer Ausführung mit einer gestapelten Anordnungen beweglicher Elemente, etwa benachbart zu der Antriebsstruktur 22d und/oder 22e in Fig, 2a, können aber auch für die nicht dargestellten zusätzlichen beweglichen Elemente senkrecht zur Bewegungsrich- tung 18 bzw. entlang der Schichtfolgenrichtung 14 entsprechende Einstellmöglichkeiten er- halten werden. Optionally, in an embodiment with a stacked arrangement of movable elements, for example adjacent to the drive structure 22d and/or 22e in FIG Setting options are obtained.
Fig. 3b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines beweglichen Elements 16“ ge- mäß einem Ausführungsbeispiel, das beispielsweise genutzt werden kann, um in dem MEMS-Bauelement 16 als bewegliches Element 16‘1 oder 16'2 eingesetzt zu werden. Ein Grundkörper 54 des beweglichen Elements 16“ kann beispielsweise aus Halbleitermaterial, etwa Silizium, gebildet sein und beispielsweise eine in etwa rechteckige Geometrie aufwei- sen, wobei an Enden des Grundkörpers 54 auch Verdickungen vorgesehen sein können. FIG. 3b shows a schematic side sectional view of a movable element 16″ according to an exemplary embodiment, which can be used, for example, to be used in the MEMS component 16 as a movable element 16′ 1 or 16′ 2 . A base body 54 of the movable element 16″ can be formed, for example, from semiconductor material, such as silicon, and can have an approximately rectangular geometry, for example, it also being possible for thickenings to be provided at the ends of the base body 54 .
Anders als eine Ebenenanordnung der Elektrodenstrukturen gemäß der Fig. 3a können die Elektroden 22a1, 22a2, 22f1 und/oder 22f2 teilweise auch an Seitenflächen des beweglichen Elements 16“ bzw. des Grundkörpers 54 angeordnet sein, was es beispielsweise ermög- licht, auch elektrische Felder entlang dieser Seiten zu erzeugen, was bei einer dynamischen Bewegung des beweglichen Elements 16“ vorteilhaft sein kann. In contrast to a plane arrangement of the electrode structures according to FIG. 3a, the electrodes 22a 1 , 22a 2 , 22f 1 and/or 22f 2 can also be arranged in part on side surfaces of the movable element 16″ or the base body 54, which makes it possible, for example to also generate electric fields along these sides, which can be advantageous in the event of dynamic movement of the movable element 16''.
Die Form des Grundkörpers 54 ist dabei unabhängig von der Implementierung der Elektro- den an den Seitenflächen. Eine derartige Implementierung ist ohne weiteres auch an den beweglichen Elementen 161 und 162 möglich. The shape of the base body 54 is independent of the implementation of the electrodes on the side surfaces. Such an implementation is also readily possible on the movable elements 16 1 and 16 2 .
In anderen Worten zeigen die Fig. 3a und 3b einen sogenannten Balance-Aktuator. Die Fig. 3a und Fig. 3b zeigen ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Elementarzelle mit linearem Auslenkungsverhalten. Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel in Fig. 2a-d ist die Verortung der elektrisch leitfähigen Schichten an den Widerstandselementen. Durch diese alternative Verortung ist das Widerstandselement ein aktives Widerstandselement. Dabei ist das Widerstandselement dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähigen Schichten jeweils über eine elektrisch isolierende Schicht mit dem Widerstandselement ver- bunden sind. Die Form der Widerstandselemente mit den leitfähigen Schichten in der Breite kann unterschiedlich sein. In other words, FIGS. 3a and 3b show a so-called balance actuator. FIGS. 3a and 3b show an alternative exemplary embodiment of an elementary cell with linear deflection behavior. The difference from the exemplary embodiment in FIGS. 2a-d is the location of the electrically conductive layers on the resistance elements. This alternative location makes the resistive element an active resistive element. The resistance element is characterized in that the electrically conductive layers are each connected to the resistance element via an electrically insulating layer. The shape of the resistance elements with the conductive layers in width can be different.
Weiterhin ist ein alternatives auslenkbares und aktives Widerstandselement mit dargestellt (Fig. 3b). Hierbei sind die elektrisch leitfähigen Schichten teilumfänglich am Widerstandse- lement angeordnet. In anderen Worten sind elektrisch leitfähige Schichten nicht nur zwi- schen Widerstandselement und Deckelwafer, sowie zwischen Widerstandselement und Bo- denwafer angeordnet, sondern auch an den Seiten der Widerstandselemente, die die Ka- vitäten einschließen. Furthermore, an alternative deflectable and active resistance element is also shown (FIG. 3b). In this case, the electrically conductive layers are arranged around part of the circumference of the resistance element. In other words, electrically conductive layers are arranged not only between the resistance element and the cover wafer and between the resistance element and the base wafer, but also on the sides of the resistance elements that enclose the cavities.
Fig. 3c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des Grundkörpers 54 aus Fig. 3b, Fig. 3c shows a schematic side sectional view of the base body 54 from Fig. 3b,
Fig. 3d zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines gegenüber der Fig. 3c verän- derten Grundkörpers 54‘, der eine mehrfach konvex gewölbte Ausgestaltung aufweist, im Gegensatz zu der einfach konkaven Ausgestaltung der Fig. 2a. FIG. 3d shows a schematic sectional side view of a base body 54' that is different from FIG. 3c and has a multiple convex configuration, in contrast to the single concave configuration of FIG. 2a.
Das bewegliche Element kann in einem Querschnitt polygon, etwa rechteckig, einfach ge- krümmt oder mehrfach gekrümmt sein, wobei eine Krümmung konvex oder konkav sein kann, wobei eine mehrfache Krümmung auch Mischformen hiervon zulässt. Alternativ oder zusätzliche kann das bewegliche Element in dem Querschnitt entlang der Schichtfolgen- richtung 14 eine veränderliche Abmessung senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung aufwei- sen, also beispielsweise entlang der Ebenenrichtung 18. The cross section of the movable element can be polygonal, for example rectangular, single-curved or multiply-curved, wherein a curvature can be convex or concave, with multiple curvature also permitting mixed forms thereof. Alternatively or additionally, the movable element can have variable dimensions perpendicular to the layer sequence direction in the cross section along the layer sequence direction 14, i.e. for example along the plane direction 18.
Fig. 4a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des beweglichen Elements 16‘1 des MEMS-Bauelements 30 gemäß einer ersten Ausführungsform der Elektrodenstrukturen. So können beispielsweise die Elektrodensegmente 22f2 und 22a2 gegenüberliegend zueinan- der an dem Grundkörper 54 ungeachtet dessen Querschnitt angeordnet sein und beispiels- weise eine entlang einer Länge l flächige Kontaktierung bereitstellen. Das Elektrodenele- ment 22a2 kann dabei Höhe h5 und das Elektrodenelement 22f2 eine Höhe h2 entlang der Schichtfolgenrichtung 14 aufweisen, was zu einer Gesamthöhe hges des beweglichen Ele- ments 16‘1 führen kann. FIG. 4a shows a schematic side sectional view of the movable element 16' 1 of the MEMS component 30 according to a first embodiment of the electrode structures. For example, the electrode segments 22f 2 and 22a 2 can be arranged opposite one another on the base body 54 regardless of its cross section and, for example, provide a planar contact along a length l. The electrode element 22a 2 can have a height h 5 and the electrode element 22f 2 can have a height h 2 along the layer sequence direction 14, which can lead to an overall height h tot of the movable element 16′ 1 .
Fig. 4b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht einer alternativen Ausgestaltung, bei dem sowohl das Elektrodenelement 22f2 als auch das Elektrodenelement 22a2 in Segmente 561 bis 5610 bzw. 5611 bis 5620 strukturiert ist, wobei die Anzahl von 10 Segmenten 56 ledig- lich beispielhaft ist und eine beliebige Anzahl von zumindest zwei, zumindest drei, zumin- dest fünf, zumindest acht, zumindest zehn oder höher betragen kann. Fig. 4b shows a schematic side sectional view of an alternative embodiment, in which both the electrode element 22f 2 and the electrode element 22a 2 in segments 56 1 to 56 10 or 56 11 to 56 20 , the number of 10 segments 56 being merely exemplary and any number of at least two, at least three, at least five, at least eight, at least ten or more can be.
Wie es beispielhaft für die Verbindung 58 dargestellt ist, sind die Segmente 56 einer Elekt- rode 56f2 bzw. 22a2 untereinander elektrisch bzw. galvanisch gekoppelt, so dass sie bei Anlegen eines elektrischen Potenzials innerhalb der Gruppe 561 bis 5610 sowie 5611 bis 5620 ein gleiches Potenzial aufweisen. As is shown by way of example for the connection 58, the segments 56 of an electrode 56f 2 or 22a 2 are electrically or galvanically coupled to one another, so that when an electrical potential is applied within the group 56 1 to 56 10 and 56 11 to 56 20 have the same potential.
Ein Segment kann dabei eine Abmessung Is aufweisen, die beispielsweise einen Wert in einem Bereich zwischen 0,5 μm und 2 μm aufweist, wobei aufgrund individueller Auslegun- gen auch andere Werte implementiert werden können.. Zwischen zwei benachbarten Seg- menten kann ein über die Länge l konstanter oder auch veränderlicher Abstand labst vorge- sehen sein, der zwei Segmente 56 voneinander beabstandet, aber mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung 58 überbrückt wird. In this case, a segment can have a dimension I s which, for example, has a value in a range between 0.5 μm and 2 μm, with other values also being able to be implemented on the basis of individual designs the length l can be provided as a constant or also variable distance labst, which separates two segments 56 from one another, but is bridged by means of an electrically conductive connection 58 .
Das bedeutet, das bewegliche Element kann über eine Elementlänge l entlang einer axialen Erstreckungsrichtung senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung so ausgestaltet sein, dass die Elektrode 22a2 und/oder 22f2 eine Mehrzahl von Elektrodensegmenten 56 aufweist. Be- nachbarte Elektrodensegmente 56 können elektrisch miteinander durch elektrische Leiter 58 verbunden sein, wobei die elektrischen Leiter entlang der Richtung senkrecht zu der Elementlänge, also beispielsweise entlang der Ebenenrichtung 18 eine geringere mecha- nische Steifigkeit aufweisen als die Elektrodensegmente. Hierdurch kann erreicht werden, dass eine Bewegung bzw. Verformung der beweglichen Elemente in geringem Umfang von einer mechanischen Steifigkeit des Elektrodenmaterials behindert wird. This means that the movable element can be designed over an element length l along an axial direction of extension perpendicular to the layer sequence direction such that the electrode 22a 2 and/or 22f 2 has a plurality of electrode segments 56 . Adjacent electrode segments 56 can be electrically connected to one another by electrical conductors 58, the electrical conductors having a lower mechanical rigidity in the direction perpendicular to the element length, ie for example along the plane direction 18, than the electrode segments. As a result, movement or deformation of the movable elements can be prevented to a small extent by the mechanical rigidity of the electrode material.
In anderen Worten können die elektrisch leitfähigen Schichten in der ersten Richtung seg- mentiert sein, so wie es in der Seitenansicht in Fig. 4b dargestellt ist. Dabei sind die Seg- mente voneinander beabstandet. Vorteilhaft kann so auf die Steifigkeit der auslenkbaren Elemente schon im Design eingegangen werden. Hierbei sind die entstehenden Lücken vorzugsweise nicht gefüllt. Die Fig. 4b zeigt somit eine Ansicht eines Ausführungsbeispiels mit segmentierten Elektrodenschichten. In other words, the electrically conductive layers can be segmented in the first direction, as shown in the side view in FIG. 4b. In this case, the segments are spaced apart from one another. Advantageously, the rigidity of the deflectable elements can already be addressed in the design. In this case, the resulting gaps are preferably not filled. 4b thus shows a view of an embodiment with segmented electrode layers.
Die Ausdehnung der Widerstandselemente in die dritte Richtung ist unter anderem in Fig. 4a mit h und die Ausdehnung der elektrisch leitfähigen Schicht 22a oder 22f ist mit h2 oder h5 bezeichnet. Das Verhältnis von h zu h2 oder h zu h5 beträgt 20 %, bevorzugt 5 % oder besonders bevorzugt 1 %, d. h. h2 und h5 sind dünner als der Körper 54. The extension of the resistance elements in the third direction is indicated, inter alia, in Fig. 4a with h and the extension of the electrically conductive layer 22a or 22f is with h 2 or h 5 denotes. The ratio of h to h 2 or h to h 5 is 20%, preferably 5% or more preferably 1%, ie h 2 and h 5 are thinner than the body 54.
Die Ausdehnung der Widerstandselemente in die erste Richtung ist unter anderem in Fig. 4b dargestellt. Hierbei ist eine alternative Anordnung der leitfähigen Schichten 22a und 22f dargestellt, die wie oben schon erwähnt die Steifigkeit des auslenkbaren Elements ver- ringern. Die Länge des Widerstandselements in die erste Richtung ist mit I bezeichnet. Die Länge eines Segments ist mit Is bezeichnet. Der Abstand zwischen den Segmenten ist mit labst bezeichnet. The expansion of the resistance elements in the first direction is shown, inter alia, in FIG. 4b. An alternative arrangement of the conductive layers 22a and 22f is shown here, which, as already mentioned above, reduces the rigidity of the deflectable element. The length of the resistance element in the first direction is denoted by l. The length of a segment is denoted by I s . The distance between the segments is denoted by labst.
Fig. 5a zeigt eine schematische Draufsicht auf einen Teil eines MEMS-Bauelements 501 gemäß einem Ausführungsbeispiel, insbesondere die Ausgestaltung der beweglichen Ele- mente 16‘1 bis 16'5, die beispielhaft in Übereinstimmung mit den beweglichen Elementen 16‘1 und 16'2 des MEMS-Bauelements 30 gebildet sein können. Zwischen benachbarten beweglichen Elementen bzw. zwischen einem beweglichen Element und umgebenden Substrat 62 für den Fall der beweglichen Elemente 16‘1 und 16'5 sind Teilkavitäten 361 bis 366 angeordnet. Die beweglichen Elemente 16‘1 bis 16'5 können als beidseitig fest einge- spannte Balken betrachtet werden, wobei beispielhaft die interdigitale Verschaltung der Elektrodenelemente 22a1 und 22a2 dargestellt ist. Es wird deutlich, dass die jeweiligen Elektrodenelemente benachbarter beweglicher Elemente 16‘1 bis 16'5 durch die durchge- hende Verschaltung gleiche Potenziale aufweisen können, dass ein Durchtrennen einer derartigen Konfiguration aber auch zu einer individuellen Verschaltung führen kann. 5a shows a schematic top view of a part of a MEMS component 50 1 according to an embodiment, in particular the configuration of the movable elements 16' 1 to 16' 5 , which are exemplary in accordance with the movable elements 16' 1 and 16' 2 of the MEMS device 30 may be formed. Partial cavities 36 1 to 36 6 are arranged between adjacent movable elements or between a movable element and surrounding substrate 62 in the case of movable elements 16′ 1 and 16′ 5 . The movable elements 16′ 1 to 16′ 5 can be viewed as beams that are firmly clamped on both sides, with the interdigital interconnection of the electrode elements 22a 1 and 22a 2 being shown as an example. It is clear that the respective electrode elements of adjacent movable elements 16′ 1 to 16′ 5 can have the same potentials due to the end-to-end interconnection, but that severing such a configuration can also lead to an individual interconnection.
An die Elektrodenelemente 22a1 und 22a2 kann eine Gleichspannung (DC) angelegt wer- den, so dass beispielsweise wechselweise an den Elektroden 22a1 und 22a2 die Gleich- spannung DC anliegt. Alternativ kann auch eine Wechselspannung angelegt werden, was durch AC- und AC+ angedeutet ist. Eine derartige Konfiguration kann auch gleichzeitig er- folgen, was beispielsweise zu anziehenden Kräften zwischen benachbarten beweglichen Elementen führen kann, um diese aufeinander zuzubewegen. A direct voltage (DC) can be applied to the electrode elements 22a 1 and 22a 2 so that, for example, the direct voltage DC is applied alternately to the electrodes 22a 1 and 22a 2 . Alternatively, an AC voltage can also be applied, which is indicated by AC- and AC+. Such a configuration can also take place simultaneously, which can lead, for example, to attractive forces between adjacent movable elements in order to move them towards one another.
In anderen Worten zeigt Fig. 5a eine schematische Darstellung einer Kontaktierung der Elektroden, wenn diese mit dem Balken, den beweglichen Elementen, verbunden sind. Gleichermaßen kann eine solche Ausgestaltung auch für Elektroden umgesetzt werden, die dem Deckelwafer und/oder dem Bodenwafer zugewandt sind. Wie es aus der Fig. 5a ersichtlich wird, können die beweglichen Elemente 16‘1 bis 16'5 direkt ausgelegt sein, um eine Interaktion mit dem Fluid auszuführen, indem beispielsweise die Grundkörper das Fluid bewegen oder von diesem bewegt werden. Alternativ könnten auch zusätzliche Elemente, wie etwa Plattenelemente oder dergleichen an den beweglichen Ele- menten angeordnet werden, die durch die beweglichen Elemente bewegt werden und ih- rerseits mit dem Fluid interagieren. In other words, FIG. 5a shows a schematic representation of a contacting of the electrodes when they are connected to the beam, the movable elements. Equally, such a configuration can also be implemented for electrodes that face the cover wafer and/or the base wafer. As can be seen from FIG. 5a, the movable elements 16' 1 to 16' 5 can be designed directly to interact with the fluid, for example by the base bodies moving the fluid or being moved by it. Alternatively, additional elements such as plate elements or the like could also be arranged on the movable elements, which are moved by the movable elements and in turn interact with the fluid.
Fig. 5b zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 502 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer vergleichbaren Ansicht wie die Fig. 5a. Anders als beim MEMS-Bauelement 501 sind jedoch die beweglichen Elemente als bewegliche Elemente 16“ gebildet, wie sie beispielsweise in der Fig. 3b dargestellt sind. Das bedeutet, die Elekt- roden 22a1 und 22a2 verlaufen auch zusätzlich zu einer Ober- oder Unterseite auch an Seitenwänden der beweglichen Elemente, wobei hier anzumerken ist, dass Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten und dergleichen hier nicht einschränkend wirken, sondern lediglich der Veranschaulichung dienen, da klar ist, dass durch eine wechselnde Orientierung der Körper im Raum die Begriffe wechselseitig vertauschbar sind. FIG. 5b shows a schematic top view of a MEMS component 50 2 according to an exemplary embodiment in a view comparable to FIG. 5a. In contrast to the MEMS component 50 1 , however, the movable elements are in the form of movable elements 16'', as illustrated in FIG. 3b, for example. This means that the electrodes 22a 1 and 22a 2 also run on side walls of the movable elements in addition to a top or bottom side, it being noted here that terms such as top, bottom, left, right, front, rear and the like are used here do not have a restrictive effect, but only serve to illustrate the point, since it is clear that the terms are mutually interchangeable due to a changing orientation of the bodies in space.
Es ist jedoch erkennbar, dass bei einer Bewegung oder Verformung der beweglichen Ele- mente 16“1 bis 16“5 entlang der Bewegungsrichtung 18 ein Vorteil erhalten werden kann, wenn eine Strukturierung der Elektroden ausgeführt wird, wie sie im Zusammenhang mit der Fig. 4b oder Fig. 5b erläutert wird. Die elektrische Verbindung 58 zwischen zwei be- nachbarten Segmenten 561 und 562 kann beispielsweise durch eine lokale Ausdünnung oder Entfernung der entsprechenden Elektrode erfolgen, was beim Ausführen der Krüm- mung des beweglichen Elements 16“1 aber zu geringen mechanischen Widerständen der Elektrodenelemente führen kann. However, it can be seen that when the movable elements 16" 1 to 16" 5 move or deform along the direction of movement 18, an advantage can be obtained if the electrodes are structured, as described in connection with FIG. 4b or Fig. 5b is explained. The electrical connection 58 between two adjacent segments 56 1 and 56 2 can be made, for example, by locally thinning out or removing the corresponding electrode, which can lead to low mechanical resistances of the electrode elements when the movable element 16'' 1 is curved .
Die Teilkavitäten 361 bis 366 können dabei Teile einer Gesamtkavität sein, wobei die Teil- kavitäten 361 bis 366 aufgrund der Bewegung der beweglichen Elemente 16“1 bis 16“5 wechselweise vergrößert und verkleinert werden können. The partial cavities 36 1 to 36 6 can be parts of an overall cavity, with the partial cavities 36 1 to 36 6 being able to be alternately enlarged and reduced due to the movement of the movable elements 16" 1 to 16" 5 .
Die beweglichen Elemente der MEMS-Bauelemente 501 und 502 können fluidisch miteinan- der gekoppelt sein, so dass bei Aktuierung lediglich eines der beweglichen Elemente ein benachbartes bewegliches Element auch im unaktuierten Zustand mitbewegt werden kann. Das bedeutet, die Bewegung des Fluids koppelt auf ein benachbartes bewegliches Element möglicherweise über, unabhängig davon, ob dieses aktuiert oder unaktuiert ist. Optional können benachbarte bewegliche Elemente auch vermittels eines nicht dargestellten Kopp- lungselements miteinander gekoppelt sein, beispielsweise in einem Mitenbereich, etwa l/2 oder dergleichen. Ein derartiges Kopplungselement ermöglicht es, eine gleichförmige Be- wegung der gekoppelten beweglichen Elemente auszuführen. The movable elements of the MEMS components 50 1 and 50 2 can be fluidly coupled to one another, so that when only one of the movable elements is actuated, an adjacent movable element can also be moved in the non-actuated state. That is, the motion of the fluid may couple to an adjacent movable element, whether actuated or unactuated. Optional Adjacent movable elements can also be coupled to one another by means of a coupling element, not shown, for example in a central area, for example 1/2 or the like. Such a coupling element makes it possible to carry out a smooth movement of the coupled movable elements.
Wie es in den MEMS-Bauelementen 501 und 502 ferner gezeigt ist, können unterschiedliche Potenziale an die Elektroden 22a1 und 22a2 angelegt werden. Die interdigitale Struktur kann dabei so gebildet sein, dass einander zugewandte Elektroden benachbarter beweglicher Elemente mit einer Kombination der Potenziale AC- und AC+ verbunden sind, das bedeu- tet, die einander zugewandten Elektroden weisen beide unterschiedliche Potenziale auf o- der, anders ausgedrückt, unterschiedliche Potenziale der unterschiedlichen Elektroden 22a1 und 22a2 sind einander zugewandt. Dies gilt ebenfalls für die DC-Beschaltung, die beispielsweise alternierend an den Elektroden 22a1 und 22a2 erfolgt, so dass eine beschal- tete Elektrode einer unbeschalteten Elektrode zugewandt ist. As further shown in MEMS devices 50 1 and 50 2 , different potentials may be applied to electrodes 22a 1 and 22a 2 . The interdigital structure can be formed in such a way that mutually facing electrodes of adjacent movable elements are connected to a combination of the potentials AC− and AC+, which means that the mutually facing electrodes both have different potentials or, to put it another way, different Potentials of the different electrodes 22a 1 and 22a 2 face each other. This also applies to the DC wiring, which takes place alternately at the electrodes 22a 1 and 22a 2 , for example, so that a wired electrode faces an unwired electrode.
In anderen Worten zeigen die Fig. 5a und 5b Draufsichten der Ausführungsbeispiele aus Fig. 4a bzw. 4b, wobei Fig. 5b auch eine Kontaktierung der Elektroden, wenn diese mit dem Balken verbunden sind, zeigt. In den Fig. 5a und 5b sind Draufsichten auf die Schichten aus Fig. 4a/Fig. 4b eines MEMS basierten Schallwandlers mit linearem Auslenkungsver- halten in einer vereinfachten Darstellung mit einer begrenzten Anzahl an aktiv auslenkbaren Elementen. Die Darstellung zeigt eine mögliche elektrische Verschaltung der aktiv auslenk- baren Widerstandselemente, so wie sie in Fig. 4a/4b dargestellt sind. Dabei greifen die beiden Teilbereiche kammartig (in anderen Worten interdigital) ineinander und sind über die gesamte Länge des jeweiligen passiven Widerstandselements angeordnet. Gleicher- maßen kann eine solche Ausgestaltung auch für Elektroden umgesetzt werden, die dem Deckelwafer und/oder dem Bodenwafer zugewandt sind. In other words, FIGS. 5a and 5b show top views of the exemplary embodiments from FIGS. 4a and 4b, respectively, with FIG. 5b also showing contacting of the electrodes when they are connected to the beam. 5a and 5b are top views of the layers from Fig. 4a/Fig. 4b of a MEMS-based sound transducer with linear deflection behavior in a simplified representation with a limited number of actively deflectable elements. The illustration shows a possible electrical interconnection of the actively deflectable resistance elements, as shown in FIGS. 4a/4b. In this case, the two subregions interlock like a comb (in other words, interdigitally) and are arranged over the entire length of the respective passive resistance element. Equally, such a configuration can also be implemented for electrodes that face the cover wafer and/or the base wafer.
Fig. 6 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Teils eines MEMS-Bauelements 60 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dort sind neben der Kavität 66, die vermittels vier beweglicher Elemente 16‘1 bis 16'4 in Teilkavitäten unterteilt wird, auch äußere Bereiche dargestellt, in denen die Verschaltung der Elektroden näher illustriert ist. Durch Aussparun- gen 641 bis 647 können Elektroden und/oder sonstige Bereiche freigelegt werden, so dass diese für eine Kontaktierung bereitstehen. Wie es anhand der Aussparungen 641 bis 645 gezeigt ist, kann dies so ausgeführt werden, dass sämtliche Elektroden entlang einer Seite des MEMS-Bauelements 60 erreichbar sind. Fig. 7a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements 70 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das MEMS-Bauelement 70 umfasst beispielsweise eine Kon- figuration, wie sie im Zusammenhang mit dem MEMS-Bauelement 20 beschrieben ist. Je- weils zwei benachbarte bewegliche Elemente 161 und 162, 163 und 164 bzw. 165 und 166 können eine Elementarzelle 681, 682 bzw. 683 des MEMS-Bauelements 70 bilden. Während Öffnungen 381, 382 und 383 des Wafers 44 den Elementarzellen 681, 682 und 683 beispiels- weise exklusiv zugeordnet sein können, können Öffnungen 384 und 385 des Wafers 42 von benachbarten Elementarzellen 681 und 682 bzw. 682 und 683 gemeinsam genutzt werden. FIG. 6 shows a schematic side sectional view of a part of a MEMS device 60 according to an embodiment. In addition to the cavity 66, which is subdivided into partial cavities by means of four movable elements 16' 1 to 16' 4 , outer regions are also shown there, in which the interconnection of the electrodes is illustrated in more detail. Electrodes and/or other areas can be uncovered through recesses 64 1 to 64 7 so that they are available for contacting. As shown by the recesses 64 1 to 64 5 , this can be done so that all electrodes along one side of the MEMS device 60 are accessible. 7a shows a schematic side sectional view of a MEMS device 70 according to an embodiment. The MEMS component 70 includes, for example, a configuration as is described in connection with the MEMS component 20 . Each two adjacent movable elements 16 1 and 16 2 , 16 3 and 16 4 or 16 5 and 16 6 can form a unit cell 68 1 , 68 2 or 68 3 of the MEMS component 70 . While openings 38 1 , 38 2 and 38 3 of the wafer 44 can be assigned exclusively to the unit cells 68 1 , 68 2 and 68 3 , for example, openings 38 4 and 38 5 of the wafer 42 can be assigned to neighboring unit cells 68 1 and 68 2 or 68 2 and 68 3 are shared.
In den Substratschichten 122 und 123 können Aussparungen 641, 642, 643 und 644 zur Kon- taktierung der Elektroden 22C1, 22C2, 22b1 und 22b2 vorgesehen sein. Alternativ oder zu- sätzlich können Aussparungen 645 und/oder 646 zur lokalen Freilegung der Schicht 121 vorgesehen sein, um diese mit einem Potenzial zu verbinden, beispielsweise einem Refe- renzpotenzial (Ground GND). Recesses 64 1 , 64 2 , 64 3 and 64 4 for contacting the electrodes 22 C1 , 22 C2 , 22b 1 and 22b 2 can be provided in the substrate layers 12 2 and 12 3 . Alternatively or additionally, cutouts 64 5 and/or 64 6 can be provided for local exposure of layer 12 1 in order to connect it to a potential, for example a reference potential (ground GND).
In anderen Worten zeigt Fig. 7a einer Querschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines MEMS basierten Schallwandlers mit linearem Auslenkungsverhalten mit 3 benach- bart angeordneten Elementarzellen. Dargestellt ist der Aufbau mit passiv auslenkbaren Wi- derstandselementen. Somit sind die elektrisch leitenden Schichten jeweils über eine elektrisch isolierende Schicht mit dem Boden- und Deckelwafer verbunden. Die Elementar- zellen sind miteinander über Kavitäten benachbarter passiver auslenkbarer Widerstandse- lemente verbunden. Darüber hinaus sind die Positionen möglicher unterer und oberer Aus- lassöffnungen im Boden- und Deckelwafer dargestellt. Zur elektrischen Kontaktierung der Teilschichten sind die Bereiche 64 vorgesehen. Gleichermaßen sind Bereiche zur elektri- schen Kontaktierung der Teilbereiche weiterer Elektroden vorgesehen. Die Kontaktierungs- bereiche sind als Durchbrüche dargestellt, die in einem Ätzverfahren, beispielsweise als Bohrungen oder quadratische Aussparungen oder rechteckige Nuten bis auf die jeweiligen elektrisch leitenden Schichten hinabgeführt werden. Das Ausführungsbeispiel ist nicht auf die Verortung der dargestellten elektrisch leitenden Schichten beschränkt. Um ein Potenti- alunterschied zwischen den Schichten 22b und 22c und den passiv auslenkbaren Elemen- ten aufzubauen, ist eine Kontaktierung mit GND in der Schicht 121 möglich. Gleichermaßen ist ein Aufbau mit aktiv auslenkbaren Elementen gemäß Fig. 3a bis Fig. 4b möglich. In other words, FIG. 7a shows a cross-sectional illustration of an exemplary embodiment of a MEMS-based sound transducer with linear deflection behavior with 3 elementary cells arranged next to one another. The structure with passively deflectable resistance elements is shown. Thus, the electrically conductive layers are each connected to the base and cover wafer via an electrically insulating layer. The elementary cells are connected to one another via cavities of adjacent passive, deflectable resistance elements. In addition, the positions of possible lower and upper outlet openings in the base and cover wafer are shown. Areas 64 are provided for electrical contacting of the partial layers. Likewise, areas for electrical contacting of the partial areas of further electrodes are provided. The contacting areas are shown as openings, which are led down to the respective electrically conductive layers in an etching process, for example as bores or square recesses or rectangular grooves. The exemplary embodiment is not limited to the location of the electrically conductive layers shown. In order to build up a potential difference between the layers 22b and 22c and the passively deflectable elements, contacting with GND in the layer 12 1 is possible. A structure with actively deflectable elements according to FIGS. 3a to 4b is also possible.
Die Kontaktierung des Chips in Fig. 7a wird z. B. durch Drahtbonden stattfinden. Weil die Kontaktlöcher auf beiden Seiten des Chips platziert sind, muss auch der Drahtbondprozess von 2 Seiten stattfinden. Fig. 7b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 70 in einer Ausgestaltung, bei der elektrisch leitfähige Elemente 721 bis 726 in den Aussparungen 641 aus Fig. 7a angeordnet sind, um eine Kontaktierung der entsprechenden Bereiche zu er- möglichen. The contacting of the chip in Fig. 7a is z. B. take place by wire bonding. Because the contact holes are placed on both sides of the chip, the wire bonding process must also take place from 2 sides. FIG. 7b shows a schematic side sectional view of the MEMS component 70 in a configuration in which electrically conductive elements 72 1 to 72 6 are arranged in the cutouts 64 1 from FIG. 7a in order to enable contacting of the corresponding areas.
Die elektrisch leitfähigen Bereiche oder Elemente 721 bis 726 können vom umgebenden Material durch Spalte 741 bis 744 beabstandet sein, wobei diese Spalte optional mit elektrisch isolierendem Material gefüllt sein können. Durch elektrisch isolierende Verbin- dungsschichten 32 können elektrisch leitfähige Strukturen 76, beispielsweise aus dem Ma- terial der elektrisch leitfähigen Elemente 72 oder eines anderen elektrischen leitfähigen Ma- terials angeordnet sein, die von dem Material der Verbindungsschichten 32 bzw. der elektrisch isolierenden Eigenschaft hiervon im Bereich umgebender Elektroden umschlos- sen sein können, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Das Element 725 kann dabei eine Kon- taktierung zwischen der Schicht 121 und einem Teilbereich der Schicht 123 bereitstellen, wie es auch die das Element 726 gezeigt ist. Dabei kann das Element 725 auch elektrisch isoliert von anderen Elementen sein, etwa Teilbereichen der elektrisch leitfähigen Schicht 22c. Die Kontaktierung kann an dieser Stelle beidseitig erfolgen. The electrically conductive areas or elements 72 1 to 72 6 may be spaced from the surrounding material by gaps 74 1 to 74 4 , which gaps may optionally be filled with electrically insulating material. Electrically conductive structures 76, for example made of the material of the electrically conductive elements 72 or another electrically conductive material, can be arranged through electrically insulating connecting layers 32, which differ from the material of the connecting layers 32 or the electrically insulating property thereof Area surrounding electrodes can be enclosed to avoid short circuits. The element 72 5 can provide a contact between the layer 12 1 and a partial area of the layer 12 3 , as the element 72 6 is also shown. In this case, the element 72 5 can also be electrically insulated from other elements, for example partial regions of the electrically conductive layer 22c. Contact can be made on both sides at this point.
In anderen Worten zeigt Fig. 7b einen Schallwandler mit linearem Auslenkungsverhalten und einem alternativen Aufbau eines MEMS-basierten Schallwandlers, der sich hinsichtlich der Kontaktierung sowie 101 der elektrisch leitfähigen Schichten unterscheidet. In diesem Fall sind die Kontakte zu den Schichten nicht durch Aussparungen ausgeführt. Alternativ dazu werden die Schichten mit dem Deckel- und Bodenwafer mittels Durchkontaktierungen durch leitfähige Elemente verbunden. Die Schicht 121 wird mit dem Boden bzw. Deckel- Wafer durch die leitenden Stöpsel verbunden. Die Trennung der elektrischen Potentiale in dem Deckel bzw. Boden-Waferwerden durch die Trenche (bzw. Aussparungen) vorgenom- men. Der Vorteil dieser Ausführung ist, dass die Kontaktierung der Schichten nicht in den Aussparungen statfindet, sondern auf der Oberfläche der Boden bzw. Deckel-Wafer. In other words, FIG. 7b shows a sound transducer with linear deflection behavior and an alternative structure of a MEMS-based sound transducer, which differs with regard to the contacting and 101 the electrically conductive layers. In this case, the contacts to the layers are not made by gaps. Alternatively, the layers are connected to the top and bottom wafers by vias through conductive elements. The layer 12 1 is connected to the bottom or top wafer by the conductive plugs. The electrical potentials in the cover or base wafer are separated by the trench (or recesses). The advantage of this design is that the layers are not contacted in the recesses, but on the surface of the base or cover wafer.
Fig. 7c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines hierzu ähnlichen MEMS- Bauelements 70' , bei dem die Kontaktierung mittels Aussparungen 741 bis 745 lediglich von einer Seite, der des Wafers 44, beispielsweise ein Deckelwafer, erfolgt. Unter Inkaufnahme der vergleichsweisen tiefen Gräben kann eine einfache Platzierung des MEMS-Bauteils 70 auf einem Substrat erfolgen, da die elektrische Verschaltung von einer Seite ausreichend sein kann. In anderen Worten kann eine Kontaktierung der Elektroden, wenn die leitfähigen Schichten auf den Widerstandselementen platziert sind, auf vielfältige Weise erfolgen. Die Kontaktie- rung der Elektroden kann von zwei Seiten stattfinden oder lediglich von einer Seite. In weiter anderen Worten zeigt Fig. 7c einen Schallwandler mit linearem Auslenkungsverhalten: Ist ähnlich wie Fig. 3a, nur dass die Kontaktierung von einer Seite des Chips stattfindet. D. h. alle für die Aktuierung notwendigen Elektroden sind (durch die Aussparungen) von einer Seite des Chips erreichbar. In diesem Fall ist ein Drahtbonden des fertigen Chips einfacher zu realisieren, weil der Chip nur von einer Seite drahtgebondet werden kann. 7c shows a schematic sectional side view of a MEMS component 70' similar to this, in which the contacting by means of recesses 74 1 to 74 5 is only from one side, that of the wafer 44, for example a cover wafer. Accepting the comparatively deep trenches, the MEMS component 70 can be placed simply on a substrate, since the electrical interconnection from one side can be sufficient. In other words, when the conductive layers are placed on the resistance elements, the electrodes can be contacted in a variety of ways. The electrodes can be contacted from two sides or only from one side. In other words, FIG. 7c shows a sound transducer with linear deflection behavior: It is similar to FIG. 3a, except that the contact is made from one side of the chip. i.e. all electrodes necessary for the actuation are accessible (through the recesses) from one side of the chip. In this case, wire bonding of the finished chip is easier to implement because the chip can only be wire bonded from one side.
Analog zu den Kontaktierungsmöglichkeiten, die in Fig. 7a dargestellt sind, kann auch die Antriebsvariante in Fig. 3a kontaktiert werden. Analogously to the contacting options shown in FIG. 7a, the drive variant in FIG. 3a can also be contacted.
Fig. 8a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauteils 80 gemäß ei- nem Ausführungsbeispiel, bei dem die Teilkavitäten 361 bis 367 lokal in zumindest eine der Schichten 122 und 123 hineinreicht, indem dort Aussparungen 78 vorgesehen sind, bei- spielsweise zwischen benachbarten Öffnungen 381 und 382, 382 und 383 und/oder im Be- reich der Öffnungen 384, 385, 386 und/oder 387. 8a shows a schematic side sectional view of a MEMS component 80 according to an exemplary embodiment, in which the partial cavities 36 1 to 36 7 locally extend into at least one of the layers 12 2 and 12 3 in that cutouts 78 are provided there, for example between adjacent openings 38 1 and 38 2 , 38 2 and 38 3 and/or in the area of the openings 38 4 , 38 5 , 38 6 and/or 38 7 .
Beispielhaft ist die Schicht 121 mit einem Wechselpotenzial UAC bzw. -UAC oder +UAC ver- bindbar, so dass dieses Potenzial auch an den beweglichen Elementen 161 bis 166 anliegen kann. Demgegenüber können die Schichten 122 und 123 mit einem Referenzpotenzial GND verbindbar sein. For example, the layer 12 1 can be connected to an alternating potential U AC or -U AC or +U AC so that this potential can also be present at the movable elements 16 1 to 16 6 . In contrast, the layers 12 2 and 12 3 can be connected to a reference potential GND.
Fig. 8b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 80 aus Fig. 8a mit einer leicht veränderten Konfiguration, in der zwar die beweglichen Elemente indivi- duell oder gruppenweise mit einer Spannung DC oder AC+ verbindbar sind, wie es im Zu- sammenhang mit der Fig. 8a beschrieben ist, bei der das umliegende Substrat der Schicht 121 jedoch mit dem Referenzpotenzial verbunden ist, was eine einfache und sichere Hand- habung des MEMS-Bauelements ermöglichen kann. Optional können anstelle der Ausge- staltung des Substrats zum Verbinden mit dem Referenzpotenzial auch elektrische Isolie- rungen an dem MEMS-Bauelement 80 vorgesehen sein. Fig. 8b zeigt das MEMS- Bauelement 80 in einem Zustand, in dem sich die beweglichen Elemente 161 bis 166 paar- weise innerhalb der Elementarzellen 681 , 682 und 683 aufeinander zubewegt haben, so dass entsprechende Hauptseiten 161A und 162A bzw. 163A und 164A, die Teilkavitäten 362 und 364 begrenzen, aufeinander zubewegt werden. Fig. 8c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements 80 aus Fig. 8b in einem komplementären Zustand, in dem die beweglichen Elemente 161 und 162, 163 und 164 bzw. 165 und 166 einer jeweiligen Elementarzelle 681, 682, 683 voneinander weg- bewegt werden, um einen umgekehrten Fluidfluss zu erzeugen. 8b shows a schematic side sectional view of the MEMS component 80 from FIG 8a is described, in which the surrounding substrate of the layer 12 1 is however connected to the reference potential, which can enable simple and safe handling of the MEMS component. Optionally, instead of designing the substrate for connecting to the reference potential, electrical insulation can also be provided on the MEMS component 80 . Fig. 8b shows the MEMS component 80 in a state in which the movable elements 16 1 to 16 6 have moved in pairs within the unit cells 68 1 , 68 2 and 68 3 toward each other, so that corresponding main sides 16 1 A and 16 2 A or 16 3 A and 16 4 A, which delimit partial cavities 36 2 and 36 4 , are moved towards one another. FIG . 8c shows a schematic side sectional view of the MEMS component 80 from FIG . 68 2 , 68 3 are moved away from each other to create a reverse fluid flow.
In anderen Worten zeigen die Fig. 8a bis 8c Schallwandler mit nicht linearem Auslenkungs- verhalten: Die Fig. 8a-c zeigen einen Aufbau eines MEMS basierten Schallwandlers in drei Auslenkungszuständen. Gleichermaßen ist ein vereinfachter Aufbau mit zwei Elektroden dargestellt. Dabei bilden die Schichten der Deckel-Wafer 123 und Boden-Wafer 124 eine erste Elektrode und die Schicht des Device-Wafer bzw. die passiv auslenkbaren Wider- standselemente eine zweite Elektrode. Die Widerstandselemente sind in dieser Darstellung vereinfacht dargestellt und können andere Querschnitte, beispielsweise die, wie hierin be- schrieben ist. Die Widerstandselemente sind in einer Kavität, die aus der Schicht 121 durch Ätzprozesse herausgearbeitet ist und durch weitere Schichten, die der Deckel- und Boden- wafer sind, angeordnet. Mindestens ein Ende bevorzugt zwei gegenüberliegenden Enden sind mit dem Substrat der Schicht 121 verbunden. Bevorzugt weisen die Schichten Deckel- und Bodenwafer-Strukturierungen auf, die ein großes Volumen der Kavität zur Folge haben. Die Schichten sind über eine isolierende Schicht 321/322 mit der Schicht 121 verbunden. In other words, FIGS. 8a to 8c show sound transducers with non-linear deflection behavior: FIGS. 8a-c show a structure of a MEMS-based sound transducer in three deflection states. Likewise, a simplified two-electrode configuration is shown. The layers of the cover wafer 12 3 and base wafer 12 4 form a first electrode and the layer of the device wafer or the passively deflectable resistance elements form a second electrode. The resistive elements are simplified in this illustration and may have other cross-sections, such as those described herein. The resistance elements are arranged in a cavity, which is worked out of the layer 12 1 by etching processes and through further layers, which are the cover and base wafers. At least one end, preferably two opposite ends, are connected to the substrate of layer 12 1 . The layers preferably have cover and base wafer structures, which result in a large volume of the cavity. The layers are connected to layer 12 1 via an insulating layer 32 1 /32 2 .
Die Widerstandselemente weisen Hauptseiten auf. Hauptseiten sind dadurch gekennzeich- net, dass sie bei benachbarten Widerstandselementen gegenüberliegend angeordnet sind und eine Teilkavitäten 362, 364 und 366 begrenzen, die mit der oberen Auslassöffnung 381- 383 verbunden sind. Entsprechend sind die Gegenseiten der Widerstandselemente dadurch gekennzeichnet, dass sie die Kavitäten 361 , 363, 365 und 367 einschließen, die gleichzeitig mit den unteren Auslassöffnungen 384-387 verbunden sind. Darüber hinaus sind die Ge- genseiten der Widerstandselemente dadurch gekennzeichnet, dass sie die Teilkavitäten 361, 363, 365 und 367 begrenzen, die die Elementarzellen miteinander verbinden. The resistive elements have major faces. Main sides are characterized in that they are arranged opposite one another in adjacent resistance elements and delimit partial cavities 36 2 , 36 4 and 36 6 which are connected to the upper outlet opening 38 1 - 38 3 . Correspondingly, the opposite sides of the resistance elements are characterized by including the cavities 36 1 , 36 3 , 36 5 and 36 7 which are simultaneously connected to the lower outlet openings 38 4 -38 7 . In addition, the opposite sides of the resistance elements are characterized in that they delimit the partial cavities 36 1 , 36 3 , 36 5 and 36 7 which connect the elementary cells to one another.
Die Figur 8a zeigt die Widerstandselemente in einem nicht ausgelenkten Zustand. FIG. 8a shows the resistance elements in a non-deflected state.
Die Figur 8b zeigt die Widerstandselemente in einem ausgelenkten Zustand in einem ersten Zeitintervall bei zusätzlich angelegter Spannung (Kombination zwischen DC und AC) zwi- schen 0 und 100 V, bevorzugt zwischen 1 und 50 V, besonders bevorzugt zwischen 1 und 25 V, etwa 24 V. Hierbei lenken die Widerstandselemente entlang der Bewegungsrichtung 18 aus. Benachbarte Widerstandselemente einer Elementarzelle bewegen sich aufeinan- der zu, sodass sich der Abstand der jeweiligen Hauptseiten verringert und sich damit ein- hergehend auch das Volumen der Teilkavitäten 362, 364, 366 verringert. Durch die Verklei- nerung des Volumens der Teilkavitäten erfolgt ein Abtransport von Fluid aus den Teilkavi- täten durch die Auslassöffnungen 381-383 heraus. Im selben Zeitintervall bewegen sich die Gegenseiten der Widerstandselemente in einer Richtung, sodass die Abstände der Gegen- seiten vergrößert werden. Gleichermaßen wird auch dadurch eingefasste Volumen der Ka- vitäten 361, 363, 365, 367 vergrößert. Der dadurch generierte Volumenstrom befördert Fluid durch die Öffnungen 384-387 in die Teilkavitäten hinein. Figure 8b shows the resistance elements in a deflected state in a first time interval with an additional applied voltage (combination between DC and AC) between 0 and 100 V, preferably between 1 and 50 V, particularly preferably between 1 and 25 V, about 24 V. Here, the resistance elements steer along the direction of movement 18 out. Adjacent resistance elements of an elementary cell move towards one another, so that the distance between the respective main sides decreases and, as a result, the volume of the partial cavities 36 2 , 36 4 , 36 6 also decreases. Due to the reduction in the volume of the partial cavities, fluid is transported out of the partial cavities through the outlet openings 38 1 -38 3 . In the same time interval, the opposite sides of the resistance elements move in one direction, so that the distances between the opposite sides are increased. Equally, the enclosed volume of the cavities 36 1 , 36 3 , 36 5 , 36 7 is also increased as a result. The volume flow thus generated transports fluid through the openings 38 4 -38 7 into the partial cavities.
Die Figur 8c zeigt die Widerstandselemente in einem ausgelenkten Zustand in einem zwei- ten Zeitintervall, dass direkt auf das erste Zeitintervall folgt. Über eine lange Zeit wechseln sich das erste und das zweite Zeitintervall in dieser Reihenfolge ab, sodass Druckimpulse, beispielsweise als Schallwellen, abgestrahlt werden. FIG. 8c shows the resistance elements in a deflected state in a second time interval that directly follows the first time interval. The first and second time intervals alternate in this order over a long period of time, so that pressure pulses, for example as sound waves, are emitted.
In dem zweiten Zeitintervall werden die Widerstandselemente mit einer anderen Spannung (DC+AC) versorgt, deren Phase um z.B. 180° verglichen zur Spannung im ersten Zeitinter- vall verschoben ist, wobei andere Phasenwinkel ebenfalls einstellbar sind. Die Verschie- bung der Phasen kann auch andere Werte größer Null annehmen. Somit bewegen sich die Widerstandselemente entlang der Bewegungsrichtung 18 in eine Richtung, die der Rich- tung im ersten Zeitintervall entgegengesetzt ist. In anderen Worten verringert sich der Ab- stand der Gegenseiten benachbarter Widerstandselemente, wodurch das Volumen der Teilkavitäten 362, 364, 366 vergrößert wird und infolge dessen ein Volumenstrom Fluid durch die Öffnungen 381-383 in die Teilkavitäten hineintransportiert. Gleichermaßen verringert sich der Abstand der Gegenseiten benachbarter Widerstandselemente, sodass ein Volumen- strom Fluid durch die Öffnungen 384-387 aus den Teilkavitäten 361, 363, 365 und 367 hin- ausbefördert. In the second time interval, the resistance elements are supplied with a different voltage (DC+AC), the phase of which is shifted by, for example, 180° compared to the voltage in the first time interval, with other phase angles also being adjustable. The phase shift can also assume other values greater than zero. The resistance elements thus move along the direction of movement 18 in a direction which is opposite to the direction in the first time interval. In other words, the distance between the opposite sides of adjacent resistance elements decreases, as a result of which the volume of the partial cavities 36 2 , 36 4 , 36 6 is increased and as a result of which a volume flow of fluid is transported through the openings 38 1 -38 3 into the partial cavities. The distance between the opposite sides of adjacent resistance elements decreases in the same way, so that a volume flow of fluid conveys out of the partial cavities 36 1 , 36 3 , 36 5 and 36 7 through the openings 38 4 -38 7 .
Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines MEMS- Bauelements 90 gemäß einem Ausführungsbeispiel, beispielsweise in Form der Wafer 42 sowie der Schicht 121. Beispielhaft sind 10 bewegliche Elemente 161 bis 16e dargestellt, die von Teilkavitäten 361 bis 3611 umgeben sein können. Durch das Bezugszeichen 15 ist eine Stufe, Fase oder Abrundung gezeigt, die einen inneren Bereich der beweglichen Elemente 16 gegenüber einem umlaufenden Bereich der restlichen Schicht 121 zurücksetzt bzw. in der Höhe reduziert, so dass bei anschließenden Bondingverfahren, etwa zum Anordnen des Wafers 44, ein mechanischer Kontakt zu den beweglichen Elementen 16 unterbleibt. In anderen Worten zeigt die Fig. 9 in einer perspektivischen Darstellung einen MEMS- basierten Schallwandler. Dargestellt sind die Schichten, die die passiven Widerstandsele- mente enthalten und die Schicht (Bodenwafer), die mit den Schichten 22b1/22b2 verbunden ist. Nicht dargestellt ist die Schicht, die den Deckelwafer umfasst. Gleichermaßen ist die Ausgestaltung der Schichten 22b1 und 22b2 dargestellt, die fingerartig ineinandergreifen und somit im Bereich der auslenkbaren passiven Elemente nebeneinander angeordnet sind. Elektrisch getrennt sind die Schichten 22b1/22b2 durch den Bereich 28, der eine elekt- rische Isolierung darstellt. Dabei weisen die Schichten 122 und 121 voneinander abwei- chende Dicken auf. Beispielsweise hat die Schicht 122 eine Dicke von 400 μm. Die Dicke der Schicht 121 kann beispielsweise Werte zwischen 400 μm und 5 mm aufweisen. Mit 72i sind die Kontaktierungen in der Schicht 121 offenbart, die mit weiteren Kontaktierungen in der nicht dargestellten Schicht die Ansteuerung mit den elektrisch leitfähigen Schichten 22b1/22b2 verbinden. Die Ansteuersignale werden dann mittels geeigneter Kontaktierungen 72 in die Zonen der jeweiligen Bereiche der Schichten 22b1 und 22b2 verteilt. FIG. 9 shows a schematic perspective view of parts of a MEMS component 90 according to an embodiment, for example in the form of the wafer 42 and the layer 12 1 . By way of example, 10 movable elements 16 1 to 16e are shown, which can be surrounded by partial cavities 36 1 to 36 11 . Reference number 15 shows a step, chamfer or rounding which sets back an inner area of the movable elements 16 compared to a peripheral area of the remaining layer 12 1 or reduces it in height, so that during subsequent bonding processes, for example for arranging the wafer 44 , A mechanical contact to the movable elements 16 is omitted. In other words, FIG. 9 shows a MEMS-based sound transducer in a perspective view. Shown are the layers containing the passive resistance elements and the layer (bottom wafer) connected to layers 22b 1 /22b 2 . The layer that includes the cover wafer is not shown. The configuration of the layers 22b 1 and 22b 2 is likewise shown, which interlock like fingers and are thus arranged next to one another in the area of the deflectable passive elements. The layers 22b 1 /22b 2 are electrically separated by the region 28, which represents electrical insulation. The layers 12 2 and 12 1 have different thicknesses. For example, the layer 12 2 has a thickness of 400 μm. The thickness of the layer 12 1 can have values between 400 μm and 5 mm, for example. The contacts in the layer 12 1 are disclosed by 72i, which connect the control to the electrically conductive layers 22b 1 /22b 2 with further contacts in the layer (not shown). The control signals are then distributed into the zones of the respective areas of the layers 22b 1 and 22b 2 by means of suitable contacts 72 .
Ein weiterer Aspekt dieses Ausführungsbeispiels sind die Anordnungen der Öffnungen 38. In diesem Ausführungsbeispiel verbinden diese Öffnungen die Kavitäten 36 (in anderen Worten Trenche oder Aussparungen) mit dem umgebenden Fluid. Diese Öffnungen sind in diesem Ausführungsbeispiel rechteckig dargestellt. Die jeweilige Kavitäten 36 sind in die- sem Ausführungsbeispiel mit zwei Öffnungen verbunden, die jeweils einen diskreten Ab- stand zueinander einnehmen. Gleichermaßen ist es aber auch möglich, dass eine Öffnung eine Länge über die gesamte Länge des passiven Widerstandselements oder eine davon abweichende Länge einnimmt. Gleichermaßen sind die Ausführungsbeispiele auch nicht auf eine rechteckige Form eingeschränkt. Weitere Formen, die von einer rechteckigen Form abweichen, sind Bestandteil von Ausführungsbeispielen, die hier lediglich genannt sein sol- len. Another aspect of this embodiment is the placement of the openings 38. In this embodiment, these openings connect the cavities 36 (in other words, trenches or recesses) to the surrounding fluid. These openings are shown as rectangular in this embodiment. In this exemplary embodiment, the respective cavities 36 are connected to two openings which are each at a discrete distance from one another. Equally, however, it is also possible for an opening to have a length over the entire length of the passive resistance element or a length deviating therefrom. Likewise, the exemplary embodiments are not limited to a rectangular shape either. Other shapes that deviate from a rectangular shape are part of exemplary embodiments that should only be mentioned here.
Mit dem Zeichen 15 ist auf eine umlaufende Stufe oder Fase oder Abrundung Bezug ge- nommen, die zwischen der Schicht 121 und dem Substrat der Widerstandselemente ange- ordnet ist. Mit einem Höhenunterschied von ca. 100 nm ist das Substrat der Widerstandse- lemente gegenüber dem Substrat 121 geringfügig eingelassen, um zu verhindern, dass beim notwendigen Bondingvorgang der Deckel-Schicht die Widerstandselemente ver- spannt werden. Gleichermaßen kann die Stufe auch im Bereich der Bondingzone der Schicht 122 vorgesehen werden. Fig. 10 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Verglichen mit anderen hierin beschriebenen Ausfüh- rungsbeispielen sind dabei die beweglichen Elemente 161 bis 199 lediglich einseitig fest eingespannte Elemente, wobei beispielhaft einander benachbarte bewegliche Elemente an gegenüberliegenden Seiten fest eingespannt sind und im Sinne von Interdigitalelementen angeordnet sein können. Das bedeutet, hierin beschriebene Ausführungsbeispiele sind nicht auf beidseitig eingespannte bewegliche Elemente limitiert. The reference 15 refers to a circumferential step or chamfer or rounding which is arranged between the layer 12 1 and the substrate of the resistance elements. With a height difference of approximately 100 nm, the substrate of the resistance elements is slightly embedded in relation to the substrate 12 1 in order to prevent the resistance elements from being strained during the necessary bonding process of the cover layer. Equally, the step can also be provided in the area of the bonding zone of the layer 12 2 . 10 shows a schematic perspective view of a MEMS device 100 according to an embodiment. Compared to other exemplary embodiments described here, the movable elements 16 1 to 19 9 are elements that are only clamped on one side, for example adjacent movable elements that are clamped on opposite sides and can be arranged in the sense of interdigital elements. This means that exemplary embodiments described herein are not limited to movable elements clamped on both sides.
In anderen Worten zeigt Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines MEMS-basierten Schallwandlers 100, der einseitig mit dem umgebenden Substrat der Schicht 121 verbun- dene auslenkbare Widerstandselemente 161 bis 169 aufweist, wobei auch hier eine Anzahl der Widerstandselemente beliebig ausgestaltet werden kann. In other words, FIG. 10 shows a further exemplary embodiment of a MEMS-based sound transducer 100, which has deflectable resistance elements 16 1 to 16 9 connected on one side to the surrounding substrate of layer 12 1 , it also being possible for any number of resistance elements to be designed here .
Fig. 11 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines MEMS-Bauelements 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel bzw. eines Teils hiervon, nämlich der Schicht 122, die sowohl Öffnungen 38 als auch Interdigital-Elektroden 22b1 und 22b2 aufweisen kann, die Kontaktierungen 721 bis 7212 aufweisen können, die die Elektroden 22b1 und 22b2 beispiels- weise durchstoßen können, wie es im Zusammenhang mit der Fig. 7b beispielhaft erläutert ist. Fig. 11 shows a schematic perspective view of a MEMS component 110 according to an embodiment or a part thereof, namely the layer 12 2 , which can have both openings 38 and interdigital electrodes 22b 1 and 22b 2 , the contacts 72 1 to 72 12 , which can pierce the electrodes 22b 1 and 22b 2 , for example, as explained in connection with FIG. 7b by way of example.
Ferner können Abstandshalter 84a und/oder 84b vorgesehen sein, die einen Abstand, ins- besondere einen minimalen Abstand, zwischen dem die Schicht 122 überstreichenden be- weglichen Element und dem beweglichen Element selbst begrenzen können. Die Abstands- halter können beispielsweise aus elektrisch isolierendem Material gebildet sein und können vermeiden, dass ein Deckelwafer und/oder ein Bodenwafer bei dem Wafer-Level-Bonding mit der Finne großflächig gebondet werden, da ihre Abmaße verhältnismäßig klein sind, im Bereich weniger Mikrometer. Die Abstandshalter können als Transport-Sicherung benutzt werden. Beispielsweise können die Abstandshalter 84a und/oder 84b z. B. in einer be- stimmten Flusssäure-Kombination, etwa HF-GPE (GPE = Gas-Phase Etching, Gaspha- senätzung) vor der Inbetriebnahme des Chips entfernt. Abstandshalter sind optional und können auch lediglich auf einem Teil der beweglichen Elemente vorgesehen sein. Furthermore, spacers 84a and/or 84b can be provided, which can limit a distance, in particular a minimum distance, between the movable element sweeping over the layer 12 2 and the movable element itself. The spacers can be formed from electrically insulating material, for example, and can prevent a cover wafer and/or a base wafer from being bonded to the fin over a large area during wafer-level bonding, since their dimensions are relatively small, in the range of a few micrometers. The spacers can be used as a transport lock. For example, the spacers 84a and/or 84b can be e.g. B. in a certain hydrofluoric acid combination, such as HF-GPE (GPE = Gas-Phase Etching, gas-phase etching) removed before the chip is put into operation. Spacers are optional and can also be provided only on part of the movable elements.
In anderen Worten zeigt Fig. 11 in einer perspektivischen Ansicht die Schicht 122 eines MEMS-basierten Schallwandlers und konkretisiert die Ausführung der Beschreibung der Fig. 9. Fig. 12a zeigt eine schematische Aufsicht auf Teile eines MEMS-Bauelements 1201 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Beispielhaft ist die Elektrode 22b2 rechteckig geformt und in etwa mittig über einen Zwischenraum zwischen zwei benachbarten beweglichen Elementen 161 und 162 angeordnet, wie es beispielsweise auch in der Fig. 2a dargestellt ist. Die be- weglichen Elemente 161 und 162 können beispielsweise kammförmig gebildet sein. In other words, FIG. 11 shows the layer 12 2 of a MEMS-based sound transducer in a perspective view and substantiates the implementation of the description of FIG. 12a shows a schematic plan view of parts of a MEMS device 120 1 according to an embodiment. By way of example, the electrode 22b 2 has a rectangular shape and is arranged approximately centrally across an intermediate space between two adjacent movable elements 16 1 and 16 2 , as is also shown, for example, in FIG. 2a. The movable elements 16 1 and 16 2 can be formed, for example, in the shape of a comb.
Fig. 12b zeigt eine schematische Draufsicht auf Teile eines MEMS-Bauelements 1202, bei dem die beweglichen Elemente 161 und 162 beispielsweise als Hohlkörper gebildet sein können, was Materialeinsparungen ermöglicht. Unabhängig hiervon kann die Elektrode 22b2 beispielsweise konkav ausgestaltet sein. 12b shows a schematic plan view of parts of a MEMS component 120 2 , in which the movable elements 16 1 and 16 2 can be formed as hollow bodies, for example, which allows material savings. Irrespective of this, the electrode 22b 2 can have a concave design, for example.
Fig. 12c zeigt eine schematische Draufsicht auf Teile eines MEMS-Bauelements 12O3, bei dem die beweglichen Elemente 161 und 162 als Vollkörper gebildet sind und unabhängig hiervon die Elektrode 22b2 als konvex geformt gebildet ist. Die unterschiedlichen Details der Fig. 12a, 12b und 12c können ohne weiteres miteinander kombiniert werden. Das be- deutet, dass die Elektroden der an dem Substrat angeordneten Antriebsstrukturen entlang eines axialen Verlaufs senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung eine konstante oder verän- derliche laterale Abmessung, also parallel zu der Ebenenrichtung 18, aufweisen können. Gleiches gilt auch für die Elektroden an den beweglichen Elementen bzw. in den bewegli- chen Elementen. 12c shows a schematic plan view of parts of a MEMS component 12O3, in which the movable elements 16 1 and 16 2 are formed as solid bodies and, independently of this, the electrode 22b 2 is formed as convex in shape. The different details of FIGS. 12a, 12b and 12c can easily be combined with one another. This means that the electrodes of the drive structures arranged on the substrate can have a constant or variable lateral dimension along an axial course perpendicular to the layer sequence direction, ie parallel to the plane direction 18 . The same also applies to the electrodes on the movable elements or in the movable elements.
Die Fig. 12a-12c zeigen in anderen Worten in einer Draufsicht auf einen Bereich einer al- ternativen Elementarzelle verschiedene Ausführungsbeispiele der auslenkbaren Wider- standselemente. Dabei zeigt Fig. 12a eine kammförmige Ausgestaltung. Fig. 12b zeigt eine konkave Ausgestaltung des auslenkbaren Widerstandselements und der beispielhaft dar- gestellten Schicht 22b2. Weiterhin ist dargestellt, dass die Widerstandselemente auch dünn- wandige Körper sein können, die im Bereich der Flächenschwerpunktfaser kein Material aufweisen. Die Fig. 12c zeigt dagegen eine konvex ausgestaltete Form der dargestellten Komponenten der Elementarzelle. Vorteilhaft werden diese Ausgestaltungen dann zum Einsatz kommen, wenn beispielsweise eine bestimmte Kraft während der Auslenkung er- forderlich ist und die Steifigkeit der Widerstandselemente optimiert werden muss (z.B. mi- nimiert). Oder es gibt erhöhte Anforderungen an einen möglichst spannungsfreien Über- gang zwischen Widerstandselement und dem umgebenden Substrat, sodass eine Verbrei- terung des Widerstandselementes im Bereich des Übergangs sinnvoll ist. Gleichermaßen kann auf die Form der Auslenkung eines Widerstandselementes Einfluss genommen wer- den. Es ist für einen Fachmann nachvollziehbar, dass ein hohl ausgeführtes Widerstand- selement einen größeren Leichtbaucharakter aufweist als ein gefülltes Widerstandsele- ment. Somit kann durch die geometrische Gestaltung der Widerstandselemente unmittelbar Einfluss auf die Performance eines Schallwandlers genommen werden. Es ist unbestreit- bar, dass verschiedene Ausgestaltungen auch in einem MEMS Wandler kombinierbar sind. In other words, FIGS. 12a-12c show different exemplary embodiments of the deflectable resistance elements in a plan view of an area of an alternative elementary cell. 12a shows a comb-shaped configuration. 12b shows a concave configuration of the deflectable resistance element and the layer 22b 2 shown as an example. Furthermore, it is shown that the resistance elements can also be thin-walled bodies that have no material in the area of the centroid fiber. FIG. 12c, on the other hand, shows a convex shape of the represented components of the unit cell. These refinements are used advantageously when, for example, a specific force is required during the deflection and the rigidity of the resistance elements has to be optimized (eg minimized). Or there are increased requirements for a transition between the resistance element and the surrounding substrate that is as stress-free as possible, so that it makes sense to widen the resistance element in the area of the transition. Equally, the shape of the deflection of a resistance element can be influenced the. It is understandable for a person skilled in the art that a hollow resistance element has a greater light-weight character than a filled resistance element. Thus, the performance of a sound transducer can be directly influenced by the geometric design of the resistance elements. It is undeniable that different configurations can also be combined in a MEMS converter.
Fig. 13 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht von Teilen eines MEMS-Bauelements 130 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Dort ist beispielsweise die Schicht 122 und/oder die Schicht 123 elektrisch leitfähig gebildet und mittels elektrisch isolierender Elemente oder Bereiche bzw. Segmentierungen 92 in unterschiedliche Segmente oder Bereiche unterteilt, die in voneinander verschiedene Potenziale 86a/86b bzw. 88a/88b beaufschlagt werden können, während die Schicht 121 mit beispielhaft H-förmigen beweglichen Elementen 161 und 162 mit einem Referenzpotenzial beaufschlagt werden kann. Es können beispielsweise das Potenzial 86a AC- sein und das Potenzial 86b AC+ und/oder es können wechselweise an unterschiedliche Segmente ein Gleichspannungs-Potenzial angelegt werden. Selbiges gilt für die Potenziale 88a/88b. 13 shows a schematic side sectional view of parts of a MEMS device 130 according to an embodiment. There, for example, the layer 12 2 and/or the layer 12 3 is electrically conductive and divided into different segments or areas by means of electrically insulating elements or areas or segmentations 92, which are subjected to different potentials 86a/86b or 88a/88b can, while the layer 12 1 with, for example, H-shaped movable elements 16 1 and 16 2 can be subjected to a reference potential. For example, the potential 86a can be AC- and the potential 86b AC+ and/or a DC voltage potential can be applied alternately to different segments. The same applies to the potentials 88a/88b.
In anderen Worten zeigt Fig. 13 ein Widerstandselement mit linearem Auslenkungsverhal- ten. Dabei zeigt die Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 8a-c. Unter- schiedlich ist die H-förmige Ausführung der Widerstandselemente und die doppelte Poten- tialführung in Deckel- bzw. Bodenwafer: In other words, FIG. 13 shows a resistance element with a linear deflection behavior. FIG. 13 shows a further exemplary embodiment according to FIGS. 8a-c. The H-shaped design of the resistance elements and the double potential management in the cover and base wafer are different:
Widerstandselement mit linearem Auslenkungsverhalten: Damit ist gemeint, dass mit Anle- gen einer Spannung auf 121; 86, 88 elektrische Kräfte entstehen. Wenn die Spannungen 86a/86b bzw. 88a/88b gleich sind, entsteht ein Gleichgewicht zwischen den Kräften und das Widerstandselement bewegt sich nicht. Wenn aber die Spannung zwischen 86a/86b bzw. 88a/88b unterschiedlich werden, dann entsteht ein Ungleichgewicht und das Wider- standselement bewegt sich linear in eine Richtung. Wenn die Spannung zwischen 86a/86b bzw. 88a/88b umgedreht wird, dann bewegt sich das Widerstandselement linear in der ent- gegengesetzten Richtung. Vorteilhaft ergibt sich dadurch ein sehr großes Volumen der um- gebenden Kavität, womit ein großer Schalldruckpegel des resultierenden Schallwandlers möglich ist. Hierzu ist aber auch eine große Kraft bei großer Auslenkung der Widerstand- selemente notwendig. Weshalb dieser Aufbau einen linearen Zusammenhang zwischen der aufzubringenden Auslenkungskraft und der angelegten Spannung ermöglicht. Fig. 14 zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements 140 ge- mäß einem Ausführungsbeispiel, das in Übereinstimmung mit dem MEMS-Bauelement 130 sein kann. Anders als das MEMS-Bauelement 130 kann das MEMS-Bauelement 140 je- doch Block-förmige oder massive bewegliche Elemente 161 und 162 aufweisen. Resistance element with linear deflection behavior: This means that when a voltage is applied to 12 1 ; 86, 88 electrical forces arise. When the stresses 86a/86b or 88a/88b are equal, the forces balance and the resistance element does not move. However, if the voltage between 86a/86b or 88a/88b becomes different, then an imbalance arises and the resistance element moves linearly in one direction. If the voltage between 86a/86b or 88a/88b is reversed, then the resistance element moves linearly in the opposite direction. This advantageously results in a very large volume of the surrounding cavity, with which a high sound pressure level of the resulting sound transducer is possible. However, this also requires a large force with a large deflection of the resistance elements. Which is why this structure enables a linear relationship between the deflection force to be applied and the applied voltage. FIG. 14 shows a schematic side sectional view of a MEMS device 140 according to an embodiment that may be consistent with the MEMS device 130. FIG. However, unlike MEMS device 130, MEMS device 140 may include block-shaped or solid moveable elements 16 1 and 16 2 .
In anderen Worten zeigt die Fig. 14 ein Widerstandselement mit linearem Auslenkungsver- halten, die Fig. 14 konkretisiert dabei die Fig. 13 mit massiven Widerstandselementen. In other words, FIG. 14 shows a resistance element with a linear deflection behavior, FIG. 14 concretising FIG. 13 with solid resistance elements.
Fig. 15a zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS 150 gemäß einem Aus- führungsbeispiel, bei dem die isolierenden Schichten 321 und 322 ebenso wie beispielhafte Elektrodenschichten 221 und 222 umlaufend um die Schichten 122 und 123 gebildet sind, ebenso wie eine elektrisch isolierende Schicht 323 um die Schicht 121. Hierdurch kann ein einfaches Wafer-Bonding ermöglicht werden. 15a shows a schematic side sectional view of a MEMS 150 according to an embodiment in which the insulating layers 32 1 and 32 2 as well as exemplary electrode layers 22 1 and 22 2 are formed circumferentially around the layers 12 2 and 12 3 as well as one electrically insulating layer 32 3 around layer 12 1 . In this way, simple wafer bonding can be made possible.
In anderen Worten zeigt die Fig. 15a in einer Querschnittsdarstellung ein Ausführungsbei- spiel eines MEMS basierten Schallwandlers. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt den MEMS Schallwandler in einem Verfahrensschritt seiner Herstellung. Hier ist sichtbar, dass Ab- standhalter 84 in senkrechter Richtung beidseitig mit den Widerstandselementen verbun- den sind. Diese Abstandhalter stellen Kraftableitungspunkte dar, die es ermöglichen, eine gleichmäßige Bondung der Schichten 121 zu realisieren. In einem weiteren Arbeitsschritt im Herstellungsprozess werden diese Abstandhalter dann entfernt. Gleichermaßen ist es vorstellbar, dass diese Abstandhalter gleichzeitig eine Transportsicherung sind, die einen schädigungsfreien Transport während des Fertigungsverfahrens ermöglichen. Es ist vor- stellbar, dass diese Abstandhalter auch erst bei der ersten Beaufschlagung mit einem Sig- nal zerstört werden und somit eine Transportsicherung über den gesamten B2B Prozess darstellt. Weil auf dem Chip viele solche Abstandshalter vorhanden sind, es ist möglich sie unterschiedlich groß zu gestalten, so dass bei der Entfernung der Abstandshalter gezielt nur einige entfernt werden, andere bleiben noch bestehen: die kleineren Abstandshalter werden entfernt und die größeren bleiben bestehen. Das würde ermöglichen gezielt nur bestimmte Widerstandselemente zu befreien (releasen) bzw. beweglich zu machen. Auf diese Art und Weise, könnte man den gleichen Chip für unterschiedliche Anwendungen verwenden bzw. releasen/freigeben (mit mehr oder weniger freie Widerstandselemente). In other words, FIG. 15a shows an exemplary embodiment of a MEMS-based sound transducer in a cross-sectional representation. This exemplary embodiment shows the MEMS sound transducer in a method step of its manufacture. It can be seen here that spacers 84 are connected to the resistance elements on both sides in the vertical direction. These spacers represent force dissipation points that make it possible to achieve uniform bonding of the layers 12 1 . In a further step in the manufacturing process, these spacers are then removed. It is equally conceivable that these spacers are at the same time a means of securing during transport, which enables damage-free transport during the manufacturing process. It is conceivable that these spacers are only destroyed when a signal is applied to them for the first time and thus represent a transport safeguard throughout the entire B2B process. Because there are many such spacers on the chip, it is possible to design them of different sizes, so that when removing the spacers, only some are specifically removed, while others remain: the smaller spacers are removed and the larger ones remain. This would make it possible to specifically free (release) only certain resistance elements or make them flexible. In this way, one could use or release the same chip for different applications (with more or less free resistive elements).
Fig. 15b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Zwischenprodukts 150‘ für ein MEMS-Bauelement gemäß hierin beschriebener Ausführungsbeispiele. Dargestellt ist, dass in einem Mittenbereich Material 94 verbleibt, wenn eine Ätzung von einer ersten Seite 961 und einer zweiten Seite 962 aus vorgenommen wird, um Vertiefungen 981 bis 988 zu erhalten. Sobald die Ätzung derart fortgeschritten ist, dass sich die gegenüberliegenden Vertiefungen treffen und das Material 94 herausgelöst ist, können dadurch bewegliche Ele- mente herausgelöst werden. Beispielsweise kann es sich bei dem Zwischenprodukt 150' auch um ein bereits gebondetes Wafer-Exemplar handeln und/oder um einen Wafer mit hoher Dicke, bei dem aufgrund der beidseitigen Ätzung ein verdoppeltes Aspektverhältnis herstellbar ist. 15b shows a schematic side sectional view of an intermediate product 150' for a MEMS device according to embodiments described herein. Material 94 is shown remaining in a center region when etching from a first side 96 1 and a second side 96 2 to obtain indentations 98 1 to 98 8 . As soon as the etching has progressed to such an extent that the opposing indentations meet and the material 94 has been detached, movable elements can be detached as a result. For example, the intermediate product 150' can also be an already bonded wafer example and/or a wafer with a high thickness, in which a doubled aspect ratio can be produced due to the etching on both sides.
Die Fig. 15b zeigt in einer Schnitdarstellung ein Ausführungsbeispiel eines Wandlers. Diese Darstellung dient nicht der Beanspruchung eines Verfahrens zur Herstellung eines MEMS. Es zeigt vielmehr den Vorteil eines derartigen Aufbaus, wie er durch die Vorrichtung beansprucht ist. Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung ist, dass die Widerstandselemente symmetrisch ausgebildet sein müssen um eine gleichmäßige Verformung während des Be- wegungsverfahrens zu gewährleisten. Ein unsymmetrischer Aufbau führt zu dem eben be- schriebenen ungleichmäßigen Verformungsverhalten. Es würde dadurch kein linearer Zu- sammenhang zwischen angelegter Spannung und Auslenkung des Widerstandselements mehr vorliegen, wodurch ein hoher Klirrfaktor resultiert. Ein unsymmetrischer Aufbau resul- tiert aus der angewendeten Methode im Ätzprozess. Durch das Herausarbeiten von Mate- rial zur Bildung von Aussparungen, Trenchen/Gräben oder Kavitäten entstehen keine pa- rallelen Berandungen, sondern immer trichterartige Aussparungen. Die Breite der Ausspa- rung ist an deren Sohle (Unterseite) immer geringer als an deren Oberseite. 15b shows an exemplary embodiment of a converter in a sectional view. This illustration is not intended to claim any method of fabricating a MEMS. Rather, it shows the advantage of such a construction as claimed by the device. An important aspect of this invention is that the resistance elements must be symmetrical in order to ensure uniform deformation during the movement process. An asymmetrical structure leads to the non-uniform deformation behavior just described. As a result, there would no longer be a linear relationship between the applied voltage and the deflection of the resistance element, resulting in a high distortion factor. An asymmetrical structure results from the method used in the etching process. By working out material to form recesses, trenches/trench or cavities, there are no parallel boundaries, but always funnel-like recesses. The width of the recess is always smaller at the base (bottom) than at the top.
Die Ätzrichtung und das anschließende Verbinden von Wafern bestimmt also maßgeblich die Ausbildung der Widerstandselemente. The direction of etching and the subsequent bonding of wafers thus largely determines the formation of the resistance elements.
Gleichermaßen ist durch Fig. 15b dargestellt, dass eine Stapelung von Widerstandsele- menten möglich ist um das resultierende Aspektverhältnis des Wandlerelements zu erhö- hen, ohne dass die Einschränkungen, die die angewendete Boschmethode Einfluss darauf haben. Likewise, it is illustrated by FIG. 15b that a stacking of resistive elements is possible in order to increase the resulting aspect ratio of the transducer element without the limitations affecting the Bosch method being used.
Dargestellt ist, dass die Device-Wafer Ätzung von 2 Seiten (Vorder- und Rückseite) statt- gefunden hat, um das Aspektverhältnis der Wiederstandelemente zu vergrößern. Dabei zeigen: It shows that the device wafer was etched from 2 sides (front and back) in order to increase the aspect ratio of the resistor elements. show:
981-984 Schicht mit einer Ätzrichtung von der Vorderseite; 985-988 Schicht mit einer Ätzrichtung von der Rückseite, 98 1 -98 4 layer with an etching direction from the front side; 98 5 -98 8 layer with an etching direction from the back,
• die Schicht 94 ist nur schematisch dargestellt, um zu zeigen, dass die Ätzungen sich irgendwann treffen werden; 94 ist im Endprodukt nicht mehr vorhanden. • layer 94 is shown only schematically to show that the etches will eventually meet; 94 is no longer present in the final product.
Die Vorteile für die Ätzung von 2 Seiten: die Finnen sind symmetrisch relativ zur Ebene, die durch die erste und zweite Rich- tung aufgespannt ist. Damit sind die dargestellten Flächen 96F1 und 96F2 gleich groß und die aufzubringenden elektrischen Kräfte die die Widerstandselemente in Bewegungsrichtung auslenken gleich groß. Eine gleichmäßige Auslenkung um den gleichen Betrag ist somit gewährleistet. The advantages for etching from 2 sides: the fins are symmetrical relative to the plane that is spanned by the first and second direction. The areas 96F 1 and 96F 2 shown are therefore of the same size and the electrical forces to be applied, which deflect the resistance elements in the direction of movement, are of the same size. A uniform deflection by the same amount is thus guaranteed.
Erfolgt die Ätzung beider Schichten von nur einer Seite sind die Flächen 96F1 und 96F2 nicht gleichmäßig ausgebildet oder weichen in ihrem Flächeninhalt sogar von- einander ab. Eine ungleichmäßige Auslenkung der Widerstandselemente wäre die Folge. If both layers are etched from only one side, the surfaces 96F 1 and 96F 2 are not formed uniformly or even differ from one another in terms of their surface area. The result would be an uneven deflection of the resistance elements.
- Verdopplung des Aspektverhältnis der Aussparungen (in anderen Worten Trenche, Gräben) auf 60. Durch die Stapelung der Widerstandselemente sind die resultieren- den Wandlerelemente nicht mehr auf die Boschmethode limitiert. - Doubling of the aspect ratio of the recesses (in other words, trenches) to 60. Due to the stacking of the resistance elements, the resulting converter elements are no longer limited to the Bosch method.
Fig. 15c zeigt eine schematische Seitenschnittansicht eines Teils eines MEMS- Bauelements 150“ gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die beweglichen Elemente 161 und 162 können dabei beispielhaft durch Aufeinanderstapelung von Strukturen ähnlich dem Zwi- schenprodukt 150' erhalten werden, indem mehrere dieser Zwischenprodukte aufeinander- gestapelt werden, etwa mittels Waferbonding. Dabei ist anzumerken, dass in der Fig. 15c lediglich zwei der drei in Fig. 15b erhaltbaren beweglichen Elemente dargestellt sind. Durch eine dementsprechende Vergrößerung des Aspektverhältnisses durch Aneinanderfügen entlang der Ebenenrichtung 14 kann eine Erhöhung des beispielsweise mittels einer Laut- sprecher-Konfiguration des MEMS-Bauteils erhaltbaren Effizienz erhalten werden, etwa da der Schalldruckpegel (Sound Pressure Level - SPL) entsprechend vergrößert wird. Darüber hinaus ermöglicht eine Stapelung entlang der Schichtfolgenrichtung M eine hohe Steifigkeit entlang dieser Richtung, was zu einer geringeren Anfälligkeit für sogenannte für Pull-In- Effekte führen kann und somit eine geringere Haltekraft oder eine geringere vertikale Aus- lenkung parallel zur Schichtfolgenrichtung 14 führen kann, was vorteilhaft ist. Es ist somit eine Struktur gezeigt, bei der das bewegliche Element eine Mehrzahl mittels eines Bond- prozesses verbundene Schichten aufweist. 15c shows a schematic side sectional view of a part of a MEMS device 150'' according to an embodiment. The movable elements 16 1 and 16 2 can be obtained, for example, by stacking structures similar to the intermediate product 150′, in that several of these intermediate products are stacked on top of one another, for example by means of wafer bonding. It should be noted that only two of the three movable elements obtainable in FIG. 15b are shown in FIG. 15c. By increasing the aspect ratio accordingly by joining along the plane direction 14, an increase in the efficiency that can be obtained, for example, by means of a loudspeaker configuration of the MEMS component can be obtained, for example since the sound pressure level (Sound Pressure Level - SPL) is correspondingly increased. In addition, stacking along the layer sequence direction M enables high rigidity along this direction, which leads to a lower susceptibility to so-called pull-in Effects can lead and thus a lower holding force or a lower vertical deflection can lead parallel to the layer sequence direction 14, which is advantageous. A structure is thus shown in which the movable element has a plurality of layers connected by means of a bonding process.
Zur Erhöhung des SPL ist es, wie in Fig. 15c dargestellt, möglich, mehrere Schichten mit- einander zu verbinden. So kann das das Aspektverhältnis von den Trenchen bzw. Wider- standselemente theoretisch stark erhöht werden. Hier bevorteilt über die „Durchgängigkeit“ der Device-Ebene im Vergleich zu den im Stand der Technik berichteten notwendigen Stützschichten (bspw. Handle-Wafer in BSOI Wafern). In order to increase the SPL, it is possible, as shown in FIG. 15c, to connect several layers to one another. Theoretically, the aspect ratio of the trenches or resistance elements can be greatly increased. In this case, the “continuity” of the device level is advantageous in comparison to the required support layers (e.g. handle wafers in BSOI wafers) reported in the prior art.
Anhand der Fig. 16a, 16b und 16c wird eine Konfiguration verdeutlicht, bei der die Elektro- den an dem beweglichen Element mitels N-Dotierung in den Elektroden 22a1 und 22f1 bzw. mittels p-Dotierung in den Elektroden 22a2 und 22f2 erhalten werden können. Bei einer Be- schaltung der Schicht 122 und/oder 123, gegebenenfalls unter lokaler Verringerung des Ab- stands, mit einem Referenzpotenzial, etwa 0V, GND, kann eine Referenzposition erhalten werden. Bei einer negativen Spannung in den Schichten 122 und 123 kann aufgrund der Akkumulation beweglicher positiver Löcher in den Bereichen 22f2 und 22a2 eine Kraft auf das bewegliche Element 16 ausgeübt werden, das die Elektroden 22a2 und 22f2 in den Bereich geringen Abstands zu einer äußeren negativen Spannung (AC-) führt. In Fig. 16c ist eine komplementäre Konfiguration dargestellt, bei der aufgrund einer positiven Span- nung an den Schichten 122 und 123 die hohe Anzahl beweglicher negativer Elektroden, die in den Bereichen 221 und 22a1 akkumuliert sind, in Richtung der Oberflächentopographie 52 zu bewegen. A configuration is illustrated with reference to FIGS. 16a, 16b and 16c, in which the electrodes on the movable element are provided with n-doping in the electrodes 22a 1 and 22f 1 or with p-doping in the electrodes 22a 2 and 22f 2 can be obtained. A reference position can be obtained when the layer 12 2 and/or 12 3 is connected, possibly with a local reduction of the distance, to a reference potential, for example 0V, GND. With a negative voltage in the layers 12 2 and 12 3 , a force can be exerted on the movable element 16, which pushes the electrodes 22a 2 and 22f 2 into the closely spaced region, due to the accumulation of movable positive holes in the regions 22f 2 and 22a 2 leads to an external negative voltage (AC-). In Fig. 16c a complementary configuration is shown, in which due to a positive voltage on the layers 12 2 and 12 3 the high number of movable negative electrodes, which are accumulated in the areas 22 1 and 22a 1 , in the direction of the surface topography 52 to move.
Eine Akkumulation eines beweglichen negativen Elektrons kann auch eine Verarmung ei- nes unbeweglichen positiven Ions und umgekehrt entsprechen. Aufgrund einer Verarmung neben einer Akkumulation kann eine Raumladungszone entstehen. An accumulation of a mobile negative electron can also correspond to a depletion of an immobile positive ion and vice versa. A space charge zone can arise due to a depletion in addition to an accumulation.
Elektrisch isolierende Schichten 1021 und 1022, etwa umfassend Siliziumnitrid oder Silizi- umoxid können angeordnet sein, um die Oberflächenzustände zu neutralisieren und einen möglichst neutralen Zustand des beweglichen Elements 16 zu erhalten. Electrically insulating layers 102 1 and 102 2 , for example comprising silicon nitride or silicon oxide, can be arranged in order to neutralize the surface states and to obtain a state of the movable element 16 which is as neutral as possible.
Die Fig. 16a-c zeigen jeweils einen alternativen Antrieb mit linearen Auslenkungsverhalten und auf Basis eines Deckelantriebs. Vorteilhaft kann durch diese Konfiguration der übliche lineare Aufbau, der drei Elektroden vorsieht verbessert werden. Maßgeblich ist in allen drei Darstellungen offenbart, dass mit dem auslenkbaren Element eine Schicht verbunden ist, die N- und P-dotierte Bereiche enthält, die benachbart angeordnet sind und jeder für sich mit dem auslenkbaren Element verbunden sind. Die Schichten sind Deckel- und Boden- wafer, die im Bereich der auslenkbaren Elemente eine Ausstülpung 52 vorsehen. Diese Ausstülpungen sind stoffschlüssig mit dem Deckel- und Bodenwafer verbunden und weisen einen minimalen Abstand zum auslenkbaren Element auf, sodass ein akustischer Kurz- schluss zwischen den Teilkavitäten, die an das auslenkbare Element angrenzen, unterbun- den ist. Die Fig. 16a zeigt die Vorrichtung in einem nicht ausgelenkten Zustand, bei dem keine Spannung angelegt ist. 16a-c each show an alternative drive with linear deflection behavior and based on a cover drive. This configuration can advantageously improve the usual linear structure, which provides three electrodes. It is important in all three Figures disclose that connected to the deflectable element is a layer that includes N- and P-doped regions that are adjacently arranged and individually connected to the deflectable element. The layers are cover and base wafers, which provide a protuberance 52 in the area of the deflectable elements. These protuberances are materially connected to the cover and base wafer and are at a minimal distance from the deflectable element, so that an acoustic short circuit between the partial cavities that adjoin the deflectable element is prevented. Figure 16a shows the device in an undeflected state with no voltage applied.
Die Fig. 16b zeigt den alternativen Antrieb in einem ersten Auslenkungszustand. Die Aus- lenkung des auslenkbaren Elements basiert auf dem Field Effekt. In der Figur ist die Aus- lenkung in eine erste Richtung dargestellt. Die Auslenkung basiert darauf, dass eine nega- tive Spannung AC- an dem Deckel- und Bodenwafer angelegt ist. Durch den Fieideffekt entsteht im P-Bereich eine Akkumulation der Ladungsträger (bewegliche Löcher/+ direkt am Interface zum Oxid, 10-20 nm Tiefe). Damit einhergehend entsteht im N Bereich eine verarmte Zone (unbeweglich Ionen/-, 1-2 μm tiefe). Die größte Kapazitätsänderung, die gleichbedeutend mit der Auslenkungskraft ist, entsteht, wenn die Finne im P Bereich mit dem Deckel überlappt. 16b shows the alternative drive in a first deflection state. The deflection of the deflectable element is based on the field effect. The figure shows the deflection in a first direction. The deflection is based on a negative voltage AC- being applied to the top and bottom wafers. Due to the field effect, the charge carriers accumulate in the P region (movable holes/+ directly at the interface to the oxide, 10-20 nm deep). This is accompanied by a depleted zone (immobile ions/-, 1-2 μm deep) in the N range. The largest change in capacitance, which is equivalent to the deflection force, occurs when the fin overlaps the lid in the P region.
Die Fig. 16c zeigt den alternativen Antrieb in einem zweiten Auslenkungszustand. Die Aus- lenkung des auslenkbaren Elements basiert auf dem Field Effekt. In der Figur ist die Aus- lenkung in eine zweite Richtung dargestellt. Die Auslenkung basiert darauf, dass eine po- sitive Spannung AC+ an dem Deckel- und Bodenwafer angelegt ist. Durch den Fieideffekt entsteht im N-Bereich der Schichten eine Akkumulation der Ladungsträger (bewegliche Lö- cher/+ direkt am Interface zum Oxid, 10-20 nm Tiefe). Damit einhergehend entsteht im P Bereich der Schichten eine verarmte Zone (unbeweglich Ionen/-, 1-2 μm tiefe). Die größte Kapazitätsänderung, die gleichbedeutend mit der Auslenkungskraft ist, entsteht, wenn die Finne im P Bereich mit dem Deckel überlappt. 16c shows the alternative drive in a second deflection state. The deflection of the deflectable element is based on the field effect. The figure shows the deflection in a second direction. The deflection is based on a positive voltage AC+ being applied to the top and bottom wafers. Due to the field effect, the charge carriers accumulate in the N region of the layers (mobile holes/+ directly at the interface to the oxide, 10-20 nm deep). This is accompanied by a depleted zone (immobile ions/-, 1-2 μm deep) in the P region of the layers. The largest change in capacitance, which is equivalent to the deflection force, occurs when the fin overlaps the lid in the P region.
Anhand der Fig. 17a, 17b und 17c ist ein komplementärer Zustand angedeutet, bei dem die an den Schichten 122 bzw. 123 angeordnete bzw. dort integrierten n-dotieren Bereiche 22C1 und 22b1 neben p-dotieren Bereichen 22c2 bzw. 22b2 angeordnet sind. Diese können von elektrisch isolierenden Schichten 1021 und/oder 1022 bedeckt sein. Das bewegliche Element 16 kann dabei elektrisch leitfähig gebildet sein, beispielsweise ebenfalls über eine entsprechende Dotierung. Basierend auf dem Anlegen einer negativen Spannung AC- oder einer positiven Spannung AC+ kann eine Bewegung des beweglichen Elements 16 hin zu den n-dotierten Bereichen 22C1 und 22b1 bzw. hin zu dem p-dotierten Bereichen 22b2 und 22C2 ausgelöst werden. A complementary state is indicated with reference to FIGS. 17a, 17b and 17c, in which the n-doped regions 22 C1 and 22 b 1 arranged on the layers 12 2 and 12 3 or integrated there, in addition to p-doped regions 22 c 2 and 22b 2 are arranged. These can be covered by electrically insulating layers 102 1 and/or 102 2 . In this case, the movable element 16 can be formed to be electrically conductive, for example also via a corresponding doping. Based on the application of a negative voltage AC- or a positive voltage AC+, a movement of the movable element 16 towards the n-doped regions 22 C1 and 22b 1 or towards the p-doped regions 22b 2 and 22 C2 can be triggered.
In anderen Worten zeigen die Fig. 17a-c einen zu den Fig. 16a-c alternativen Antrieb, ba- sierend auf dem Field Effect, bei dem die dotierten Schichten in dem Deckelwafer und dem Bodenwafer integriert sind. In other words, FIGS. 17a-c show an alternative drive to FIGS. 16a-c, based on the field effect, in which the doped layers are integrated in the cover wafer and the base wafer.
Fig. 18a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement 180 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Gegensatz zu anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispie- len ist das bewegliche Element mit der MEMS-Schicht 123, die in der Fig. 18a nicht darge- stellt ist, mechanisch über einen elastischen Bereich verbunden. Der elastische Bereich kann dabei eine hierfür angeordnete Schicht, eine verbleibende Schicht oder ein extra hier- für vorgesehenes Material umfassen. Das bewegliche Element ist ausgebildet, um basie- rend auf der Antriebskraft eine Rotationsbewegung oder Verformung des elastischen Be- reichs auszuführen. 18a shows a schematic plan view of a MEMS device 180 according to an embodiment. In contrast to other exemplary embodiments described herein, the movable element is mechanically connected to the MEMS layer 12 3 , which is not shown in FIG. 18a, via an elastic region. The elastic area can include a layer arranged for this purpose, a remaining layer or a material provided especially for this purpose. The movable member is configured to rotate or deform the elastic portion based on the driving force.
In einem Bereich 104 kann dabei beispielsweise der elastische Bereich vorgesehen sein, The elastic area can be provided in an area 104, for example,
Fig. 18b zeigt eine schematische Seitenschnittansicht in der A-A‘-Ebene der Fig. 18a. Auf- grund der mechanischen und elastischen Verbindung in dem Bereich 104 kann das beweg- liche Element 162 ebenso wie die anderen beweglichen Elemente, die mit der Schicht 123 verbunden sind, die Bewegung benachbart zu der Schicht 122 ausführen und zwar ähnlich einer Schaukelbewegung oder Wipp-Bewegung, so dass benachbart zu der Schicht 122 eine hohe Bewegungsamplitude und im Bereich der Schicht 123 eine geringe Bewegungs- amplitude, dafür mit hoher Materialdehnung, erfolgen kann. Fig. 18b shows a schematic side sectional view in the AA' plane of Fig. 18a. Due to the mechanical and elastic connection in the region 104, the movable element 16 2 as well as the other movable elements connected to the layer 12 3 can perform the movement adjacent to the layer 12 2 similar to a rocking movement or rocking movement, so that adjacent to the layer 12 2 there can be a high movement amplitude and in the region of the layer 12 3 a small movement amplitude, but with high material stretching.
Vorteilhaft einer derartigen Konfiguration ist, dass lediglich zwei anstelle von drei aktiven Scheiben/Wafern benötigt werden und hierfür keine zusätzlichen Schichten vorzusehen sind, etwa im Bereich des Deckels 123. The advantage of such a configuration is that only two instead of three active disks/wafers are required and no additional layers need to be provided for this, for example in the area of the cover 12 3 .
Wie es im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen erläutert ist, kann eine An- triebseinrichtung in vielfältiger Weise implementiert werden, etwa indem Elektroden an Schicht 122 und/oder dem beweglichen Element 162 vorgesehen werden und/oder indem bspw. dotierte Bereiche angeordnet werden. Elektroden an einer der Schicht 122 zuge- wandten Seite, einer Stirnseite, des beweglichen Elements 162 können als Stirn-Antrieb bezeichnet werden. Ein solcher Antrieb von der Stirn-Seite bildet damit eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. In anderen Worten kann die Finne, das bewegliche Element 162, von der Stirnseite der Finnen ausgehend angetrieben werden, indem der Device-Wafer entsprechend ausgelegt ist. Bspw. kann die erste Antriebsstruktur zumindest stirnseitig an einer Stirnseite des beweglichen Elements angeordnet sein. Bspw. können Elektroden kön- nen an oder in der Schicht 121 angeordnet sein. Eine Positionierung kann beispielsweise stirnseitig zwischen dem beweglichen Element 162 und der Seite der Schicht 121, die den Stirnseiten der beweglichen Elemente zugeordnet ist. Eine Höhe der Elektroden kann dabei der Höhe des beweglichen Elements entsprechen oder geringer sein. As explained in connection with other embodiments, a driving device can be implemented in a variety of ways, such as by providing electrodes on layer 12 2 and/or the movable element 16 2 and/or by For example, doped areas are arranged. Electrodes on a side facing the layer 12 2 , an end face, of the movable element 16 2 can be referred to as an end drive. Such a drive from the front side thus forms an embodiment of the present invention. In other words, the fin, the movable element 16 2 , can be driven starting from the end face of the fin by designing the device wafer accordingly. For example, the first drive structure can be arranged at least on the end face of an end face of the movable element. For example, electrodes can be arranged on or in the layer 12 1 . Positioning can be done, for example, face-to-face between the movable element 16 2 and the side of the layer 12 1 associated with the faces of the movable elements. A height of the electrodes can correspond to the height of the movable element or be less.
In anderen Worten zeigen die Fig. 18a und 18b in einer Draufsicht und einer Seitenansicht einen alternativen Aufbau eines Schallwandlers. Maßgeblich unterscheidet sich dieser durch die Verbindung des Auslenkbaren Elements mit dem Deckelwafer in einem Bereich 104. Diese Verbindung ist besonders bevorzug stoffschlüssig ausgeführt. Mit 18 ist die al- ternative Bewegungsrichtung, senkrecht zur lateralen Ausdehnung des Widerstandsele- mentes dargestellt. Dabei erfolgt die größte Auslenkung im Bereich des Bodenwafers. Die geringste Auslenkung findet im Bereich 104, dem Verbindungsbereich des Widerstandse- lements zum Deckelwafer statt. Der Verbindungsbereich 104 kann eine Steifigkeit aufwei- sen, die von der Steifigkeit des Deckelwafers und des Widerstandselements abweicht und bevorzugt geringer ist. In diesem Fall ist der Verbindungsbereich 104 ein Federelement. Die entstehenden Teilkavitäten, die durch die Widerstandselemente voneinander abge- trennt sind, sind durch Öffnungen im Bodenwafer und Deckelwafer (nicht dargestellt) mit dem umgebenden Fluid verbunden. In other words, FIGS. 18a and 18b show an alternative structure of a sound transducer in a plan view and a side view. This differs significantly by the connection of the deflectable element to the cover wafer in a region 104. This connection is particularly preferably implemented as a material bond. The alternative direction of movement, perpendicular to the lateral extension of the resistance element, is shown at 18 . The greatest deflection occurs in the area of the bottom wafer. The smallest deflection occurs in area 104, the connection area of the resistance element to the cover wafer. The connection area 104 can have a rigidity that deviates from the rigidity of the cover wafer and the resistance element and is preferably lower. In this case, the connection area 104 is a spring element. The resulting sub-cavities, which are separated from one another by the resistance elements, are connected to the surrounding fluid through openings in the base wafer and cover wafer (not shown).
Ein Verfahren gemäß hierin beschriebener Ausführungsbeispiele ist anhand eines schema- tischen Flussdiagramms in Fig. 19 beschrieben. Ein Schritt 1910 des Verfahrens 1900 kann ein Ansteuern zweier entlang einer Schichtfolgenrichtung, entlang der eine Vielzahl von MEMS-Schichten des MEMS-Bauelements angeordnet sind, angeordneter Antriebsstruk- turen umfassen. Ein Schritt 1920 umfasst ein Erzeugen einer Antriebskraft, an einem be- weglichen Element des MEMS-Bauelements senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung durch das Ansteuern, um das MEMS-Bauelement auszulenken. A method based on exemplary embodiments described herein is described using a schematic flowchart in FIG. A step 1910 of the method 1900 can include driving two drive structures arranged along a layer sequence direction along which a multiplicity of MEMS layers of the MEMS component are arranged. A step 1920 includes generating a driving force on a movable element of the MEMS device perpendicular to the layer sequence direction by driving to deflect the MEMS device.
Das Verfahren kann dabei so ausgeführt werden, dass im Sinne einer sogenannten „aus- geglichenen, balanced” oder linearen Ansteuerung zwei benachbarte Elektrodenelemente der Antriebseinrichtung, die durch einen Elektrodenspalt elektrisch voneinander isoliert sind, eine symmetrische und/oder lineare Auslenkung des beweglichen Elements ange- steuert wird, indem die Elektrodenelemente im zeitlichen Mittel symmetrisch bezüglich der angelegten Potenziale um ein Referenzpotenzial, etwa GND, angesteuert werden. Alterna- tiv kann das Verfahren auch asymmetrisch bzw. un-balanced oder nicht-linear ausgeführt werden, indem die Auslenkung des beweglichen Elements asymmetrisch im zeitlichen Mit- tel entlang einer Aktuierungsrichtung bezüglich einer entgegengesetzten Richtung asym- metrisch angesteuert wird. Dies kann durch unterschiedliche Potenzialniveaus und/oder unterschiedliche Zeitintervalle erhalten werden. The method can be carried out in such a way that two adjacent electrode elements are controlled in the sense of a so-called “balanced” or linear control of the drive device, which are electrically insulated from one another by an electrode gap, a symmetrical and/or linear deflection of the movable element is controlled by the electrode elements being controlled symmetrically over time with respect to the applied potentials around a reference potential, such as GND. Alternatively, the method can also be carried out asymmetrically or unbalanced or non-linearly, in that the deflection of the movable element is controlled asymmetrically in the time average along an actuation direction with respect to an opposite direction. This can be obtained by different potential levels and/or different time intervals.
Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikroelektromechani- sche Systeme, MEMS, die ausgelegt sind, um eine große wirksame Fläche zur Interaktion mit einem Fluid aufzuweisen. Hierbei steht eine Vergrößerung der wirksamen Fläche von auslenkbaren Verdrängungselementen in manchen Ausführungen im Vordergrund. Die Verdrängungselemente, die beweglichen Elemente 16, können in Kontakt mit einem umge- benden Fluid stehen und mit diesem direkt oder indirekt interagieren. Beispielsweise kann bei Mikrolautsprechern, die mit einem derartigen MEMS ausgestattet sind, ein hoher Schall- druckpegel in Bezug zur Oberflächengröße des MEMS erzeugt werden. Gleichermaßen sind aber auch ein Einsatz als Mikropumpen, Ultraschallwandler oder anderweitigen MEMS-basierten Anwendungen im Rahmen hierin beschriebener Ausführungsbeispiele möglich, da diese durch die Aufgabe des Bewegens von Fluid miteinander verbunden sind. The exemplary embodiments described herein relate to microelectromechanical systems, MEMS, which are designed to have a large effective area for interaction with a fluid. Here, an increase in the effective area of deflectable displacement elements is in the foreground in some designs. The displacement elements, the movable elements 16, can be in contact with a surrounding fluid and interact with it directly or indirectly. For example, in the case of micro loudspeakers equipped with such a MEMS, a high sound pressure level can be generated in relation to the surface area of the MEMS. Equally, however, use as micropumps, ultrasonic transducers or other MEMS-based applications is also possible within the scope of the exemplary embodiments described herein, since these are connected to one another by the task of moving fluid.
Kernaspekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend noch einmal in anderen Wor- ten zusammengefasst. Ausführungsbeispiele lösen dabei das Problem der Strukturierungs- limitierung in bestehenden Ätzprozessen, d. h., eine Begrenzung der geometrischen Auflö- sung, etwa dünnste zu ätzende Gräben, bei volumenbearbeitenden Verfahren wie etwa Elektroerosion, Lithographie, galvanische Abformung, Nano-Stempeln, Fräsen oder ande- rer Sl-Strukturierungen, für die Darstellung feldgetriebener Antriebseffekte, etwa elektrosta- tisch oder elektromagnetisch in der Ebene. Core aspects of the present invention are summarized again below in other words. Exemplary embodiments solve the problem of structuring limitations in existing etching processes, i. That is, a limitation of the geometric resolution, such as the thinnest trenches to be etched, in volume-processing processes such as electroerosion, lithography, galvanic molding, nano-stamping, milling or other SI structuring, for the representation of field-driven drive effects, such as electrostatic - table or electromagnetic in the plane.
Die „Bosch“ Si-Strukturierungsmethode limitiert das Aspektverhältnis (Tiefe zu Breite) von geätzten Si-Strukturen auf typisch 30. Bei den jetzigen Varianten für Mikrolautsprecher, (NED, Muskel, Kamm) ist die Strukturierung von elektrostatisch auslenkbaren Elementen (Antriebskraft) als auch die Strukturierung von passiven Elementen (Widerstandstrukturen, Verdrängungselementen, fluidischen Widerstandsstrukturen), die den Füllfaktor der Chip- fläche beschreiben durch die Boschmethode limitiert. Antriebskraft und Füllfaktor sind die Hauptparameter, um einen höheren Schalldruckpegel (Sound Pressure Level - SPL) pro Chipfläche (SPL/mm2) in Mikrolautsprechern zu erreichen. Daher müssen neue einfachere Antriebsvarianten gefunden werden, die nicht durch das Aspektverhältnis der Boschme- thode limitiert sind und z.B. 100 dB/mm2, oder höher ermöglichen. The "Bosch" Si structuring method limits the aspect ratio (depth to width) of etched Si structures to typically 30. With the current variants for micro loudspeakers (NED, muscle, comb), the structuring of electrostatically deflectable elements (driving force) as well as the structuring of passive elements (resistance structures, displacement elements, fluidic resistance structures), which describe the fill factor of the chip area, is limited by the Bosch method. Driving force and fill factor are the Key parameters to achieve higher Sound Pressure Level (SPL) per chip area (SPL/mm 2 ) in microspeakers. Therefore, new, simpler drive variants must be found that are not limited by the aspect ratio of the Bosch method and allow, for example, 100 dB/mm 2 or higher.
Die Lösung der Erfindung ist durch die Vorrichtung und das Verfahren zum Auslenken eines oder mehrerer Widerstandselemente in Kapitel 6 dieser Erfindungsbeschreibung darge- stellt. Die Lösung beinhaltet eine Vorrichtung, die ein MEMS Schallwandler als Schichtsys- tem enthält. Kern der Erfindung ist: The solution of the invention is represented by the device and the method for deflecting one or more resistance elements in Chapter 6 of this description of the invention. The solution includes a device that contains a MEMS sound transducer as a layered system. The core of the invention is:
Erhöhung der Antriebskraft: Die Antriebskraft des neuen Antriebes ist nicht mehr durch das Aspektverhältnis der Boschmethode limitiert. Grundgedanke ist die Aus- führung des Elektrodenspaltes durch den Bondprozess von mindestens zwei Schei- ben. Der aktive Elektrodenspalt kann so unabhängig von Limitierungen des Bosch- prozesses besonders klein eingestellt und damit eine große Kraft erzeugt werden. Dieser Spalt wird zwischen der einen zu bondenden Scheibe und der anderen er- zeugt. Es ist dann das aktiv bewegliche Element (bspw. eine Balkenstruktur) in der ersten zu bondenden Scheibe (Devicewafer) gegenüber der anderen zu bondenden Scheibe (Deckel- oder Bodenwafer) über den Spalt beabstandet. Der Antrieb gene- riert sich über den Spalt somit entlang des Umfanges bzw. Teilen des Umfanges des aktiv beweglichen Elementes. Increase in drive power: The drive power of the new drive is no longer limited by the aspect ratio of the Bosch method. The basic idea is to create the electrode gap by bonding at least two discs. In this way, the active electrode gap can be set particularly small, regardless of the limitations of the Bosch process, and a large force can thus be generated. This gap is created between the one pane to be bonded and the other. The actively movable element (e.g. a beam structure) in the first wafer to be bonded (device wafer) is then spaced apart across the gap from the other wafer to be bonded (top or bottom wafer). The drive is thus generated via the gap along the circumference or parts of the circumference of the actively movable element.
In einer Ausführung („Deckel-Antrieb“) ist die Kraft durch den vertikalen Abstand von Deckel- bzw. Bodenwaferoberseite zur Devicewaferoberseite definiert. Den Ab- stand zwischen Deckel- und Device-Wafer kann man unabhängig von der Bosch- methode definieren und somit größere Aspektverhältnisse bzw. größere Antriebs- kräfte mit dem Deckel-Antrieb erreichen. Der Antrieb findet hier entlang der Längs- kanten an der Oberseite und oder Unterseite des aktiv beweglichen Elementes (als oberen unterer Teil des Umfanges) als am Nächsten liegende Elektrodenseite zum Deckel und oder Boden statt In one embodiment ("cover drive"), the force is defined by the vertical distance from the top of the cover or base wafer to the top of the device wafer. The distance between the lid and device wafer can be defined independently of the Bosch method and thus larger aspect ratios or larger drive forces can be achieved with the lid drive. The drive takes place here along the longitudinal edges on the upper side and/or lower side of the actively movable element (as the upper lower part of the circumference) as the closest electrode side to the cover and/or base
In einer Ausführung („Stirn-Antrieb“) ist die Kraft zwischen aktiv beweglichem Ele- ment (bspw. längliches Klappenelement) und Deckel oder Boden durch den latera- len Abstand beider gebondeter Scheiben bestimmt. Es werden die beiden Scheiben zumindest teilweise ineinandergreifen. Der Antrieb findet folglich entlang von Stirn- selten (seitlicher Teil des Umfanges der aktiv beweglichen Strukturen) statt. Vorteil- haft kann hier gegenüber dem Deckel-Antrieb auf zusätzliche leitfähige Schichten verzichtet werden. In one version (“end drive”), the force between the actively moving element (e.g. elongated flap element) and the cover or base is determined by the lateral distance between the two bonded panes. The two discs will at least partially mesh. Consequently, the drive takes place along front rarely (lateral part of the circumference of actively moving structures). Compared to the cover drive, additional conductive layers can be dispensed with here.
Es können auch mehrere Device zusammen gestapelt werden, i.e. alle Scheiben haben aktiv auslenkbare Elemente Several devices can also be stacked together, i.e. all disks have actively deflectable elements
Erhöhung des Füllfaktors: Der Füllfaktor eines, z.B. Mikrolautsprecher ist durch das Maximum zwischen dem Füllfaktor des Aktors und dem Füllfaktor der Widerstand- strukturen in der Verdrängungsebene (Deviceebene) gekennzeichnet. Wenn die Füllfaktoren von den beiden Komponenten des Mikrolautsprechers z.B. durch die Boschmethode limitiert sind, dann wird ist es schwierig den Füllfaktor des Mikrolaut- sprechers beliebig zu erhöhen. Deshalb ist es wichtig den Füllfaktor des Aktors als auch der Widerstandsstrukturen unabhängig von der Boschmethode zu machen. In dem Deckel-Antrieb ist der Füllfaktor des Aktors als auch der Widerstandstrukturen- Ebene unabhängig von der Boschmethode. Increasing the fill factor: The fill factor of a micro-loudspeaker, for example, is characterized by the maximum between the fill factor of the actuator and the fill factor of the resistance structures in the displacement level (device level). If the fill factors of the two components of the micro-speaker are limited, e.g. by the Bosch method, then it becomes difficult to arbitrarily increase the fill factor of the micro-speaker. It is therefore important to make the fill factor of the actuator and the resistance structures independent of the Bosch method. In the lid drive, the fill factor of the actuator as well as the resistance structure level is independent of the Bosch method.
Der Deckelantrieb kann gegenüber dem bekannten Stand der Technik bspw. dadurch ge- kennzeichnet sein, dass zwischen einem Deckelwafer und der Schicht, die fluidische Wi- derstandselemente enthält, eine elektrisch leitfähige Schicht angeordnet ist. Gleicherma- ßen ist eine weitere elektrisch leitfähige Schicht zwischen der gleichen Schicht, die Wider- standselemente enthält und einem Bodenwafer angeordnet. Compared to the known prior art, the cover drive can be characterized, for example, in that an electrically conductive layer is arranged between a cover wafer and the layer containing fluidic resistance elements. Likewise, another electrically conductive layer is arranged between the same layer containing resistance elements and a bottom wafer.
Mit Widerstandselement ist im Sinne dieser Beschreibung kein elektrischer Widerstand ge- meint, sondern ein Widerstandselement, dass mit einem umgebenden Fluid interagiert, etwa das bewegliche Element 16. In anderen Worten kann dieses Widerstandselement auch als Verdrängungselement, Finne oder aktiver oder passiver Aktor bezeichnet werden. In the context of this description, a resistance element does not mean an electrical resistance, but a resistance element that interacts with a surrounding fluid, such as the movable element 16. In other words, this resistance element can also be referred to as a displacement element, fin or active or passive actuator.
Die erste und die zweite elektrische Schicht können so strukturiert werden, dass innerhalb der zwei elektrischen Schichten ein oder mehrere voneinander getrennte elektrische Span- nungen angelegt werden können. Wenn nur eine Spannung (pro Deckel/Bodenwafer) not- wendig ist (von der Anwendung abhängig), können die Deckel- bzw. Boden-Wafer selbst als erste und zweite elektrische Schicht verwendet werden. The first and the second electrical layer can be structured in such a way that one or more electrical voltages that are separate from one another can be applied within the two electrical layers. If only one voltage (per top/bottom wafer) is required (depending on the application), the top/bottom wafers themselves can be used as the first and second electrical layers.
Wenn zwei oder mehr Spannungen (pro Deckel/Bodenwafer) notwendig sind (von der An- wendung abhängig) gilt Folgendes: Die erste und zweite elektrisch leitfähige Schicht ist mechanisch fest, über eine isolierende Verbindungsschicht mit den Schichten der Deckel- oder Bodenwafer verbunden. Die Haupt- seiten dieser elektrisch leitfähigen Schichten sind den jeweils benachbarten Schichten des Deckel- und Bodenwafers abgewandt und einander gegenseitig zugewandt. Zwischen bei- den Hauptseiten der elektrisch leitfähigen Schichten ist eine weitere Schicht angeordnet aus der eine Kavität durch Sl-Strukturierungsmethoden herausgebildet ist. Diese Kavität umgibt, bezogen auf die Ebene der Schicht, die parallel zur Schicht der Deckel- und Hand- lingwafer angeordnet ist, mindestens ein Widerstandselement. Vergleichbar zur Kavität sel- ber ist ein Widerstandselement durch Sl-Strukturierungsmethoden aus einem dotierten Halbleitermaterial herausgebildet und unterteilen die Kavität in Teilkavitäten. If two or more voltages (per lid/bottom wafer) are necessary (depending on the application) the following applies: The first and second electrically conductive layers are mechanically strong and connected to the layers of the top or bottom wafers via an insulating connecting layer. The main sides of these electrically conductive layers face away from the respectively adjacent layers of the top and bottom wafer and face one another. A further layer is arranged between the two main sides of the electrically conductive layers, from which a cavity is formed by SI structuring methods. In relation to the plane of the layer, which is arranged parallel to the layer of cover and handling wafers, this cavity surrounds at least one resistance element. Comparable to the cavity itself, a resistance element is formed from a doped semiconductor material by SI structuring methods and subdivides the cavity into partial cavities.
Mit dem Deckel Antrieb ist sowohl ein linearer Betrieb, als auch ein nicht linearer Betrieb realisierbar. Wobei sich die Ausführungsbeispiele mit linearem Auslenkungsverhalten und nicht linearen Auslenkungsverhalten voneinander unterscheiden. Bevorzugtes Ausfüh- rungsbeispiel sind Antriebe mit linearem Auslenkungsverhalten. Linear operation as well as non-linear operation can be implemented with the cover drive. The exemplary embodiments with linear deflection behavior and non-linear deflection behavior differ from one another. Preferred exemplary embodiments are drives with linear deflection behavior.
In anderen Worten: Mit dem Deckel-Antrieb kann sowohl ein „balanced actor“ (linearer Ak- tor) als auch ein „nicht balanced actor“ realisiert werden. In other words: With the cover drive, both a “balanced actor” (linear actuator) and a “non-balanced actor” can be implemented.
Mit dem „balanced actor“ linearen Betrieb/ linearen Auslenkungsverfahren/ lineares Aus- lenkungsverhalten ist folgendes gemeint: bei Anlegung einer elektrischen Spannung auf den ersten und zweiten leitfähigen Schichten entstehen elektrische Kräfte zwischen den leitfähigen Schichten und den Widerstandselementen. Wenn die Spannung auf allen leitfähigen Schichten gleich groß ist, entsteht ein Gleichgewicht zwischen den elektrischen Kräften und das Wi- derstandselement bewegt sich nicht. The following is meant by the "balanced actor" linear operation/linear deflection method/linear deflection behavior: when an electrical voltage is applied to the first and second conductive layers, electrical forces arise between the conductive layers and the resistance elements. When the voltage is the same on all conductive layers, the electrical forces balance and the resistive element does not move.
Wenn aber die Spannung innerhalb der ersten bzw. der zweiten leitfähigen Schich- ten nicht gleich ist (Spannung 1 und Spannung 2), dann entsteht ein Ungleichge- wicht und das Widerstandselement bewegt sich linear in eine oder andere Richtung. Wenn Spannung 1 und Spannung 2 sich gegenphasig ändern (eine nimmt zu und die andere nimmt ab), dann wirken auf jedem Widerstandselement zwei elektrische Kräfte 1 und 2, die in entgegengesetzten Richtungen wirken und demensprechend nehmen eine Kraft zu und die andere ab. Die resultierende Kraft (F1 +F2) ist linear abhängig von der den angelegten Spannungen 1 und 2. Das führt dazu, dass auch die Bewegung des Widerstandselementes linear von der Spannung abhängt. Die Linearität zwischen dem angelegten elektrischen Signal und der Auslenkung des Widerstandselementes hat Einfluss auf den Klang eines Lautsprechers. Je linearer der Zusammenhang, umso geringer der Klirrfaktor. Je linearer der Zusammenhang um besser kann der Klang durch die Lautsprecher reproduziert werden. However, if the voltage within the first and second conductive layers is not equal (voltage 1 and voltage 2), then an imbalance arises and the resistive element moves linearly in one direction or the other. When voltage 1 and voltage 2 change in phase opposition (one increases and the other decreases), then two electric forces 1 and 2 acting in opposite directions act on each resistive element and accordingly one force increases and the other decreases. The resulting force (F1 +F2) is linear depending on the applied voltages 1 and 2. This means that the movement of the resistance element also depends linearly on the voltage. The linearity between the applied electrical signal and the deflection of the resistive element affects the sound of a loudspeaker. The more linear the relationship, the lower the distortion factor. The more linear the connection, the better the sound can be reproduced by the loudspeakers.
Mit dem „nicht balanced actor“ nicht linearen Betrieb/ nicht linearen Auslenkungsverfahren ist folgendes gemeint: The "unbalanced actor" non-linear operation / non-linear deflection method means the following:
- Auf den Widerstandselementen wirkt nur eine Kraft (nicht zwei) in eine bestimmte Richtung. Diese Kraft hängt quadratisch von der Spannung ab, bzw. die Bewegung des Widerstandselementes hängt quadratisch von der Spannung ab. D.h. zwischen Spannung und Bewegung des Widerstandselementes ist keine lineare Abhängig- keit. Dem entsprechend leidet die Qualität des Klanges. In anderen Worten ist der Klirrfaktor des Lautsprechers, im Vergleich zu einem Lautsprecher mit einem linear betriebenen Schallwandler deutlich höher. - Only one force (not two) acts on the resistance elements in a specific direction. This force depends quadratically on the voltage, or the movement of the resistance element depends quadratically on the voltage. This means that there is no linear dependency between the voltage and the movement of the resistance element. Accordingly, the quality of the sound suffers. In other words, the distortion factor of the loudspeaker is significantly higher compared to a loudspeaker with a linearly operated sound transducer.
Ein „nicht balanced actor" (nicht linearen Betrieb/ nicht linearen Auslenkungsverfah- ren) ist normalerweise einfacher technologisch zu realisieren, weil auf den leitfähi- gen Schichten nur eine Spannung angelegt werden muss (nicht zwei oder mehr). D.h. die leitfähigen Schichten müssen nicht strukturiert werden. In einem Ausfüh- rungsbeispiel könnte sogar auf den leitfähigen Schichten komplett verzichtet wer- den, so dass die notwendige Spannung direkt auf dem Deckel- bzw. Bodenwafer angelegt werden kann. In diesem Fall können die Deckel- und Bodenwafer struktu- riert sein, siehe Fig. 8a-c. A "non-balanced actor" (non-linear operation/non-linear deflection method) is usually easier to implement technologically because only one voltage has to be applied to the conductive layers (not two or more). I.e. the conductive layers do not have to In one exemplary embodiment, the conductive layers could even be dispensed with completely, so that the necessary voltage can be applied directly to the cover or base wafer.In this case, the cover and base wafers can be structured , see Fig. 8a-c.
Vorteilhaft kann die ermöglichte dichte Packung im Kerngedanken der Erfindung mit einem Mikroresonatoraufbau kombiniert werden, sodass die Schallabstrahlung im Bereich niedri- ger Frequenz verbessert wird. Advantageously, the dense packing that is made possible in the core idea of the invention can be combined with a microresonator structure, so that the sound radiation in the low-frequency range is improved.
In anderen Worten sind die Elektroden und alle korrespondierenden Teilelemente in einer oder mehreren Schichten gebildet. Die elektrische Isolation der Teilelektroden erfolgt durch einen Abstand 28, der beispielsweise Oxid oder Nitrid, beispielsweise SiO2, Si3N4 oder AL2O3 umfassen kann. Ein Verfahren zur Ansteuerung und Auslenkung der Widerstandselemente und damit auch die Interaktion mit dem umgebenden Fluid kann zwischen den unterschiedlichen bewegli- chen Elementen, an einem Wafer aufgehängt oder von beiden Wafern freigelegt, gleich sein. In other words, the electrodes and all corresponding partial elements are formed in one or more layers. The partial electrodes are electrically insulated by a distance 28, which can include, for example, oxide or nitride, for example SiO 2 , Si 3 N 4 or Al 2 O 3 . A method for controlling and deflecting the resistance elements and thus also the interaction with the surrounding fluid can be the same between the different movable elements, suspended on one wafer or exposed by both wafers.
Vorteile hierin beschriebener Deckel-Antriebe liegen darin, dass The advantages of the cover drives described here are that
1 . die Kraft des Aktuators durch den Spalt zwischen beweglichem Element und Boden- wafer oder Deckelwafer bei der Bondung zwischen den Wafern kontrolliert werden kann und aber beispielsweise nicht durch eine Ätzmethode bestimmt ist. Damit fällt die Limitierung, beispielsweise der Boschmethode auf ein Aspektverhältnis von in etwa 30, weg. Das heißt, der Aktuator kann mit einem Aspektverhältnis von größer 30 hergestellt werden. 1 . the force of the actuator can be controlled through the gap between the movable element and the base wafer or cover wafer during the bonding between the wafers and is not determined by an etching method, for example. This eliminates the limitation, for example of the Bosch method to an aspect ratio of around 30. That is, the actuator can be made with an aspect ratio greater than 30.
2. Ferner kann auf die Verwendung von BSOI-Wafern verzichtet werden. Für den De- ckelwafer oder den Bodenwafer als auch für den Device-Wafer, die Schicht 121 , kön- nen standardisierte Si-Wafer verwendet werden, die wesentlich günstiger sind. 2. Furthermore, the use of BSOI wafers can be dispensed with. Standardized Si wafers, which are significantly cheaper, can be used for the cover wafer or the base wafer as well as for the device wafer, the layer 12 1 .
3. Darüber hinaus können Gegensätze zu klassischen NED (Nanoscopic Elektrostatic Drive) oder Kammantrieben ein BSOI-Wafer verwendbar, der herkömmlich allerdings nicht von zwei Seiten bearbeitet werden kann, um das Aspektverhältnis zu vergrö- ßern. Bei der Herstellung eines hierin beschriebenen Deckelantriebs können sowohl BSOI-Wafer als auch Wafer beidseitig bearbeitet werden, damit die Gräben zwischen den Widerstandsstrukturen, die mit der Boschmethode hergestellt werden, ein dop- peltes Aspektverhältnis, von beispielsweise 2×30 aufweisen können, d. h., in etwa 60. Wenn mehrere Device-Wafer zusammengebondet werden, kann das Aspektverhält- nis weiter vergrößert werden, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit den Fig. 15b und 15c beschrieben ist. So kann beispielsweise ein Aspektverhältnis von 120 (zwei Device-Wafer), 180 (drei Device-Wafer), 240 (vier Device-Wafer) etc. erhalten werden. 3. In contrast to classic NED (Nanoscopic Electrostatic Drive) or comb drives, a BSOI wafer can also be used, which, however, conventionally cannot be processed from two sides in order to increase the aspect ratio. In the manufacture of a cover drive described herein, both BSOI wafers and wafers can be processed on both sides, so that the trenches between the resistor structures, which are produced using the Bosch method, can have a double aspect ratio, for example 2×30, i. i.e., about 60. If several device wafers are bonded together, the aspect ratio can be further increased, for example as described in connection with FIGS. 15b and 15c. For example, an aspect ratio of 120 (two device wafers), 180 (three device wafers), 240 (four device wafers), etc. can be obtained.
4. Da der Füllfaktor des Aktuators (siehe erster Vorteil) als auch der Device-Ebene (siehe vorangegangener Vorteil) unabhängig von Verfahren wie etwa der Borsch-Me- thode sein können, kann der Füllfaktor des Gesamtsystems, das heißt die Anzahl der Aktuatoren bzw. Widerstandsstrukturen/Flächeneinheit stark verbessert werden. a) Weil Teile des Aktors, nämlich der Elektrodenspalt, von der Device Ebene entkoppelt sind (Kerngedanke der Erfindung) können die mechanischen und beweglichen Elemente in der Device Ebene dichter gepackt werden und somit der Füllfaktor des Gesamtsystems (Anzahl der Aktoren bzw. Wi- derstandstrukturen/Flächeneinheit) vorteilhaft stark verbessert werden (mehr Schall pro Fläche). b) Darüber hinaus kann das, bzgl. der halben Device Höhe, symmetrische System gestapelt und somit das scheinbare Aspektverhältnis theoretisch unlimitiert erhöht werden. Grundlage dafür ist das nicht notwendige Vor- handensein irgendwelcher Stützschichten o.ä. relativ zur Device Ebene. 4. Since the fill factor of the actuator (see first advantage) and the device level (see previous advantage) can be independent of methods such as the Borsch method, the fill factor of the overall system, i.e. the number of actuators or resistive structures/unit area can be greatly improved. a) Because parts of the actuator, namely the electrode gap, are decoupled from the device level (core idea of the invention), the mechanical and moving elements can be packed more densely in the device level and thus the fill factor of the overall system (number of actuators or resistor structures / unit area) can advantageously be greatly improved (more sound per area). b) In addition, the system, which is symmetrical with regard to half the device height, can be stacked and thus the apparent aspect ratio can theoretically be increased without limit. The basis for this is the unnecessary presence of any supporting layers or similar relative to the device level.
5. Einfache Technologie für Device- als auch für Deckel/Boden-Wafer: gefüllte HR- Trenche sind nicht vorhanden, um Isolierungen auf dem Chip zu realisieren (HR = High Aspect Ratio). Es sind keine Kurzschlüsse innerhalb einer Ebene (zwischen Wi- derstandselement und Deckel- sowie Bodenwafer) zu erwarten. Dadurch wird die Ausbeute der Chips, die kurzschlussfrei von einem Wafer vereinzelt werden können, deutlich erhöht. 5. Simple technology for device and also for cover/base wafers: filled HR trenches are not available in order to implement insulation on the chip (HR = high aspect ratio). No short circuits are to be expected within one level (between the resistance element and the top and bottom wafer). This significantly increases the yield of the chips that can be isolated from a wafer without short circuits.
6. Das finale Bauelement eines Ausführungsbeispiels besteht nur aus Si und SiO2. Keine AL2O3 Schichten oder andere Schichten sind notwendig, die z.B. Spannungen (Stress) in dem System induzieren können. 6. The final component of an exemplary embodiment consists only of Si and SiO2. No AL2O3 layers or other layers are necessary, which e.g. can induce tension (stress) in the system.
7. Die Widerstandstruktur wird beidseitig (von oben und unten) angetrieben. Der Aktor ist symmetrisch von beiden Seiten (oben und unten) und über die ganze Länge der Widerstandstruktur vorhanden. Die Widerstandstrukturen taumeln nicht verglichen mit dem Fall, wo die Widerstandstrukturen nur von einer Seite angetrieben werden. 7. The resistance structure is driven from both sides (from above and below). The actuator is present symmetrically from both sides (top and bottom) and along the entire length of the resistance structure. The resistive structures do not wobble compared to the case where the resistive structures are only driven from one side.
8. Kein elektrisches Feld zwischen den Widerstandstrukturen: Device-Wafer hat überall das gleiche Potenzial -> kein Filtereffekt. 8. No electric field between the resistor structures: device wafer has the same potential everywhere -> no filter effect.
9. Direkt Bondung Si-SiO2 oder SiO2-SiO2 ist bei 1000°C ist möglich: 25-50 Wafer kön- nen gleichzeitig in einem Ofen gebondet werden. Das hat Kosteneinsparungen bei der Herstellung zur Folge a. Eine Vermeidung eines lateralen Pull-In zwischen den Widerstandstruktur ist möglich: alle Widerstandstrukturen haben das gleiche Potential. 9. Direct bonding Si-SiO2 or SiO2-SiO2 is possible at 1000°C: 25-50 wafers can be bonded in one oven at the same time. This results in cost savings in production a. It is possible to avoid a lateral pull-in between the resistor structures: all resistor structures have the same potential.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfah- rens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein ent- sprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrites zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Ver- fahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Although some aspects have been described in the context of a device, it is understood that these aspects also represent a description of the corresponding method, so that a block or component of a device also counts as a corresponding method step or as a feature of a method step understand is. Similarly, aspects that have been described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Er- findung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart Zusammenwir- ken können oder Zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Des- halb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein. Manche Ausführungsbei- spiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Depending on the particular implementation requirements, embodiments of the invention can be implemented in hardware or in software. Implementation can be performed using a digital storage medium such as a floppy disk, DVD, Blu-ray Disc, CD, ROM, PROM, EPROM, EEPROM or FLASH memory, hard disk or other magnetic or optical memory, on which electronically readable control signals are stored, which can interact with a programmable computer system in such a way that the respective method is implemented. Therefore, the digital storage medium can be computer-readable. Some exemplary embodiments according to the invention thus include a data carrier which has electronically readable control signals which are capable of interacting with a programmable computer system in such a way that one of the methods described herein is carried out.
Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerpro- grammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode da- hin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm- produkt auf einem Computer abläuft. Der Programmcode kann beispielsweise auch auf ei- nem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein. In general, exemplary embodiments of the present invention can be implemented as a computer program product with a program code, with the program code being effective to carry out one of the methods when the computer program product runs on a computer. The program code can also be stored on a machine-readable carrier, for example.
Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen- lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin be- schriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ab- läuft. Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Da- tenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren auf- gezeichnet ist. Other exemplary embodiments include the computer program for performing one of the methods described herein, the computer program being stored on a machine-readable carrier. In other words, an exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a computer program which has a program code for carrying out one of the methods described herein when the computer program runs on a computer. A further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data carrier (or a digital storage medium or a computer-readable medium) on which the computer program for carrying out one of the methods described herein is recorded.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Daten- strom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durch- führen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, trans- feriert zu werden. A further exemplary embodiment of the method according to the invention is therefore a data stream or a sequence of signals which represents the computer program for carrying out one of the methods described herein. The data stream or the sequence of signals can be configured, for example, to be transferred via a data communication connection, for example via the Internet.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfigu- riert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Another embodiment includes a processing device, such as a computer or programmable logic device, configured or adapted to perform any of the methods described herein.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerpro- gramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist. Another embodiment includes a computer on which the computer program for performing one of the methods described herein is installed.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (bei- spielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor Zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzu- führen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hard- ware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC. In some embodiments, a programmable logic device (eg, a field programmable gate array, an FPGA) may be used to perform some or all of the functionality of the methods described herein. In some embodiments, a field programmable gate array may cooperate with a microprocessor to perform any of the methods described herein. In general, in some embodiments, the methods are performed on the part of any hardware device. This can be hardware that can be used universally, such as a computer processor (CPU), or hardware that is specific to the method, such as an ASIC.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Vari- ationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten ein- leuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutz- umfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsen- tiert wurden, beschränkt sei. The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations of the arrangements and details described herein will occur to others skilled in the art. will shine. Therefore, it is intended that the invention be limited only by the scope of the following claims and not by the specific details presented in the description and explanation of the exemplary embodiments herein.

Claims

Patentansprüche patent claims
1 . MEMS-Bauelement umfassend: einen Schichtstapel (12) mit einer Mehrzahl an MEMS-Schichten, die entlang einer Schichtfolgenrichtung (14) angeordnet sind; ein in einer ersten MEMS-Schicht (121) gebildetes bewegliches Element (16); das zwischen einer zweiten MEMS-Schicht (122) und einer dritten MEMS-Schicht (123) des Schichtstapels (12) angeordnet ist, eine Antriebseinrichtung (22) mit einer mit dem beweglichen Element (16) mecha- nisch fest verbundenen ersten Antriebsstruktur (22a) und einer mit der zweiten MEMS-Schicht (122) mechanisch fest verbundenen zweiten Antriebsstruktur (22b); wobei die Antriebseinrichtung (22) ausgebildet ist, um eine Antriebskraft (F) senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung (14) an dem beweglichen Element (16) zu erzeugen, und die Antriebskraft (F) ausgelegt ist, um das bewegliche Element auszulenken. 1 . A MEMS component comprising: a layer stack (12) having a plurality of MEMS layers arranged along a layer sequence direction (14); a movable element (16) formed in a first MEMS layer (12 1 ); which is arranged between a second MEMS layer (12 2 ) and a third MEMS layer (12 3 ) of the layer stack (12), a drive device (22) with a first drive structure mechanically fixed to the movable element (16). (22a) and a second drive structure (22b) mechanically firmly connected to the second MEMS layer (12 2 ); wherein the drive device (22) is designed to generate a drive force (F) perpendicular to the layer sequence direction (14) on the movable element (16), and the drive force (F) is designed to deflect the movable element.
2. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 , bei dem die erste Antriebsstruktur (22a) und die zweite Antriebsstruktur (22b) durch einen Spalt beabstandet und einander gegen- überliegend angeordnet sind; wobei eine Abmessung des Spalts entlang der Schicht- folgenrichtung (14) durch einen Bondingprozess eingestellt ist. 2. MEMS device according to claim 1, wherein the first drive structure (22a) and the second drive structure (22b) are spaced apart by a gap and arranged opposite to each other; wherein a dimension of the gap along the layer sequence direction (14) is set by a bonding process.
3. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das bewegliche Element eine Mehrzahl mittels eines Bondprozesses verbundene Schichten aufweist. 3. MEMS device according to claim 1 or 2, wherein the movable element comprises a plurality of layers connected by a bonding process.
4. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die zweite Antriebsstruktur (22b) eine strukturierte Elektrodenstruktur mit zumindest einem ers- ten Elektrodenelement und einem hiervon elektrisch isolierten zweiten Elektrodenele- ment ist; wobei das MEMS-Bauelement ausgebildet ist, um an das erste Elektroden- element ein erstes elektrisches Potential und an das zweite Elektrodenelement ein hiervon verschiedenes zweites elektrisches Potential anzulegen; wobei das MEMS- Bauelement ferner ausgelegt ist, um an die erste Antriebsstruktur (22a) ein drites elektrisches Potential anzulegen, um in Zusammenwirkung des dritten elektrischen Potentials mit dem ersten elektrischen Potential oder dem zweiten elektrischen Po- tential die Antriebskraft (F) zu erzeugen. 4. MEMS component according to one of the preceding claims, in which the second drive structure (22b) is a structured electrode structure with at least a first electrode element and a second electrode element electrically insulated therefrom; wherein the MEMS component is designed to apply a first electrical potential to the first electrode element and a different second electrical potential to the second electrode element; wherein the MEMS component is further designed to apply a third electrical potential to the first drive structure (22a) in order to interact with the third electrical Potential to generate the driving force (F) with the first electrical potential or the second electrical potential.
5. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 4, bei dem das erste Elektrodenelement und das zweite Elektrodenelement durch einen Elektrodenspalt (28) elektrisch voneinan- der isoliert sind, wobei eine Ruheposition des beweglichen Elements (16) symmet- risch und/oder asymmetrisch gegenüberliegend des Elektrodenspalts (28) angeord- net ist. 5. MEMS device according to claim 4, wherein the first electrode element and the second electrode element are electrically isolated from each other by an electrode gap (28), wherein a rest position of the movable element (16) symmetrically and/or asymmetrically opposite the electrode gap (28) is arranged.
6. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das bewegliche Element in einem Querschnitt polygon, einfach gekrümmt oder mehrfach gekrümmt ist; oder bei dem das bewegliche Element in einem Querschnitt entlang der Schichtfolgenrich- tung (14) eine veränderliche Abmessung senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung (14) aufweist. 6. MEMS device according to one of the preceding claims, wherein the movable element is polygonal, single-curved or multi-curved in a cross section; or in which the movable element has a variable dimension perpendicular to the layer sequence direction (14) in a cross-section along the layer sequence direction (14).
7. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Elektro- den der zweiten Antriebsstruktur (22b) entlang eines axialen Verlaufs senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung (14) eine konstante oder veränderliche laterale Abmessung senkrecht zu der axialen Richtung aufweisen. 7. MEMS component according to one of the preceding claims, in which the electrodes of the second drive structure (22b) along an axial course perpendicular to the layer sequence direction (14) have a constant or variable lateral dimension perpendicular to the axial direction.
8. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Antriebseinrich- tung (22) eine dritte Antriebsstruktur (22c) aufweist, die mit der dritten MEMS-Schicht (123) mechanisch fest verbunden ist, wobei zwischen der ersten Antriebsstruktur (22a) und der zweiten Antriebsstruktur (22b) ein erster Spalt angeordnet ist, und zwi- schen der ersten Antriebsstruktur (22a) und der dritten Antriebsstruktur (22c) ein zwei- ter Spalt angeordnet ist; wobei die Antriebseinrichtung (22) ausgebildet ist, um die Antriebskraft (F) basierend auf einer ersten Interaktion zwischen der ersten Antriebsstruktur (22a) und der zwei- ten Antriebsstruktur (22b) und einer zweiten Interaktion zwischen der ersten Antriebs- struktur (22a) und der dritten Antriebsstruktur (22c) bereitzustellen. 8. MEMS component according to one of claims 1 to 6, wherein the drive means (22) has a third drive structure (22c) which is mechanically fixed to the third MEMS layer (12 3 ), wherein between the first A first gap is arranged between the drive structure (22a) and the second drive structure (22b), and a second gap is arranged between the first drive structure (22a) and the third drive structure (22c); wherein the drive device (22) is designed to generate the drive force (F) based on a first interaction between the first drive structure (22a) and the second drive structure (22b) and a second interaction between the first drive structure (22a) and to provide the third drive structure (22c).
9. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 8, bei der die Antriebseinrichtung (22) ausge- bildet ist, um basierend auf der ersten Interaktion eine erste Antriebskraftkomponente und basierend auf der zweiten Interaktion eine zweite Antriebskraftkomponente zu erzeugen, wobei das MEMS-Bauelement ausgebildet ist, um die erste Antriebskraft- komponente und die zweite Antriebskraftkomponente gleichphasig oder mit einem Phasenversatz zu erzeugen. 9. MEMS component according to claim 8, in which the drive device (22) is designed to generate a first drive force component based on the first interaction and a second drive force component based on the second interaction, the MEMS component being designed to generate the first driving force component and the second driving force component in phase or with a phase offset.
10. MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das bewegliche Element mit der driten MEMS-Schicht (123) mechanisch über einen elastischen Be- reich (104) verbunden ist; wobei das bewegliche Element ausgebildet ist, um basie- rend auf der Antriebskraft (F) eine Rotationsbewegung unter Verformung des elasti- schen Bereichs (104) auszuführen. 10. MEMS component according to one of claims 1 to 7, wherein the movable element is mechanically connected to the third MEMS layer (12 3 ) via an elastic region (104); wherein the movable member is configured to rotate based on the driving force (F) while deforming the elastic portion (104).
11 . MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 10, bei dem die erste Antriebsstruktur stirnseitig an einer Stirnseite des beweglichen Elements angeordnet ist. 11 . 11. The MEMS device of claim 10, wherein the first drive structure is frontally disposed on a front face of the movable element.
12. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem eine Elektrodenstruktur an einer der zweiten MEMS-Schicht (122) zugewandten und/oder an einer der dritten MEMS-Schicht (123) zugewandten Seite angeordnet ist, und zu- mindest einen Teil der ersten Antriebsstruktur (22a) bildet. 12. MEMS component according to one of the preceding claims, in which an electrode structure is arranged on one of the second MEMS layer (12 2 ) facing and/or on one of the third MEMS layer (12 3 ) facing side, and at least forms part of the first drive structure (22a).
13. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das be- wegliche Element an einer der zweiten MEMS-Schicht (122) zugewandten Seite und/oder die zweite MEMS-Schicht (122) an einer dem beweglichen Element (16) zu- gewandten Seite eine Oberflächenstrukturierung aufweist, um einen Abstand zwi- schen dem beweglichen Element (16) und der zweiten MEMS-Schicht (122) lokal zu verändern. 13. MEMS component according to one of the preceding claims, in which the movable element on a side facing the second MEMS layer (12 2 ) and/or the second MEMS layer (12 2 ) on a side facing the movable element (16 ) side facing has a surface structure in order to change a distance between the movable element (16) and the second MEMS layer (12 2 ) locally.
14. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem Elektro- den der ersten Antriebsstruktur (22a) und/oder Elektroden der zweiten Antriebsstruk- tur (22b) interdigital angeordnet und verschaltet sind. 14. MEMS component according to one of the preceding claims, in which the electrodes of the first drive structure (22a) and/or electrodes of the second drive structure (22b) are arranged and interconnected interdigitally.
15. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl beweglicher Elemente, die nebeneinander in einer gemeinsamen MEMS- Ebene angeordnet sind, und fluidisch oder vermitels eines Kopplungselementes mit einander gekoppelt sind. 15. MEMS component according to one of the preceding claims, comprising a multiplicity of movable elements which are arranged next to one another in a common MEMS plane and are coupled to one another fluidically or by means of a coupling element.
16. MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 15, bei dem an jedem der beweglichen Ele- mente (16) eine Antriebsstruktur mit zumindest zwei nebeneinander angeordneten verbundenen Elektroden angeordnet sind, von denen eine Elektrode mit einem ersten elektrischen Potential und eine zweite Elektrode mit einem zweiten, verschiedenen elektrischen Potential verbunden sind; wobei einander zugewandte Elektroden be- nachbarter beweglicher Elemente mit einer Kombination des ersten elektrischen Po- tentials und des zweiten elektrischen Potentials verbunden sind. 16. MEMS component according to claim 15, in which a drive structure with at least two connected electrodes arranged next to one another are arranged on each of the movable elements (16), of which an electrode with a first electrical potential and a second electrode with a second, connected to different electrical potentials; wherein facing electrodes of adjacent moveable elements are connected to a combination of the first electrical potential and the second electrical potential.
17. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das be- wegliche Element in einer MEMS-Kavität beweglich angeordnet ist, wobei vermitels einer Bewegung des beweglichen Elements (16) zumindest eine Teilkavität der Kavi- tät wechselweise vergrößert und verkleinert wird, wobei sich die Teilkavität lokal in die zweite MEMS-Schicht (122) erstreckt. 17. MEMS component according to one of the preceding claims, in which the movable element is movably arranged in a MEMS cavity, wherein at least one partial cavity of the cavity is alternately enlarged and reduced by means of a movement of the movable element (16), wherein the sub-cavity extends locally into the second MEMS layer (12 2 ).
18. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das be- wegliche Element eine Elementlänge entlang einer axialen Streckungsrichtung senk- recht zu der Schichtfolgenrichtung (14) aufweist, wobei eine Elektrode der ersten An- triebsstruktur (22a) entlang der Elementlänge eine Mehrzahl von Elektrodensegmen- ten aufweist, wobei benachbarte Elektrodensegmente mit elektrisch mit einander ver- mittels elektrischer Leiter verbunden sind, wobei die elektrischen Leiter entlang einer Richtung senkrecht zu der Elementlänge eine geringere mechanische Steifigkeit auf- weisen als die Elektrodensegmente. 18. MEMS component according to one of the preceding claims, in which the movable element has an element length along an axial stretching direction perpendicular to the layer sequence direction (14), wherein an electrode of the first drive structure (22a) along the element length Has a plurality of electrode segments, with adjacent electrode segments being electrically connected to one another by means of electrical conductors, with the electrical conductors having a lower mechanical rigidity than the electrode segments in a direction perpendicular to the element length.
19. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das be- wegliche Element für die Bereitstellung einer Interaktion mit einem Fluid ausgelegt ist. 19. MEMS device according to one of the preceding claims, wherein the moveable element is adapted to provide an interaction with a fluid.
20. MEMS-Bauelement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die An- triebseinrichtung (22) eine vierte Antriebsstruktur (22d ) aufweist, die an einer von dem beweglichen Element (16) abgewandten Seite der zweiten MEMS-Schicht (122) an- geordnet ist, wobei ein weiteres bewegliches Element benachbart zu der vierten An- triebsstruktur (22d) angeordnet ist, und mit dem beweglichen Element (16) eine ge- stapelte Anordnung bildet. 20. MEMS component according to one of the preceding claims, wherein the drive device (22) has a fourth drive structure (22d) on one of the movable element (16) facing away from the second MEMS layer (12 2 ). - is ordered, with a further movable element being arranged adjacent to the fourth drive structure (22d), and with the movable element (16) forming a stacked arrangement.
21 . Verfahren zum Betrieben eines MEMS-Bauelements mit folgenden Schritten: Ansteuern (1910) zweier einander entlang einer Schichtfolgenrichtung, entlang der eine Vielzahl von MEMS-Schichten des MEMS-Bauelements angeordnet sind, ange- ordneter Antriebsstrukturen, und 21 . A method of operating a MEMS device, comprising the steps of: Driving (1910) two drive structures arranged one on top of the other along a layer sequence direction along which a multiplicity of MEMS layers of the MEMS component are arranged, and
Erzeugen (1920) einer Antriebskraft an einem beweglichen Element des MEMS- Bauelements senkrecht zu der Schichtfolgenrichtung durch das Ansteuern, um das MEMS-Bauelement auszulenken. generating (1920) a driving force on a moveable element of the MEMS device perpendicular to the stack direction by driving to deflect the MEMS device.
22. Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem vermittels MEMS-Bauelement zweier be- nachbarter Elektrodenelemente, die durch einen Elektrodenspalt (28) elektrisch von- einander isoliert sind eine symmetrische und/oder lineare Auslenkung des bewegli- chen Elements (16) angesteuert wird, indem an ein Elektrodenelement um ein Refe- renzpotential im zeitlichen Mittel symmetrisch bezüglich der angelegten Potentiale angesteuert werden. 22. The method as claimed in claim 20, in which a symmetrical and/or linear deflection of the movable element (16) is controlled by means of a MEMS component of two adjacent electrode elements which are electrically insulated from one another by an electrode gap (28), by driving an electrode element about a reference potential that is symmetrical over time with respect to the applied potentials.
23. Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem die Auslenkung des beweglichen Elements23. The method according to claim 20, wherein the deflection of the movable element
(16) asymmetrisch im zeitlichen Mittel entlang einer Aktuierungsrichtung bezüglich einer entgegengesetzten Richtung asymmetrisch angesteuert wird. (16) is driven asymmetrically in time average along an actuation direction with respect to an opposite direction.
EP20820367.9A 2020-12-03 2020-12-03 Mems having lid drive and method for operation thereof Pending EP4255844A1 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/EP2020/084506 WO2022117197A1 (en) 2020-12-03 2020-12-03 Mems having lid drive and method for operation thereof

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4255844A1 true EP4255844A1 (en) 2023-10-11

Family

ID=73740384

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP20820367.9A Pending EP4255844A1 (en) 2020-12-03 2020-12-03 Mems having lid drive and method for operation thereof

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230322546A1 (en)
EP (1) EP4255844A1 (en)
CN (1) CN116802143A (en)
TW (1) TW202235359A (en)
WO (1) WO2022117197A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4297433A1 (en) * 2022-06-24 2023-12-27 Robert Bosch GmbH Microelectromechanical acoustic pressure-generating device with improved drive
DE102022208829A1 (en) 2022-08-25 2024-03-07 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein MEMS, MEMS speakers and method of making the same
DE102022209706A1 (en) * 2022-09-15 2024-03-21 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein MEMS, method of manufacturing a MEMS and method of designing a MEMS
DE102022128242A1 (en) 2022-10-25 2024-04-25 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Microelectromechanical device for generating sound pressure
DE102022212472A1 (en) 2022-11-23 2024-05-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Micromechanical transducer arrangement and corresponding sound conversion method

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NO20016398D0 (en) * 2001-12-27 2001-12-27 Abb Research Ltd Mini-power converter I
FR2963192B1 (en) * 2010-07-22 2013-07-19 Commissariat Energie Atomique MEMS TYPE PRESSURE PULSE GENERATOR

Also Published As

Publication number Publication date
US20230322546A1 (en) 2023-10-12
WO2022117197A1 (en) 2022-06-09
CN116802143A (en) 2023-09-22
TW202235359A (en) 2022-09-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2022117197A1 (en) Mems having lid drive and method for operation thereof
DE102006058563B3 (en) Micromirror actuator with encapsulation option and method of manufacture
DE102006055147B4 (en) Sound transducer structure and method for producing a sound transducer structure
DE102019203914B3 (en) MEMS with a large fluidically effective surface
EP3100467A1 (en) Mems having micromechanical piezoelectric actuators for realizing high forces and deflections
DE102014225934B4 (en) Electrostatically deflectable micromechanical component and method for its production
DE10160830A1 (en) Micromechanical sensor comprises a counter element lying opposite a moving membrane over a hollow chamber and containing openings which are formed by slits
WO2013152899A1 (en) Membrane arrangement for a micro-electromechanical measuring transducer and method for producing a membrane arrangement
DE102015213757B4 (en) Micromechanical structure and method of making the same
EP3592694A1 (en) Electrostatic mems actuator and method for the production thereof
DE102013211872B4 (en) Micro-electromechanical reflector and method of making a micro-electromechanical reflector
WO2021223886A1 (en) Mems for interacting with a volumetric flow in a highly efficient manner
WO2021032417A1 (en) Mems component, module comprising the mems component, and method for operating the mems component
EP1402583B1 (en) Piezoelectrical bending converter
DE102013209238A1 (en) DEVICE WITH A SPRING AND AN ELEMENT THEREFORE AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF
EP4058400A1 (en) Mems component with in-plane movable element and method for operating same
DE102020201197A1 (en) High aspect ratio MEMS
DE102013212095A1 (en) Microelectromechanical reflector and method of manufacturing a microelectromechanical reflector
WO2014191172A1 (en) Piezoelectric actuator
DE102019205735B3 (en) Micromechanical sound transducer
DE102008005521B4 (en) Capacitive transducer and method of making the same
EP3997029B1 (en) Mems actuator element and mems actuator array with a multiplicity of mems actuator elements
DE102013200354A1 (en) Method and apparatus for producing a multilayer electrode system
WO2022233997A1 (en) In-plane mems varactor
DE10145721A1 (en) Device for mechanically controlling an electrical capacitance and method for producing the same

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20230601

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)