FI111457B - Mikromekaaninen rakenne - Google Patents

Description

111457

Mikromekaaninen rakenne - Mikromekanisk struktur

Keksintö koskee mikromekaanisia rakenteita, jotka sisältävät liikkuvia osia. Erityi-1 sesti keksintö koskee järjestelyä tällaisten liikkuvien osien kytkemiseksi mikroelekt- 5 romekaanisen järjestelmän (MEMS) muihin rakenteisiin.

Suuntaus mikroelektroniikassa on ollut kohti yhä suurempaa integraatioastetta. Sama koskee myös mikromekaniikkaa. Niinpä kun sähköisissä sovelluksissa edellytetään yhä pienempiä komponentteja, on erityisesti mikroelektroniikkaa varten suunnitelluissa mikromekaanisissa osissa käytettävä yhä enemmän integrointia.

10 Tekniikan tason mukaiset mikromekaaniset komponentit ovat olleet optimoituja matalataajuisille (< 1 MHz) sovelluksille ja niitä on käytetty pääasiassa inertia- ja paineantureissa. Mikromekaanisten radiotaajuuskomponenttien suunnittelu matkaviestimissä käytettyihin 1-5 GHz sovelluksiin asettaa omat vaatimuksensa mikro-työstetyille rakenteille. Nämä vaatimukset ovat osittain erilaiset kuin matalataajui-15 siin mikroelektromekaanisiin järjestelmiin (MEMS) perustuvien sovellusten ongelmat.

Kapasitiivisten mikromekaanisten rakenteiden optimoinnissa on otettava huomioon monta eri parametriä: - Herkkyys mitatun arvon tai ohjausvoiman suhteen (esimerkiksi kiihtyvyys/kapasi-20 tanssi-siirtofunktio, ohjausjännite/kapasitanssi-siirtofunktio), - Useista muista laiteparametreistä riippuva signaali/kohinasuhde, . - Laitteen nollakohdan stabiliteetti pitkien aikajaksojen ja lämpötilan suhteen.

Nämä optimointikriteerit muuntuvat spesifisemmiksi laitevaatimuksiksi, kun otetaan huomioon sovellus ja erityisesti mittaus tai toimintataajuus. Tämä keksintö 25 koskee mikromekaanisen rakenteen käyttöä osana suurtaajuussovellusta. Kaksi eri esimerkkiä tällaisesta sovelluksesta ovat: - MEMS radiotaajuuskomponentit: säädettävät kondensaattorit ja mikromekaaniset mikroreleet; - Mikromekaaninen pienikohinainen suuren herkkyyden omaava kiihtyvyysmittari, 30 jonka mittauselektroniikka perustuu LC-resonanssin käyttöön; Näissä molemmissa sovelluksissa laitteelle on useita yhteisiä vaatimuksia: - Laitteen saijaresistanssi on minimoitava; - Laitteen sarja(haja)induktanssi on minimoitava ja sen on oltava toistettavissa; 111457 2 - Rakenteen lämpötilariippuvuus on oltava mahdollisimman pieni; ja - Loiskapasitanssi on minimoitava.

Tekniikan tason mukaiset mikromekaaniset rakenteet perustuvat pääasiassa pii- ja polypiirakenteisiin. Polypiillä on hyvät mekaaniset ominaisuudet, ja sen käyttöä 5 riippuvien rakenteiden muodostamiseen on tutkittu paljon. Näiden rakenteiden merkittävin haittapuoli on kuitenkin niiden suuri sarjaresistanssi. Sarjaresistanssi pienentää komponentin Q-arvoa eli hyvyyslukua suurilla taajuuksilla.

Monet laitteet, kuten pienikohinaiset radiotaajuiset jänniteohjatut oskillaattorit (VCO) edellyttävät resonaattoriksi laitetta, jolla on korkea hyvyysluku (Q-kerroin), 10 koska oskillaattorin vaihekohina on verrannollinen arvoon 1/QT , missä Qt on resonaattorin kokonaishyvyysluku. Suodattimet, joilla on suuri dynamiikka-alue, vaativat myös suuren hyvyysluvun omaavaa resonaattoria, koska suodattimen dynamiikka-alue on verrannollinen arvoon Qt2. Taajuusalueella 1-2 GHz hyvyyslukuun eniten vaikuttava tekijä on saijaresistanssi. Aiemmin esimerkiksi mikroelektromekaa-15 niset säädettävät kondensaattorit valmistettiin polypiistä, mutta alhaisen sarjaresis-tanssin vaatimus on pakottanut tutkimaan metallia rakenteen materiaalina. Kyseeseen voi tulla esimerkiksi kulta, kupari, hopea, nikkeli, alumiini, kromi, refraktori-metalli tai useiden eri metallien seos.

Kapasitiivisissa antureissa kapasitanssimittauksissa saavutettavaa tarkkuutta rajoit-20 tavat mittauskapasitanssin sarja- ja/tai rinnakkaisresistanssit. Useimmat tekniikan tason mukaisista kapasitiivisista inertia-antureista on valmistettu seostetusta yksikiteisestä tai monikiteisestä piistä, jolloin niiden johtavuus on suhteellisen vaatimatonta luokkaa. Lisäksi metalli/pii-rajapintojen aiheuttama sarjaresistanssi kasvattaa niiden sarjaresistanssia. Metallirakenteisiin perustuvia inertia-antureita on tutkittu, 25 [1] ja [2], koska niillä on kaksi selvää etua: 1) metalleilla on suurempi ainetiheys, joka kasvattaa kapasitiivisen anturin massaa ja siten myös herkkyyttä, ja 2) metalleilla on suurempi sähköinen johtavuus, joka vähentää kapasitiivisen anturin sähköisiä häiriöitä. Eräs avainongelma metallimateriaalien käytössä inertia-anturien val-; mistukseen on ollut alustamateriaalin ja rakenteen lämpölaajenemiskertoimien epä-30 sovituksen aiheuttaman lämpökuormituksen eliminointi.

Metallilla on siis eräitä epäedullisia ominaisuuksia, kuten sisäinen kuormitus, joka saattaa aiheuttaa riippuvien rakenteiden käyristymistä. Lisäksi useimpien MEMS-prosesseihin kelpaavien metallien lämpölaajenemiskerroin poikkeaa suuresti useimpien alustamateriaalien, kuten piin, kvartsin tai boorilasin, lämpölaajenemiskertoi- v > · * 3 111457 mesta. Lämpölaajenemisen epäsovituksen riippuvassa rakenteessa aiheuttama lämpökuormitus voi synnyttää laitteessa suuren lämpötilariippuvuuden.

Kuvassa 1 on esitetty tyypillinen mikromekaaninen silta. Vaatimuksena on muodostaa mekaanisesti ihanteellinen ankkuri mahdollisimman vähin prosessivaihein. Yk-5 sinkertainen prosessi on edullinen kuvassa 1 esitetyssä menetelmässä. Tällaisen metallirakenteen haittana on, että sisäänrakennettu kuormitus ja lämpötilariippuvuuden mahdollisesti aiheuttama kuormitus pyrkivät taivuttamaan riippuvaa rakennetta.

Kuva 1 esittää tilannetta, jossa liikkuvan elimen 110 ja ankkurit 130, 132 sisältävä 10 mikromekaaninen metallirakenne on valmistettu piialustan 150 päälle. Kuvassa 1 näkyy alustan päällä myös eristekerros 160 ja kiinteät elektrodit 140, 142. Lämpötilan muutoksen aiheuttama metallin 110 sisäisen kuormituksen muutos voidaan laskea Ασ = Ε·(α2 -a^AT (1) 15 niissä E on Youngin moduli, a, ja a2 ovat metallikalvon ja piialustan lämpölaaje-nemiskertoimetja AT on lämpötilan muutos.

Piialustan päällä olevalle kuparikaivolle pätee 3σ_ = 2ΜΡα dT °c

Metallissa vaikuttava kuormitus aiheuttaa ankkurointirakenteisiin 130 ja 132 koh-20 distuvan voima Feff.

Kuva 2 esittää momenttivaikutusta step-up-ankkurirakenteella. Oletetaan, että riippuva rakenne on kytketty alustaan useista pisteistä ja että alustan ja riippuvan rakenteen lämpölaajenemisen epäsovitus aiheuttaa kuormitusta riippuvassa rakenteessa. Kuormitusvaikutusta on kuvattu kahdella nuolella kuvassa 2. Kuva esittää, miten 25 step-up-ankkurin synnyttämä momentti taivuttaa riippuvaa rakennetta (taipumista on kuvassa liioiteltu). Riippuvan rakenteen normaalit mitat voisivat olla esimerkiksi: pituus 500 pm, paksuus 1 pm ja sijainti 1 pm alustan yläpuolella. Pienikin taivu-tusmomentti olisi tuhoisa, sillä rakenne koskettaisi pintaa.

Kuva 3 esittää ohjausjännitteen riippuvuutta kuparikaivolla toteutetun kaksoistuetun 30 palkin jäännösjännityksestä. Kapasitanssi on vakio, tässä tapauksessa 0,9 pF. Palkin pituus on 0,5 mm, leveys 0,2 mm ja paksuus 0,5 pm. Ohjauselektrodin ja palkin 4 111457 välinen rako on 1 μηι. Kuva osoittaa, kuinka herkkä ohjausjännite on alhaiselle kalvon jäännösjännitykselle.

Kapasitanssin lämpötilariippuvuus voidaan laskea dC _dC da Ί)Τ~Ί)σ'~δΤ ^ 5 Lämpötilariippuvuus kasvaa ohjausjännitteen myötä. Esimerkiksi 5 MPa:n jäännös-jännityksellä kapasitanssin lämpötilariippuvuus voi olla 1%/°C yhden voltin ohjaus-jännitteellä ja 24%/°C kolmen voltin jännitteellä. Jos laitetta käytetään pienillä oh-jausjännitteillä, on kalvon jäännösjännitys minimoitava. Tällä alueella lämpötila-riippuvuus on minimoitava rakenteellisten muutosten avulla.

10 Lämpötilariippuvuutta on vähennetty käyttämällä rakenteessa taipuisaa jousitukea. Tällaisia tekniikan tason mukaisia ratkaisuja mikromekaanisten komponenttien toteuttamiseksi on esitetty mm. dokumenteissa [3]-[6]. Näiden tekniikan tason mukaisten laitteiden ongelmia ovat kuitenkin: 1) liian suuri sarjaresistanssi, 2) liian suuri lämpötilariippuvuus, 3) liian suuri hajainduktanssi.

15 Liikkuvia elimiä sisältävillä tekniikan tason mukaisilla mikromekaanisilla rakenteilla on siten edellä selostettuihin vaatimuksiin liittyviä haittoja. Tekniikan tason mukaiset rakenteet kärsivät mikromekaanisen rakenteen ja alustan lämpölaajenemis-kertoimien epäsovituksen aiheuttamasta lämpötilariippuvuudesta. Sarjaresistanssi ja loiskapasitanssi ovat myös suuria tekniikan tason mukaisissa RF-komponenteissa, 20 kuten säädettävissä kondensaattoreissa ja resonaattoreissa, jotka perustuvat mikromekaaniseen kondensaattoriin ja integroituun induktoriin. Nämä tekijät voivat joh- • > taa suuriin häviöihin, lämpöepävakauteen ja mikromekaanisten komponenttien epäluotettavuuteen.

Keksinnön tavoitteena on toteuttaa edellä mainittuihin epäkohtiin liittyviä paran-25 nuksia. Keksityt järjestelyt liikkuvan elimen kytkemiseksi muihin mikromekaanisiin rakenteisiin mahdollistavat lämpötilariippuvuuden, sarjaresistanssin, hajainduktans-sin ja loiskapasitanssin minimoinnin. Näin ollen keksintö merkitsee oleellista parannusta mikromekaanisten komponenttien vakauteen ja luotettavuuteen erityisesti radiotaajuussovelluksissa.

30 Keksinnön mukaiselle järjestelylle liikkuvan elimen, jolla on sille ominainen liikesuunta, kytkemiseksi mikromekaanisen komponentin kiinteään rakenteeseen, ku-v ten alustaan, järjestelyn sisältäessä ainakin yhdet kytkentävälineet liikkuvan elimen 5 111457 kytkemiseksi kiinteään rakenteeseen, on tunnusomaista, että järjestely käsittää ainakin yhdet joustavat välineet liikkuvan elimen ja muun rakenteen erisuuruisen lämpölaajenemisen sallimiseksi suunnassa, joka on oleellisesti kohtisuorassa liikkuvalle elimelle ominaista liikettä vastaan, jolloin mainitut kytkentävälineet ja/tai joustavat 5 välineet ovat vahvistetut niin, että ne ovat oleellisesti joustamattomat liikkuvalle elimelle ominaisessa liikesuunnassa.

Keksintö kohdistuu myös mikromekaaniseen komponenttiin, joka sisältää edellä selostetun jäijestelyn.

Epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa on esitetty keksinnön edullisia suoritusmuoto-10 ja.

Keksinnön eräänä ajatuksena on käyttää lisäkerrosta, kuten metallikerrosta, sellaisten rajapintaominaisuuksien synnyttämiseksi, jotka ovat mahdollisimman lähellä ihanteellista riippuville rakenteille. Keksinnöllinen ajatus voidaan edullisimmin toteuttaa käyttämällä yhtä tai useampaa seuraavista yksityiskohdista: 15 1) Taipuva metalliohutkalvo on mekaanisesti erotettu alustasta ja sisältää: a) Minkä tahansa muotoisen kalvon, diafragman tai ohuen metallikalvon, b) Ympäröivän kehikon, joka voi olla minkä tahansa muotoinen, kunhan se on symmetrinen kahden vastakkaisen ankkurin muodostamien akselien suhteen, c) Kehikon nurkissa sisemmät jouset, jotka yhdistävät taipuvan elimen kehikkoon, 20 d) Kehikon ankkuroinnin alustaan kehikon muodostavien palkkien keskeltä, e) Optionaaliset ulommat palkit, jotka edelleen yhdistävät kehikon ja alustaan ankkuroinnin. Rakenteelle on lisäksi tunnusomaista kuvassa 9A (jota selostetaan tar- * kemmin tuonnempana) esitetty symmetria, ja f) Kehikon ankkurointi alustaan on järjestetty lämpötilakompensoiduksi.

25 Rakenteen mahdollistama liikkuvan elimen mekaaninen erotus on lähes täydellinen. Tämän edullisen suoritusmuodon tasomaisen rakenteen haittana on kuitenkin, että kehikon tai liikkuvan elimen sisäisen (jäännösjännityksen takia kehikon nurkat : voivat käyristyä alustan tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa (pystysuunnassa).

2) Rakenteen käyristymisen estäminen järjestämällä kehikon pystysuuntainen pak-30 suus suuremmaksi kuin liikkuvan elimen. Toinen mahdollisuus jäykän pystysuuntaisen rakenteen aikaansaamiseksi on muotoprofilointi.

Keksintö voidaan toteuttaa käyttämällä uusia valmistustekniikoita, joihin yleisesti viitataan käsitteillä mikrojärjestelmätekniikat (MST) tai mikroelektromekaaniset 6 111457 järjestelmät (MEMS). Nämä valmistustekniikat mahdollistavat liikkuvien rakenteiden valmistuksen piikiekon tai muun alustamateriaalin päälle. Edullisimpana pidetty prosessi perustuu uhrattavan materiaalikerroksen (piidioksidi tai polymeerikalvo) kasvattamiseen liikkuvan rakenteen alle valmistuksen aikana. Valmistuksen viime 5 vaiheissa liikkuva mekaaninen rakenne vapautetaan syövyttämällä uhrattava kerros pois.

Keksintö parantaa tekniikan tason mukaisia laitteita (metalhkalvorakenteita piialus-tan päällä) useilla tavoilla: - Taipuvan ohutkalvon lämpökuormitus minimoidaan alle 0,5 MPa:n tason ήπιοί 0 tosymmetrioiden avulla; - Koska ohutkalvolta ankkurille johtaa kahdeksan rinnakkaista virtatietä, sarjaresis-tanssi on pieni, alle 0,1 Ω; -Koska ohutkalvolta ankkurille johtaa kahdeksan rinnakkaista virtatietä, sarja-(haja)induktanssi on pieni, alle 0,1 nH; 15 - Pieni kalvojännitys mahdollistaa alhaisen ohjausjännitetason (3-5 V); ja - Mekaanisesti erotetun rakenteen käyristyminen on pientä.

- Poistaa lähes kaiken kuormituksen, jonka lämpölaajenemisen epäsovitus aiheuttaa riippuvalle rakenteelle.

- Vähentää riippuvan rakenteen sisäistä jännitystä.

20 - Jousirakenteen sarjaresistanssi on pienempi kuin aiempien jousirakenteiden.

- Erittäin jäykkä rakenne muissa vapausasteissa. Jäykät rajapinnat estävät käyristymistä ja mahdollistavat suurempien kondensaattorien valmistuksen kuin aiemmat rakenteet.

- Poistaa paksun ankkuroinnin termisen deformaation aiheuttaman momenttivaiku-* 25 tuksen.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin viitaten esimerkkinä esitettyihin, oheisten piirustusten mukaisiin suoritusmuotoihin, joissa piirustuksissa:

Kuva 1 esittää tekniikan tason mukaista mikromekaanista siltaa, < ‘ kuva 2 esittää momenttivaikutusta tekniikan tason mukaisen mikromekaanisen 30 sillan ankkurissa, kuva 3 esittää vetojännitteen riippuvuutta sillan jäännösjännitteen funktiona tekniikan tason mukaisessa mikroelektromekaanisessa kondensaattorissa, . kuva4A esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta ankkurista, 7 111457 kuva 4B esittää paksun ankkuroinnin deformaatiota, kuva 4C esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta symmetrisestä ankkuroinnista, joka eliminoi paksun ankkuroinnin deformaation aiheuttaman vaikutuksen, 5 kuva 4D esittää toista esimerkkiä keksinnön mukaisesta symmetrisestä ankkuroinnista, joka eliminoi paksun ankkuroinnin deformaation aiheuttaman vaikutuksen, kuva 5 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta mikromekaanisesta sillasta, kuva 6 esittää keksinnön mukaisen esimerkinomaisen mikromekaanisen sillan 10 jousi- ja ankkurielimien poikkileikkausta, kuva 7 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta mikromekaanisesta sillasta, johon kuuluu yksi jousielin, kuva 8 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisen neliömäisen elektrodilevyn kyt-kentärakenteesta, 15 kuva 9A esittää keksinnön mukaisen suorakulmaisen kalvon edullista kytkentära-kennetta, kuva9B esittää ankkuroituun kehikkoon ripustettua kalvoa, kuva 9C esittää kahdella ankkurilla ankkuroitua symmetristä kehikkoa, kuva 9D esittää kuvan 9B kytkentärakenteen tyypillisiä mittoja, 20 kuva 9E esittää yksinkertaistetusti ylhäältä päin tarkasteltuna sekä poikkileikkauksena siltakondensaattoria, jonka kehyspalkkeja on vahvistettu muoto-profiloinnin avulla, . kuva 9F esittää keksinnön mukaisella lämpötilan kompensointirakenteella varus tettua kiihtyvyysanturia, 25 kuva 10 esittää mikromekaanisen kondensaattorin sähköistä vastinpiiriä, kuva 1 IA esittää erästä ensimmäistä keksinnön mukaista suoritusmuotoa kytkentä-rakenteesta, jossa on kehikko suorakulmaista elektrodilevyä varten, φ 8 111457 kuva 11B esittää erästä toista keksinnön mukaista suoritusmuotoa kytkentäraken-teesta, jossa on kehikko suorakulmaista elektrodilevyä varten, kuva 11C esittää erästä kolmatta keksinnön mukaista suoritusmuotoa kytkentära-kenteesta, jossa on kehikko suorakulmaista elektrodilevyä varten, 5 kuva 11D esittää erästä neljättä keksinnön mukaista suoritusmuotoa kytkentäraken-teesta, jossa on kehikko suorakulmaista elektrodilevyä varten, kuva 12A esittää poikkileikkauksina keksinnön mukaisen rakenteen valmistukseen sovellettavan esimerkinomaisen prosessin vaiheiden 1210-1240 jälkeistä tuotantonäytettä, ja 10 kuva 12B esittää poikkileikkauksina keksinnön mukaisen rakenteen valmistukseen sovellettavan esimerkinomaisen prosessin vaiheiden 1250-1270 jälkeistä tuotantonäytettä.

Kuvat 1-3 käsiteltiin edellä tekniikan tason selostuksen yhteydessä.

Kuva 4A esittää poikkileikkausta keksinnön mukaisesta esimerkinomaisesta ankku-15 rista. Riippuvan rakenteen 410 ankkuroinnin muodostavan alueen 430A päälle kasvatetaan paksu toinen kerros 430B. Tämä toinen kerros eliminoi step-up-ankkuri-rakenteen taipumisen riippuvalle rakenteelle aiheuttamat vääristävät vaikutukset sekä pienentää laitteen sarjaresistanssia, jos se on valmistettu johtavasta materiaalista. Toinen kerros on edullisimmin metallikerros, mutta se voi olla tehty muustakin 20 materiaalista.

Kun mikromekaaninen ankkurointirakenne on paksu, kalvon 410 lämpölaajeneminen aiheuttaa siinä merkittävää deformaatiota. Tätä havainnollistaa kuva 4B. Kuvassa on esitetty, että kun ankkurointi 430 on kiinnitetty alustaan 450, sen pohjan koko ei voi muuttua lämpötilan myötä. Paksun ankkurointirakenteen yläosan koko 25 voi kuitenkin muuttua lämpötilan myötä. Tämä synnyttää riippuvaan rakenteeseen kohdistuvan momentin M, joka aiheuttaa laitteen käyttäytymiseen lämpötilariippu-* vuutta.

Kuvissa 4C ja 4D nähdään ylhäältä päin tarkasteltuna ja poikkileikkauksena kaksi ankkurointiratkaisua, jotka eliminoivat edellä selostetun vaikutuksen. Ratkaisut pe-30 rustuvat ankkurointirakenteeseen, jossa on kaksi kiinnityspistettä, jotka on kytketty symmetrisesti alustaan siten, että molempien kiinnityspisteitten synnyttämät mo-. j mentit kumoavat toisensa. Kuvan 4C mukaisessa ratkaisussa on kaksi kiinnityspis- 9 111457 tettä 430p ja 430q, jotka sijaitsevat symmetrisesti kehikon 480 erään osan suhteen niin, että yhden kiinnityspisteen 430p synnyttämä momentti kumoaa toisen kiinni-tyspisteen 43 Oq synnyttämän momentin. Kuvan 4D mukaisessa ratkaisussa on myös kaksi kiinnityspistettä 430r ja 430s, jotka sijaitsevat symmetrisesti kehikon 480 5 eräässä osassa olevan ulkonevan osan 481 suhteen niin, että yhden kiinnityspisteen 430r synnyttämä momentti kumoaa toisen kiinnityspisteen 430s synnyttämän momentin.

Kuva 5 esittää esimerkkinä erästä keksinnön mukaista mikromekaanista siltaa. Siltaan kuuluu jousirakenne 570, 572 riippuvan rakenteen 510 ja ankkurien 530 ja 532 10 välissä. Jousirakenne vähentää alustan ja riippuvan rakenteen lämpölaajenemisen epäsovituksen aiheuttamaa kuormitusta. Lisäksi jousirakenne vähentää riippuvaan rakenteeseen valmistuksen aikana muodostunutta sisäistä jännitystä.

Kuva 6 esittää esimerkkinä keksinnön mukaisen mikromekaanisen sillan jousi- ja ankkurielimien poikkileikkausta. Ankkuri 630 koostuu ensimmäisestä metalliker-15 roksesta 630A ja toisesta metallikerroksesta 630B. Vahvistettua rakennetta käytetään myös jousielimessä 670, joka siis koostuu ensimmäisestä metallikerroksesta 670A ja toisesta metallikerroksesta 670B. Kuvassa 6 on esitetty myös riippuva rakenne 610 ja alusta 650.

Jousirakenne voidaan toteuttaa säädettävissä kondensaattoreissa useilla eri tavoilla.

20 Kuvissa 4 ja 5 esitettiin eräs ensimmäinen toteutus, jossa jousirakennetta käytetään palkin molemmissa päissä lämpötilariippuvuuden pienentämiseksi ilman, että samalla oleellisesti lisättäisiin sarjaresistanssia. Kuva 7 esittää erästä toista toteutusta, jossa yksi vahvistettu jousi 770 sijaitsee palkin keskellä ja jakaa palkin kahteen osaan 710 ja 712. Ankkurit 730 ja 732 on kytketty suoraan palkin kahteen osaan 25 710,712.

Kuva 8 esittää esimerkkinä keksinnön mukaista neliömäisen elektrodilevyn kytken-tärakennetta. Tässä suoritusmuodossa toinen metallikerros muodostaa vahvistetun kehikon 880, 880A, 880B, joka muodostaa vakaat rajapintaominaisuudet liikkuvalle elektrodille 810 ja estää siten kalvokondensaattorirakenteen käyristymisen. Käyris-30 tymisilmiö rajoittaa ohutkalvokondensaattorin kokoa, jolloin toisen metallointiker-roksen tuottamat vakaat rajapintaominaisuudet mahdollistavat paljon suurempien rakenteiden toteutuksen ja lisäksi pienentävät sarjaresistanssia. Kehikko 880 on kytketty neljän jousen 870, 872, 874 ja 876 kanssa ankkureihin 830, 832, 834 ja .t 836. Sekä ankkureilla että jousilla on vahvistettu rakenne (872A, 872B, 876A, 1 35 876B).

10 111457

Kuva 9A esittää erästä keksinnön mukaista edullista kytkentärakennetta, jossa käytetään kehikkoa suorakulmaiselle elektrodilevylle. Tässä suoritusmuodossa toinen metallikerros muodostaa vahvistetun kehikon 980, joka on kulmista kiinnitetty liikkuvaan ohutkalvoon 910 sisemmillä jousilla 990, 992, 994 ja 996 estäen siten ohut-5 kalvokondensaattorirakenteen käyristymisen. Kehikko on kytketty alustaan neljällä ankkurilla 930, 932, 934 ja 936, jotka on kytketty kehikkoon ulommilla palkeilla 970, 972, 974 ja 976, jotka toimivat myös jousina. Ankkureilla ja jousilla voi myös olla vahvistettu rakenne.

Kuvissa 9B ja 9C on esitetty muita mahdollisia muotoja kehikon sisältävälle järjes-10 telylle. Kuva 9C esittää suoritusmuotoa, jossa kehikko 980 on symmetrinen kahden ankkurointipisteen 930 ja 932, joihin kehikko on joustavasti kiinnitetty, välisen akselin 957 suhteen. Poikittaispalkki 955 on järjestetty jäykistämään kehikkoa enem-pien ankkurointipisteiden puuttuessa. Kalvo 910 on kiinnitetty tähän jäykkään kehikkoon. Kuva 9D esittää kuvassa 9B esitetyn rakenteen tyypillisiä niittoja. Kuvassa 15 esitetyt tyypilliset mitat ovat mikrometreissä. Ohutkalvon ympärillä oleva, lämpö-kuormituksia kompensoiva kehys on tyypillisesti noin 20 pm leveä ja 10 pm paksu. Kehikko on riittävän jäykkä estämään rakenteen käyristymistä. Keskellä sijaitsevan ohutkalvon toimiessa säädettävänä kondensaattorina sen tyypillinen paksuus on 1 pm. Ohutkalvon sivun pituus on tyypillisesti 50-500 pm. Kuvassa 9D on myös 20 esitetty ulompien palkkien 998, 999 käyttö siinä tarkoituksessa, että kalvon minkä tahansa pituinen laajeneminen ei saavuta alustaa ankkurien 930 ja 932 kautta.

Kuvien 9A-9B suoritusmuodoilla ori seuraavat edulliset ominaisuudet: a) Ohutkalvo 910 on suorakulmainen, edullisesti neliömäinen; b) Ympäröivä kehikko 980 on rakenteeltaan yhtenäinen ja suorakulmainen (neliö-25 mäinen); c) Sisemmät jouset 990, 992, 994 ja 996 liittävät ohutkalvon kehikkoon kehikon nurkissa; d) Kehikko 980 on ankkuroitu alustaan kehikon muodostavien palkkien keskeltä; e) Rakenteessa voi olla valinnaisesti ulompia palkkeja, jotka edelleen kytkevät yh-.· 30 teen kehikon ja alustaan ankkuroinnin.

Rakenne on edullisesti symmetrinen. Kehikon ankkurointi alustaan ja ohutkalvon kiinnitys kehikkoon ovat edullisesti 45 asteen kulmassa toisiinsa nähden. Rakenteen aikaansaama kalvon mekaaninen erotus alustasta on optimaalinen.

Mittaukset osoittavat, että kuvan 9A mukainen rakenne lähes täydellisesti ehkäisee 35 lämpötilamuutosten aiheuttamat jännitysmuutokset ohutkalvossa. Ohutkalvoa ym- 11 111457 päröivä kehikko muuttaa muotoaan lämpökuormituksen alaisena, mutta ohutkalvo pysyy pääosin muuttumattomana. Tapauksessa, jossa perinteisessä siltarakenteessa riippuvaan ohutkalvoon syntyisi 100 MPa:n jännitys, kuvan 9A mukaisella rakenteella mitattiin alle 0,5 MPa:n lämpöjännitys ohutkalvossa. Tässä mittauksessa läm-5 pötilan muutos oli 50 °C, mikä on mahdollista mobiililaitteiden toimintaympäristössä.

Kehikkoa voidaan vahvistaa edellä esitetylle ohutkalvolle ominaisen liikkeen suunnassa tapahtuvaa liikettä vastaan valmistamalla koko kehikko paksuksi tässä suunnassa käyttämällä kehikossa paksumpaa materiaalia. Toinen tapa kehikon vahvista-10 miseksi on käyttää kehikon poikkileikkauksen profilointia. Palkkigeometria voi olla esimerkiksi U- tai T-profiilin mukainen. Kuva 9E esittää yksinkertaistetusti profiloimalla vahvistetun kehikon 980 ympäröimää siltakondensaattoria ylhäältä päin tarkasteltuna sekä poikkileikkauksena. Tätä vahvistusta voidaan käyttää, ei vain kehikkoa hyödyntävissä suoritusmuodoissa kuten kuvien 9A-9D esimerkeissä, vaan 15 myös muissa kuten esimerkiksi kuvissa 5-7 esitetyissä suoritusmuodoissa.

Kuva 9F esittää inertiamassan 914 sisältävän kiihtyvyysanturin toteutusta keksityn lämpötilan kompensointirakenteen avulla. Teorian mukaan tarkin menetelmä kapa-sitiivisen rakenteen siirtymän mittaamiseksi on kapasitiivisen anturin säätäminen induktorilla. Induktorilla säädetyn kapasitiivisen anturin tarkkuuden parantuminen 20 on kääntäen verrannollinen säädetyn piirin Q-arvoon. Voidaan päätellä, että RF-mit-tausperiaate parantaa mittaustarkkuutta vain, jos säätöpiirin Q-arvo on suhteellisen suuri, esimerkiksi Q > 100. Uusimmalla tekniikalla toteutetuilla mikromekaanisilla kiihtyvyysmittareilla on suuri sarjaresistanssi ja siten pieni Q-arvo. Esillä olevan keksinnön mukaisella kiihtyvyysmittarilla, jossa käytetään 400x400 pm2 levyä, jon-25 ka paksuus on 12 pm, voidaan toteuttaa kiihtyvyysmittari, jonka herkkyys on 10'2 pm/g, mikä on optimaalinen 50 g:n mittausalueelle.

Kuvassa 10 on esitetty kuvan 9A mukaisen säädettävän kondensaattorin sähköinen vastinpiiri. Taulukossa 1 on esitetty kuvaan 10 liittyvät parametrit samoin kuin kuvan 9A mukaisen rakenteen eräitä tyypillisiä sähköisiä parametrejä.

12 111457

Taulukko 1. Kuvan 10 esittämän sähköisen vastinpiirin parametrit

Parametri Kuvaus Arvo

C Kapasitanssi ilmaraossa (paksuus 1 pm) 1,0 pF

Cd Kapasitanssi dielektrisessä kerroksessa (paksuus 100 nm) 44 pF

Rs_1 Alaelektrodin resistanssi (paksuus 1 pm) 0,05 Ω

Ls_1 Alaelektrodin induktanssi (paksuus 1 pm) 0,05 nH

Rs_2 Yläelektrodin resistanssi (paksuus 0,5 pm) 0,1 Ω

Ls_2 Yläelektrodin induktanssi (paksuus 0,5 pm) 0,11 nH

Rs_3 Kehikon resistanssi (paksuus 10 pm) 0,06 Ω

Ls_3 Kehikon induktanssi (paksuus 10 pm) 0,18 nH

Rs_4 Kehikon resistanssi (paksuus 10 pm) 0,03 Ω

Ls_4 Kehikon induktanssi (paksuus 10 pm) 0,14 nH

Cp_1 Loiskapasitanssi alustaan 0,1 - 0,5 pF

Rp_1 Alustan resistanssi ~10kn

Cp_2 Loiskapasitanssi bias-elektrodiin 1 pF

Rp_2 Ohjauspiirin impedanssi > 1 kO

Taulukon 1 arvot osoittavat sarjaresistanssi- ja induktanssiarvojen olevan hyvin pieniä, jolloin kondensaattori on erittäin sopiva suurtaajuussovelluksiin.

5 Kuvat 11A-1 ID esittävät neljää toteutusta kytkentäkehikolla varustetusta säädettävästä kondensaattorista ja säädettävän kondensaattorin kytkentää koplanaariselle aaltoputkijohdolle (CPW). Kuvien llAja 11B suoritusmuodoissa kehikko 1180 on maadoitettu maadoitusjohtoihin 1140, 1142 kahdesta kiinnityspisteestä 1132, 1136, ja kuvien 11C ja 11D suoritusmuodoissa kehikko on maadoitettu maadoitusjohtoi- 10 hin 1140, 1142 kaikista neljästä kiinnityspisteestä 1130, 1132, 1134, 1136. Ohut- 13 111457 kalvo 1110 on kytketty kehikkoon 1180 kaikista nurkista sekä mekaanisesti että sähköisesti.

Kuvien 1 IA ja 1 IB suoritusmuodoissa signaalielektrodi 1145 toimii myös ohjaus-elektrodina, mutta kuvien 11C ja 1 ID suoritusmuodoissa on erillinen signaalielekt-5 rodi 1146 ja kapasitanssia säädetään erillisillä ohjauselektrodeilla 1147, 1148. Kuvissa 11C ja 11D on esitetty myös ohutkalvon 1110 alla sijaitsevat signaali-ja ohja-uselektrodit; itse ohutkalvo voi olla samanlainen kaikissa neljässä suoritusmuodossa.

Kuvien 1 IA-1 ID suoritusmuodoissa liikkuva ohutkalvo on maadoitettuja signaali-10 ja ohjauselektrodit ovat kiinteästi alustalla, joka on sopivampi tapa jäljestää sähköiset kytkennät ohutkalvolle. Tällä tavoin minimoidaan myös kondensaattorin signaa-lielektrodin ja alustan maapotentiaalin välinen loiskapasitanssi. On kuitenkin mahdollista käyttää liikkuvaa ohutkalvoa signaalielektrodina ja alustan kiinteää elektrodia maadoituselektrodina.

15 Kuvissa 12A ja 12B on esitetty keksityn rakenteen valmistuksessa käytetyn tyypillisen prosessin eri vaiheita. Alustalle 1211 kasvatetaan ensin suojaava nitridikerros 1212, jonka päälle muodostetaan polymeerikerros 1213, vaihe 1210. Polymeeri voidaan muodostaa esimerkiksi spinning-tekniikalla. Seuraavassa vaiheessa 1220 tehdään ensimmäinen litografia ja kuvioidaan ankkurin aukko polymeeriin. Vaiheessa 20 1230 kasvatetaan ja kuvioidaan siemenkerros 1234, minkä jälkeen seuraa elektro- lyysipinnoitus vaiheessa 1240. Ensimmäisessä elektrolyysipinnoituksessa muodostetaan ohut (esimerkiksi 1 pm:n paksuinen) metallikerros 1245 uhrattavan polymee-rikerroksen päälle.

Vaiheessa 1250 muodostetaan toinen polymeerikerros 1256, joka poistetaan osittain 25 kolmannessa litografiavaiheessa. Nyt osa ensimmäisestä metallirakenteesta on näkyvissä ja sitä käytetään siemenkerroksena toiselle elektrolyysipinnoitukselle, vaihe 1260. Tämä elektrolyysipinnoitus muodostaa paksun (esimerkiksi 10 μηι:η paksuisen) metallikerroksen 1267, joka vakauttaa ankkurin ja muodostaa sekä vahvistaa * jouset. Viimeisessä vaiheessa 1278 syövytetään uhrattava polymeeri pois, jolloin 30 riippuva rakenne vapautuu.

Keksintöä on edellä selostettu viitaten yllä mainittuihin suoritusmuotoihin ja tuoden esille keksinnön useita teollisia etuja. On selvää, ettei keksintö rajoitu yksinomaan näihin suoritusmuotoihin vaan kattaa kaikki mahdolliset suoritusmuodot, jotka ovat keksinnöllisen ajatuksen ja oheisten patenttihakemusten suojapiirissä. Mikromekaa- 14 111457 nisen järjestelyn keksinnöllinen idea ei esimerkiksi rajoitu käytettäväksi vain säädettävän kondensaattorin yhteydessä vaan sitä voidaan soveltaa myös moniin muihin komponentteihin ja tarkoituksiin. Keksinnön eräs esimerkinomainen sovellus on inertia-anturi, kuten esimerkiksi kiihtyvyysmittari tai kulmanopeusanturi, joissa 5 esillä olevan keksinnön avulla voidaan saavuttaa pieni sarjaresistanssi ja suuri Q-arvo yhdessä suuren inertiamassan kanssa. Keksintö ei myöskään rajoitu edellä mainittujen materiaalien käyttöön. Vahvistettu rakenne voi esimerkiksi sisältää ohutkalvoa ja/tai elektrolyysipinnoitettua metallia, se voi sisältää monikiteistä piitä ja/tai yksikiteistä piitä, tai se voi sisältää eristekalvoja.

♦ - • - 15 111457

Viittaukset [1] Y. Konaka & M.G. Allen, "Single- and multi-layer electroplated microaccelerometers", Digest of Tech. Papers, IEEE 1996.

[2] J.T. Ravnkilde, "Nickel surface micromachined accelerometers", Internal Re- 5 port, MIC-DTU, August 1998.

[3] Dec A. & K. Suyama, Micromachined electro-mechanically tuneable capacitors and their applications to RF IC's, pp. 2587-2596, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 46, No. 12, 1998.

[4] Gill J., L. Ngo, P. Nelson & C-J Kim, Elimination of extra spring effect at the 10 step-up anchor of surface-micromachined structure, Journal of microelectro- mechanical systems, pp. 114-121, Vol. 7, No. 1,1998.

[5] Nguyen C., L Katehi & G. Rebeiz, Micromachined devices for wireless communications, pp. 1756-1768, Proc. IEEE, Vol. 86, No. 8, 1998.

[6] D.J. Young, J.L. Tham, & B.E. Boser, A Micromachine-Based Low Phase- 15 Noise GHz Voltage-Controlled Oscillator for Wireless Communications, Proc.

of Transducers '99, June 7-10,1999, Sendai, Japan, pp. 1386-1389).

< 1 ψ '

Claims (16)

111457

1. Järjestely liikkuvan elimen (910), jolla on sille ominainen liikesuunta, kytkemiseksi mikromekaanisen komponentin kiinteään rakenteeseen, kuten alustaan (950), järjestelyn sisältäessä ainakin yhdet kytkentävälineet (930-936) liikkuvan 5 elimen kytkemiseksi kiinteään rakenteeseen tunnettu siitä, että järjestely käsittää ainakin yhdet joustavat välineet (980, 990-996) liikkuvan elimen ja muun rakenteen erisuuruisen lämpölaajenemisen sallimiseksi suunnassa, joka on oleellisesti kohtisuorassa liikkuvalle elimelle ominaista liikettä vastaan, jolloin mainitut kytkentävä-lineet (930-936) ja/tai joustavat välineet (980, 990-996) ovat vahvistetut niin, että 10 ne ovat oleellisesti joustamattomat liikkuvalle elimelle ominaisessa liikesuunnassa.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mainitut joustavat välineet (980) sijaitsevat mainitun liikkuvan elimen (910) ja mainittujen kyt-kentävälineitten (930-936) välissä.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että joustavat väli-15 neet (990-996) sijaitsevat mainitussa liikkuvassa elimessä.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen jäijestely, tunnettu siitä, että joustavat välineet sisältävät liikkuvaan elimeen (910) ja kytkentävälineisiin (930-936) kytketyn kehikon (980) liikkuvan elimen kytkemiseksi joustavasti kytkentävälineisiin.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vahvistus saadaan aikaan materiaalin suuremman paksuuden avulla.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vahvistus saadaan aikaan muotoprofiloinnin avulla.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että 25 vahvistettu rakenne sisältää ohutkalvoa ja/tai elektrolyysipinnoitettua metallia. .1 8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vah vistettu rakenne sisältää monikiteistä piitä ja/tai yksikiteistä piitä.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että vahvistettu rakenne sisältää eristekalvoa. 111457

10. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kehikko on kiinnitetty liikkuvaan elimeen kehikon sisäpuolelta ja kehikko on kiinnitetty kytken-tävälineisiin kehikon ulkopuolelta.

11. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kytkentäväli-5 neet on kytketty kiinteään rakenteeseen ainakin kahdesta eri ankkurointipisteestä (430p, 430q, 430r, 430s), jotka sijaitsevat symmetrisesti mainitun kehikon (480) osan suhteen.

12. Patenttivaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että kehikko (980) on kiinnitetty liikkuvaan elimeen (910) kehikon kulmista (990-996) ja kehikko 10 (980) on kiinnitetty kytkentävälineisiin (930-936) kehikkopalkkien keskeltä.

13. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että liikkuva elin on taipuva kalvo.

14. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen järjestely, tunnettu siitä, että liikkuva elin on säädettävän kondensaattorin elektrodi.

15. Jonkin patenttivaatimuksen 1-12 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että liik kuvalla elimellä on laajennettu paksuus, joka muodostaa inertia-anturin inertiamas-san (914).

16. Mikromekaaninen komponentti, tunnettu siitä, että se sisältää jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukaisen järjestelyn. . Patentkrav