DE102021204653A1 - In-plane MEMS varactor - Google Patents
In-plane MEMS varactor Download PDFInfo
- Publication number
- DE102021204653A1 DE102021204653A1 DE102021204653.3A DE102021204653A DE102021204653A1 DE 102021204653 A1 DE102021204653 A1 DE 102021204653A1 DE 102021204653 A DE102021204653 A DE 102021204653A DE 102021204653 A1 DE102021204653 A1 DE 102021204653A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- electrode
- electrode structure
- actuator
- mems
- capacitance value
- 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.)
- Ceased
Links
Images
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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
- H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
-
- 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
- B81B2201/0221—Variable capacitors
-
- 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
- B81B2203/04—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
- B81B2203/051—Translation according to an axis parallel to the substrate
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES, LIGHT-SENSITIVE OR TEMPERATURE-SENSITIVE DEVICES OF THE ELECTROLYTIC TYPE
- H01G5/00—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture
- H01G5/16—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes
- H01G5/18—Capacitors in which the capacitance is varied by mechanical means, e.g. by turning a shaft; Processes of their manufacture using variation of distance between electrodes due to change in inclination, e.g. by flexing, by spiral wrapping
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
Ein MEMS-Bauelement umfasst ein in einer Substratebene angeordnetes Substrat und eine Elektrodenanordnung mit einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zueinander angeordnet sind, um einen elektrischen Kondensator zu bilden. Das MEMS-Bauelement umfasst einen Aktuator, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators zu verändern. Der Aktuator weist dabei zumindest zwei parallel zu der Substratebene beabstandete und an diskreten Bereichen mechanisch miteinander verbundene Balken auf, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, das ausgebildet ist, um sich in-plane-bezogen auf die Substratebene zu bewegen, um den Elektrodenabstand zu verändern. A MEMS component comprises a substrate arranged in a substrate plane and an electrode arrangement with a first electrode structure and a second electrode structure which are arranged opposite one another parallel to the substrate plane in order to form an electrical capacitor. The MEMS component includes an actuator which is coupled to the electrode arrangement and is designed to change an electrode spacing between the first electrode structure and the second electrode structure parallel to the substrate plane in order to change an electrical capacitance value of the electrical capacitor. The actuator has at least two bars spaced apart parallel to the substrate plane and mechanically connected to one another in discrete areas, which form a common movable element that is designed to move in-plane relative to the substrate plane in order to change the electrode spacing .
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf MEMS-Bauelemente und Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements, insbesondere solcher MEMS-Bauelemente, die durch eine Bewegung parallel zu einer Substratebene einen Kapazitätswert ändern. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Varaktor.The present invention relates to MEMS components and methods for changing an electrical capacitance value of a MEMS component, in particular those MEMS components that change a capacitance value by moving parallel to a substrate plane. In particular, the present invention relates to a varactor.
Ein MEMS-Varaktor ist eine variable Kapazität, bei der die Kapazitätsänderung meist durch die Änderung des Elektrodenabstands realisiert wird. MEMS-Varaktoren haben typischerweise kleine Durchstimmbarkeiten (engl.: tuning ratio, TR) von weniger als 5, weil der für die Durchstimmbarkeit notwendige Elektrodenhub stark begrenzt ist. Die Begrenzung ist durch die verwendbare Aktorik erklärt. Normalerweise ist das eine klassische elektrostatische bzw. direkte Coulomb'sche Anziehung zwischen der geerdeten Elektrode und der Signallinie (RF-Line). Wegen solchen Limitierungen wie z. B. dem Pull-ln(PI)-Effekt kann beispielsweise nur ca. ein Drittel vom initialen Abstand der Elektroden zur Kapazitätsvariation genutzt werden. Die Ausnutzung dieses Abstands oder Gaps ist somit ineffizient unabhängig von dem Ausgangsabstand und führt zu einem kleinen Tuning Ratio, welches wie folgt definiert ist:
Ein Zusatzproblem bei dem Pull-In ist das Verkleben (engl.: sticking) der Elektroden, das auftreten kann.An additional problem with the pull-in is the sticking of the electrodes, which can occur.
Wünschenswert wären demnach MEMS-Bauelemente, die ein hohes Tuning Ratio aufweisen.Accordingly, MEMS components that have a high tuning ratio would be desirable.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, MEMS-Bauelemente mit einem hohen Tuning-Ratio bezogen auf eine elektrische Kapazität zu schaffen.One object of the present invention is therefore to create MEMS components with a high tuning ratio based on an electrical capacitance.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.This object is solved by the subject matter of the independent patent claims.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Elektrode einer Elektrodenanordnung, die einen elektrischen Kondensator bildet, in-plane, das bedeutet parallel zu der Substratebene, zu verändern und hierfür ein eigenes Aktuatorelement vorzusehen, wodurch eine entsprechende Haltekraft auf die bewegte Elektrode ausgeübt wird, was den Pull-In-Effekt reduzieren kann, womit der effektiv nutzbare Stellweg vergleichsweise groß ausfallen kann und damit auch ein hohes Tuning Ratio erzielt werden kann. Hierzu eignen sich einerseits Aktuatoren mit zwei oder mehr parallel zu der Substratebene beabstandeten und an diskreten Bereichen isolierten und mechanisch miteinander verbundenen Balken als auch eine Anordnung, bei der mehrere Kapazitätswerte gleichzeitig vergrößert oder gleichzeitig verkleinert werden.The core idea of the present invention is to change an electrode of an electrode arrangement that forms an electrical capacitor in-plane, i.e. parallel to the substrate plane, and to provide a separate actuator element for this purpose, as a result of which a corresponding holding force is exerted on the moving electrode. which can reduce the pull-in effect, with which the effectively usable travel can be comparatively large and thus a high tuning ratio can also be achieved. On the one hand, actuators with two or more parallel bars spaced apart from the substrate plane and isolated in discrete areas and mechanically connected to one another are suitable for this purpose, as well as an arrangement in which several capacitance values are increased or decreased simultaneously.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement ein in einer Substratebene angeordnetes Substrat. Ferner ist eine Elektrodenanordnung angeordnet, die eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur aufweist, wobei die zweite Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der ersten Elektrodenstruktur angeordnet ist, um einen elektrischen Kondensator zu bilden. Das MEMS-Bauelement umfasst einen Aktuator, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um einen Elektrodenabstand zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der zweiten Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene zu verändern, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators zu verändern. Der Aktuator umfasst zumindest zwei parallel zu der Substratebene beabstandete und an diskreten Bereichen mechanisch miteinander verbundene, im Bedarfsfall dort auch elektrisch isolierte Balken, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, das ausgebildet ist, um sich in-plane-bezogen auf die Substratebene zu bewegen, um den Elektrodenabstand zu verändern. Die Kraft des Aktuators kann eine Rückstellkraft oder Haltekraft für ein durch den Aktuator bewegte Elektrode bereitstellen, was das Auftreten des Pull-In-Effekts verhindern oder hemmen kann.According to one embodiment, a MEMS component includes a substrate arranged in a substrate plane. Furthermore, an electrode arrangement is arranged, which has a first electrode structure and a second electrode structure, the second electrode structure being arranged parallel to the substrate plane opposite the first electrode structure in order to form an electrical capacitor. The MEMS component includes an actuator which is coupled to the electrode arrangement and is designed to change an electrode spacing between the first electrode structure and the second electrode structure parallel to the substrate plane in order to change an electrical capacitance value of the electrical capacitor. The actuator comprises at least two beams spaced parallel to the substrate plane and mechanically connected to one another in discrete areas, if necessary also electrically insulated there, which form a common movable element which is designed to move in-plane relative to the substrate plane, to change the electrode spacing. The force of the actuator can provide a restoring force or holding force for an electrode moved by the actuator, which can prevent or inhibit the pull-in effect from occurring.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein MEMS-Bauelement ein in einer Substratebene angeordnetes Substrat und eine Elektrodenanordnung, die eine erste Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur aufweist, wobei die zweite Elektrodenstruktur parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der ersten Elektrodenstruktur angeordnet ist, um einen ersten elektrischen Kondensator mit einem ersten Kapazitätswert zu bilden. Ferner ist ein zweiter elektrischer Kondensator angeordnet, der einen zweiten Kapazitätswert bildet und eine dritte Elektrodenstruktur aufweist, die zusammen mit der ersten Elektrodenstruktur oder einer zusätzlichen vierten Elektrodenstruktur den zweiten elektrischen Kapazitätswert bereitstellt. Es ist eine Aktuatoreinrichtung vorgesehen, die mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist und ausgebildet ist, um den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert unabhängig voneinander einzustellen und/oder den ersten Kapazitätswert und den zweiten Kapazitätswert gleichzeitig zu erhöhen oder gleichzeitig zu reduzieren.According to a further exemplary embodiment, a MEMS component comprises a substrate arranged in a substrate plane and an electrode arrangement which has a first electrode structure and a second electrode structure, the second electrode structure being arranged parallel to the substrate plane opposite the first electrode structure in order to form a first electrical capacitor with a first capacitance value. A second electrical capacitor is also arranged, which forms a second capacitance value and has a third electrode structure which, together with the first electrode structure or an additional fourth electrode structure, provides the second electrical capacitance value. An actuator device is provided, which is coupled to the electrode arrangement and is designed to set the first capacitance value and the second capacitance value independently of one another and/or to simultaneously increase or simultaneously reduce the first capacitance value and the second capacitance value.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements ein Ansteuern zumindest eines Balkens eines Aktuators mit zumindest zwei parallel zu einer Substratebene des MEMS-Bauelements beabstandeten und an diskreten Bereichen isolierten und mechanisch miteinander verbundenen Balken, die ein gemeinsamem bewegliches Element bilden, um das bewegliche Element in-plane bezogen auf die Substratebene zu bewegen. Das Verfahren wird so ausgeführt, dass ein Elektrodenabstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur einer Elektrodenanordnung und einer parallel zu der Substratebene angeordneten zweiten Elektrodenstruktur der Elektrodenanordnung parallel zu der Substratebene verändert wird, indem der Aktuator durch eine Verformung eines Balkens parallel zu der Substratebene eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt.According to one embodiment, a method for changing an electrical capacitance value of a MEMS device includes driving at least one bar of an actuator with at least two bars spaced parallel to a substrate plane of the MEMS component and isolated in discrete areas and mechanically connected to one another, which form a common movable element in order to move the movable element in-plane relative to the substrate plane. The method is carried out in such a way that an electrode spacing between a first electrode structure of an electrode arrangement and a second electrode structure of the electrode arrangement arranged parallel to the substrate plane is changed parallel to the substrate plane by the actuator exerting a force on the electrode arrangement by deforming a beam parallel to the substrate plane exercises
Ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Ändern eines ersten elektrischen Kapazitätswerts und eines zweiten elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements umfasst ein Ansteuern einer Aktuatoreinrichtung, um einen ersten Abstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die parallel zu einer Substratebene des MEMS-Bauelements gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und einen ersten elektrischen Kondensator mit einem ersten elektrischen Kapazitätswert bilden, zu ändern. Ferner wird durch das Ansteuern ein zweiter Abstand zwischen zumindest einer dritten Elektrodenstruktur und einer mit der dritten Elektrodenstruktur den zweiten elektrischen Kapazitätswert bildenden Elektrodenstruktur, die parallel zu der Substratebene gegenüberliegend zu der dritten Elektrodenstruktur angeordnet ist, geändert, um dadurch den zweiten elektrischen Kapazitätswert zu reduzieren oder zu erhöhen.A method according to an embodiment for changing a first electrical capacitance value and a second electrical capacitance value of a MEMS component includes driving an actuator device to a first distance between a first electrode structure and a second electrode structure, parallel to a substrate plane of the MEMS component opposite to each other are arranged and form a first electrical capacitor having a first electrical capacitance value. Furthermore, the actuation changes a second distance between at least a third electrode structure and an electrode structure which forms the second electrical capacitance value with the third electrode structure and is arranged parallel to the substrate plane opposite the third electrode structure, in order to thereby reduce the second electrical capacitance value or to increase.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind der Gegenstand abhängiger Patentansprüche.Further advantageous configurations are the subject matter of dependent patent claims.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen:
-
1a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel; -
1b eine schematische perspektivische Ansicht des MEMS-Bauelements aus1a ; -
2a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, das zwei Kapazitätswerte aufweist; -
2b eine schematische Draufsicht auf das MEMS-Bauelement aus2a , bei dem gegenüber dem unausgelenkten Zustand der2a Elektrodenstrukturen ausgelenkt sind; -
3 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine dielektrische Schicht zwischen Kondensatorelektroden aufweist; -
4 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement, gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Oberflächenvergrößerung der Kondensatorelektroden aufweist; -
5a eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer weiteren Oberflächenvergrößerung der Elektrodenstrukturen; -
5b eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelementgemäß einem Ausführungsbeispiel, das das MEMS-Bauelement aus5a dahin gehend erweitert, dass bei den Kondensatoren an zumindest einer der Elektrodenstrukturen eine Isolationsschichtangeordnet ist; -
6 eine schematische Draufsicht auf ein MEMS-Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem mehrere vorteilhafte Weiterbildungen implementiert sind; -
7 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus2a ; -
8 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus2a analog7 , aber in einem ausgelenkten Zustand; -
9 eine schematische Seitenschnittansicht eines MEMS-Bauelements gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Signalleitung außerhalb einer Ebene weiterer Elektrodenstrukturen angeordnet ist; und -
10 eine schematische Seitenschnittansicht des MEMS-Bauelements aus6 .
-
1a a schematic plan view of a MEMS component according to an embodiment; -
1b Figure 12 shows a schematic perspective view of the MEMS device1a ; -
2a a schematic plan view of a MEMS component according to an embodiment, which has two capacitance values; -
2 B shows a schematic plan view of the MEMS device2a , in which compared to the undeflected state of2a electrode structures are deflected; -
3 12 shows a schematic plan view of a MEMS device according to an embodiment, which has a dielectric layer between capacitor electrodes; -
4 a schematic plan view of a MEMS component, according to an embodiment, which has an increase in the surface area of the capacitor electrodes; -
5a a schematic plan view of a MEMS component according to an embodiment with a further increase in surface area of the electrode structures; -
5b FIG. 12 is a schematic plan view of a MEMS device according to an embodiment comprising the MEMS device. FIG5a extended to the effect that an insulation layer is arranged on at least one of the electrode structures in the case of the capacitors; -
6 a schematic plan view of a MEMS component according to an embodiment, in which several advantageous developments are implemented; -
7 Figure 12 shows a schematic side sectional view of the MEMS device2a ; -
8th Figure 12 shows a schematic side sectional view of the MEMS device2a analogue7 , but in a deflected state; -
9 a schematic side sectional view of a MEMS component according to an embodiment, in which a signal line is arranged outside a plane of further electrode structures; and -
10 Figure 12 shows a schematic side sectional view of the MEMS device6 .
Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.Before exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the drawings, it is pointed out that identical elements, objects and/or structures that have the same function or have the same effect are provided with the same reference symbols in the different figures, so that the elements shown in different exemplary embodiments Description of these elements is interchangeable or can be applied to each other.
Nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiele werden im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Details beschrieben. Ausführungsbeispiele können jedoch auch ohne diese detaillierten Merkmale implementiert werden. Des Weiteren werden Ausführungsbeispiele der Verständlichkeit wegen unter Verwendung von Blockschaltbildern als Ersatz einer Detaildarstellung beschrieben. Ferner können Details und/oder Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele ohne Weiteres mit einander kombiniert werden, solange es nicht explizit gegenteilig beschrieben ist.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, can 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.
Das MEMS-Bauelement umfasst ferner eine Elektrodenanordnung, die eine Elektrodenstruktur 141 und eine Elektrodenstruktur 142 umfasst. Die Elektrodenstrukturen 141 und 142 sind gegenüberliegend zueinander angeordnet, um einen elektrischen Kondensator zu bilden oder bereitzustellen. Die gegenüberliegende Anordnung erfolgt dabei parallel zu der Substratebene, so dass eine Änderung eines Abstands 16 zwischen den Elektrodenstrukturen 141 und 142 eine Bewegung zumindest einer der Elektrodenstrukturen 141 und/oder 142 parallel zu der Substratebene x/y umfasst, das bedeutet, in-plane orientiert ist.The MEMS device further comprises an electrode arrangement comprising an
Ferner umfasst das MEMS-Bauelement 18 einen Aktuator 18, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist. Obwohl in
Der Aktuator umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel zumindest zwei Balken 241 und 242, die an zwei oder mehr diskreten Bereichen 261, 262 und/oder 263 mechanisch miteinander verbunden sind und somit fixiert sind. Die verbundenen Balken bilden ein gemeinsames bewegliches Element, das ausgebildet ist, um sich in-plane bezogen auf die Substratebene zu bewegen, um den Elektrodenabstand zu verändern, indem eine Bewegung 28 des Aktuators 18 an zumindest eine der Elektrodenstrukturen übertragen wird.In the present exemplary embodiment, the actuator comprises at least two
Obwohl eine symmetrische Anordnung zweier Aktuatoren und zweier Elektrodenstrukturen 141 und 143 bezüglich der Elektrodenstruktur und 142 dargestellt ist, kann das MEMS-Bauelement 20 auch lediglich eine dieser Anordnungen umfassen, was bereits in
Für die Auslenkung des beweglichen Elements bzw. des Balkens 241 und/oder 242 können unterschiedliche Aktuatorprinzipien angewendet werden, darunter ein elektrostatischer Antrieb, ein piezoelektrisch erhaltener Antrieb und ein thermomechanischer Antrieb. Das bedeutet, die Balken 241 und/oder 242 können möglicherweise, aber nicht notwendigerweise als Elektrodenstrukturen gebildet sein. Für den Fall, dass Elektrodenstrukturen verwendet werden, etwa zum Implementieren eines elektrostatischen Antriebs, können die Balken vermittels der diskreten Bereiche 261 bis 263 auch elektrisch voneinander isoliert werden, etwa indem ein elektrischer Isolator als Verbindungsmaterial vorgesehen wird, beispielsweise Siliziumoxid oder Siliziumnitrid. Ein möglicher Aufbau des Aktuators 18 ist angelehnt an eine Implementierung in einem MEMS-Lautsprecher beispielsweise der
Basierend auf einem Funktionsprinzip des Aktuators 18 und/oder einer Verschaltung des Balkens 242 und/oder der Elektrodenstruktur 142 kann das Koppelelement 22 wahlweise elektrisch isolierend oder elektrisch leitfähig gebildet sein.Based on a functional principle of the
Der Aktuator 18 bzw. die Balken 241 und/oder 242 kann in derselben Ebene wie die Elektrodenstrukturen 141 und 142 angeordnet sein, kann aber auch in einer anderen Ebene angeordnet sein, was problemlos möglich ist, indem die Bewegung des Aktuators vermittels senkrecht zur Substratebene ausgerichteter mechanischer Elemente in die Ebene der Elektrodenstrukturen 141 und/oder 142 übertragen wird.The
Das MEMS-Bauelement 10 kann beispielsweise als MEMS-Varaktor oder als kapazitiver Hochfrequenzschalter gebildet sein.The
Ferner sei darauf hingewiesen, dass sich die Elektrodenstrukturen 141 und 142 ebenso wie der Aktuator 18 auf unterschiedliche Weise an dem Substrat 12 abstützen können. Beispielsweise kann eine Abstützung der Elektrodenstruktur 141 entlang der z-Richtung erfolgen und/oder eine Einspannung oder Abstützung entlang der x-Richtung und/oder y-Richtung. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass sich eine Elektrodenstruktur über den Aktuator am Substrat 12 abstützt, wie es beispielsweise für die Elektrodenstruktur 142 dargestellt ist. Der Aktuator kann mit dem Substrat 12 in einer beliebigen Ebene mechanisch verbunden sein und sich daran abstützen.Furthermore, it should be pointed out that the
Die Aktuatoren 181 und 182 sind beispielsweise so gebildet, dass jeweils drei Balken 241, 242 und 243 einerseits bzw. 244, 245 und 246 andererseits an diskreten Bereichen 261 bis 2610 bzw. 2611 bis 2620 miteinander mechanisch verbunden und fixiert sind.The
Beispielsweise sind die Balken 241 bis 246 jeweils als Elektrodenstrukturen gebildet, um elektrostatische Kräfte zwischen benachbarten Balken zu erzeugen, um so eine Auslenkung des Aktuators 181 und/oder 182 zu bewirken. Die Aktuatoren 181 und/oder 182 können dabei an dem Substrat 12 abgestützt sein, indem die Balken 241 bis 246 als eingespannte Balken implementiert werden, wobei sowohl eine einseitige als auch eine zweiseitige Abstützung oder Einspannung in Betracht kommen.For example, the
Die elektrischen Kondensatoren 321 und 322 weisen eine gemeinsame Elektrode 142 auf, die lediglich beispielhaft als Hochfrequenz(HF; engl.: radio frequency, RF)-leitung gebildet ist. Diese Leitung kann mit einem Signaleingang 34 und/oder einem Signalausgang 36 verbunden sein, so dass beispielsweise ein entsprechendes Signal vom Eingang 34 zum Ausgang 36 geleitet wird.The
Diese Signalleitung bzw. Elektrode 142 kann nun beidseitig mit einem Kapazitätswert C1 bzw. C2 beaufschlagt werden bzw. einen Teil hiervon bilde, wobei hierfür die Elektroden 141 und 143 gemeinsam oder unabhängig voneinander vermittels der Aktuatoren 181 und 182 eingestellt werden können.This signal line or
Es ergibt sich aber unmittelbar, dass anstelle der gemeinsamen Elektrode 142 auch eine zusätzliche Elektrodenstruktur angeordnet sein kann, so dass beispielsweise die Elektrodenstrukturen 141 und 142 einerseits und die Elektrodenstruktur 143 und eine gegenüberliegend hierzu angeordneten und nicht dargestellte Elektrodenstruktur einen jeweiligen elektrischen Kondensator bilden.However, it immediately follows that an additional electrode structure can also be arranged instead of the
In der Ausgestaltung des MEMS-Bauelements 20 dahin gehend, dass eine Signalleitung verwendet werden kann, um eine Elektrodenstruktur bereitzustellen, kann es vorteilhaft sein, den elektrischen Kondensator demgegenüber mit einer Elektrode zu bilden, die auf einem fliegenden Potenzial (engl.: floating) liegt oder aber mit einem Referenzpotenzial, etwa 0 Volt, Masse/GND oder dergleichen kontaktiert ist.In the configuration of the
In der beispielhaften Ausgestaltung des Aktuators 181 und 182 vermittels jeweils dreier benachbart zueinander angeordneter Balken, kann eine vorteilhafte Kontaktierung dieser Balken so erfolgen, dass ein innerer Balken 242 bzw. 245 mit einem Steuersignal beaufschlagt wird, angedeutet durch ein „+V“. Die äußeren Balken 241 und 243 einerseits bzw. 244 und 246 andererseits können mit dem Referenzpotenzial GND beaufschlagt werden. Wird dieses Potenzial auch für die Elektroden 141 und 143 vorgesehen, so können beispielsweise die Koppelelemente 221 und/oder 222 elektrisch leitfähig gebildet sein, um das Potenzialproblemlos von dem Balken 243 zu der Elektrode 141 und/oder von dem Balken 244 zu der Elektrode 143 zu übertragen oder andersherum, was eine Schaltungskomplexität gering halten kann.In the exemplary configuration of the
Wie es in
Das MEMS-Bauelement 20 kann eine Ansteuereinrichtung 37 aufweisen, die ausgebildet ist, um den Aktuator 181 und/oder 182 anzusteuern. Optional aber nicht notwendigerweise kann die Ansteuereinrichtung 37 beispielsweise das Referenzpotenzial GND bereitstellen. Ein Ansteuerpotenzial 39, angedeutet als „+V“ kann für beide Aktuatoren gemeinsam oder auch individuell bereitgestellt werden. Der Aktuator 181 und/oder 182 kann eingerichtet sein, um einen linearen Zusammenhang oder einen hyperbolischen, also beispielsweise einen quadratischen Zusammenhang zwischen dem Ansteuersignal 39 und einer bewirkten Änderung des elektrischen Kapazitätswerts einzustellen. Der elektrische Kapazitätswert kann bezüglich seiner Änderungen einen über eine Funktion darstellbaren Zusammenhang aufweisen, was über die Geometrie, die bewirkten Kräfte, die Änderung des Abstands sowie die weiteren geometrischen Eigenschaften problemlos einstellbar ist.The
Ein hyperbolischer Zusammenhang, also in Übereinstimmung mit einer Hyperbel ist bspw. gegeben durch eine inverse Abhängigkeit der Kapazität zum Abstand. Eine hyperbolische Bewegung kann erhalten werden, indem die bewegliche Elektrode linear verschoben wird, da die Kapazität ausgedrückt werden kann als :
Die Ansteuereinrichtung 37 kann alternativ oder zusätzlich ausgebildet sein, um den Aktuator quasi-statisch anzusteuern. Als quasi-statisch wird eine Änderung der Auslenkung des Aktuators fernab einer Resonanzfrequenz verstanden. Dies wird beispielsweise mit einer Ansteuerfrequenz von höchstens 80%, bevorzugt höchstens 50% und besonders bevorzugt höchstens 20% der Resonanzfrequenz des Aktuators bewirkt.The
Ein Ausführungsbeispiel kann anhand von
Die Varaktorelektroden sind mit den im Beispiel beidseitig eingespannten LNED Aktoren 18 mechanisch mittels Verbindungselementen 22 verbunden und sind in einem definierten Abstand (bspw. von 1 µm bis 50 µm, bevorzugt von 2,5 µm bis 5 µm) von der RF-Line 142 entfernt. Die Elektroden 141, 143 sind weiterhin mechanisch mit dem umgebenden Substrat 12 verbunden.The varactor electrodes are mechanically connected to the
Ausführungsbeispiele weisen eine Verbindung auf, die eine geringe Steifigkeit als das Substrat 12 und die Elektrode 141, 143 haben (federartig). Sie können auch nur durch Verbindungselemente 22 mit Aktoren und entsprechend mit dem Substrat verbunden werden und nicht mit dem umgebenen Substrat 12 verbunden sein. Die Verbindungselemente 22 können federartig ausgestaltet sein, das bedeutet, dass die Steifigkeit dieser Elemente geringer als die Steifigkeit der Elektroden 141, 143 oder der Aktoren 18 ist. Der Abstand 16 zwischen der RF-Line 142 und der geerdeten Elektroden 141, 143 definiert eine Anfangskapazität, was für eine Elektrodenseite des Varaktors 20 durch ein Plattenkondensatormodel mit einer simplen Formel beschrieben werden kann:
Die einheitslose Zahl, die die Kapazitätsänderung beschreibt, wird tuning ratio (TR) genannt und ist wie folgt definiert:
Im Vergleich zu den klassischen MEMS-Varaktoren wird bei dieser Anordnung die Bewegung der GND-Elektrode nicht durch die klassische elektrostatische Anziehung zur RF-Line realisiert, sondern durch die von der parasitären elektrostatischen Anziehung entkoppelten LNED-Aktorik 18 ermöglicht. Das ermöglicht eine effizientere Ausnutzung des initialen Elektrodenabstandes und eine kontinuierliche Bewegung der GND-Platte fast bis zur Berührung mit der RF-Line 142. Dadurch können deutlich höheren TR erreicht werden als Stand der Technik anbieten kann.In comparison to the classic MEMS varactors, in this arrangement the movement of the GND electrode is not realized by the classic electrostatic attraction to the RF line, but instead is made possible by the
In anderen Worten zeigt
Die Bewegung der Elektroden 141, 143 gegenüber der RF Line 142 erfolgt statisch oder quasistatisch. Typische Frequenzen der Bewegung liegen zwischen 0 und 100 % der Resonanzfrequenz der Aktoren 18. Dabei ist der Bereich von < 0 - 20 % als quasistatisch anzusehen und besonders bevorzugt. 0 % der Resonanzfrequenz ist der statische Bereich. Bevorzugte Frequenzen liegen zwischen < 0 - 50% der Resonanzfrequenz.The movement of the
Die dielektrische Schicht kann auch als Isolationsschicht bezeichnet werden und ermöglicht einerseits eine Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses zwischen aufeinander zu oder voneinander weg bewegten Elektrodenstrukturen 141 und 142 bzw. Elektrodenstrukturen 142 und 143.The dielectric layer can also be referred to as an insulating layer and, on the one hand, makes it possible to avoid an electrical short circuit between
Neben einer Kapazitätserhöhung vermittels einer Dielektrizitätskonstante εr > 1 kann insbesondere durch eine Strukturierung der Schichten 381 und/oder 382 eine Anti-Stiction-Funktion implementiert werden. Durch eine Verringerung einer Oberfläche, die mit der gegenüberliegenden Elektrode mechanisch in Anschlag gebracht werden kann, beispielsweise verglichen mit der Darstellung in der
Im Falle eines mechanischen Kontakts zwischen der ersten Elektrodenstruktur und der Isolationsschicht einerseits und der Isolationsschicht und der zweiten Elektrodenstruktur andererseits kann eine nicht-dargestellte Steuereinrichtung des MEMS-Bauelements ausgebildet sein, um ein Potenzial an eine von dem mechanischen Kontakt betroffene Elektrodenstruktur anzulegen, um es zu ermöglichen, dass Ladungsträger von der Elektrodenstruktur abfließen und so die Anhaftung (stiction) gelöst wird.In the case of a mechanical contact between the first electrode structure and the insulation layer on the one hand and the insulation layer and the second electrode structure on the other hand, a non-illustrated control device of the MEMS component can be designed to apply a potential to an electrode structure affected by the mechanical contact in order to enable charge carriers to flow away from the electrode structure and thus the adhesion (stiction) is released.
Obwohl die dielektrische Schicht 381 so dargestellt ist, dass sie an der Elektrodenstruktur 141 angeordnet ist und die dielektrische Schicht 382 so dargestellt ist, dass sie an der Elektrodenstruktur 143 angeordnet ist, kann alternativ oder zusätzlich auch eine dielektrische Schicht an der Elektrodenstruktur 142 angeordnet sein, beispielsweise der Elektrodenstruktur 141 und/oder der Elektrodenstruktur 142 zugewandt.Although
In anderen Worten zeigt
Die Oberflächenvergrößerung kann auch so verstanden werden, dass zumindest eine der beiden Elektrodenstrukturen eines Kondensators zumindest bereichsweise einen entlang eines veränderlichen Orts, etwa entlang der y-Richtung, auf einer jeweiligen Elektrodenoberfläche der Elektrodenstruktur einen veränderlichen Elektrodenabstand zueinander aufweisen. Wie es beispielsweise anhand der Abstände 161-1 und 161-2 dargestellt ist, kann sich entlang der y-Richtung der Abstand zwischen den Elektrodenstrukturen 141 und 142 verändern.The increase in surface area can also be understood to mean that at least one of the two electrode structures of a capacitor has a variable electrode spacing from one another at least in regions along a variable location, for example along the y-direction, on a respective electrode surface of the electrode structure. As is shown, for example, using the
Eine derartige Ausgestaltung hat mehrere positive Vorteile für den Kondensator und mithin den Varaktor. Zunächst kann die wirksame Oberfläche der Elektroden gegenüber der Ausgestaltung in den
In anderen Worten zeigt
Anders ausgedrückt kann die dielektrische Schicht 381 an der Elektrodenstruktur 141, die dielektrische Schicht 382 an einer der Elektrodenstruktur 141 zugewandten Seite der Elektrodenstruktur 142, die dielektrische Schicht 383 an einer der Elektrodenstruktur 143 zugewandten Seite der Elektrodenstruktur 142 und/oder die dielektrische Schicht 384 an der Elektrodenstruktur 143 in strukturierter oder unstrukturierter Weise angeordnet sein.In other words, the
In anderen Worten zeigt die
Darüber hinaus ist in
Zum einen weist das MEMS-Bauelement 60 veränderte elektrische Kondensatoren 32', und 32'2 auf. Anders als in den vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispielen mit zwei elektrischen Kondensatoren ist dabei jede der elektrischen Kondensatoren mit einem eigenen Elektrodenpaar ausgestattet. Der elektrische Kondensator 32'1 weist dabei Elektrodenstrukturen 141 und 142 auf. Ferner weist der elektrische Kondensator 32'2 Elektrodenstrukturen 143 und 144 auf. Die Elektrodenstrukturen 142 und 144 sind dabei optional an der Hochfrequenzleitung 42 mechanisch fest angeordnet, während die Hochfrequenzleitung 42 im Ausführungsbeispiel der
Die Anordnung oder Befestigung der Elektrodenstrukturen 142 und 144 an der Hochfrequenzleitung 42 kann dabei vermittels einer Isolatorschicht 441 und/oder 442 erfolgen. Diese können zwar aus demselben Material wie die dielektrische Schicht 38 der anderen Ausführungsbeispiele gebildet sein, wobei hier mehr die mechanische Kontaktierung und die elektrische Isolierung im Vordergrund steht, während in anderen Ausführungsbeispielen unter Umständen auch die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials berücksichtigt wird. Geeignete Isolationsmaterialien können ungeachtet dessen beispielsweise Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid umfassen.The arrangement or attachment of the
Die Elektrodenstrukturen 141 und/oder 143 können gegenüber den jeweils zugewandten Balken 263 bzw. 264 elektrisch isoliert sein, was jedoch optional ist. Eine elektrische Isolierung kann aber beispielsweise auch bei einer Ansteuerung der Aktuatoren 181 und 182 ein Anlegen eines von dem für den Aktuator verwendeten unterschiedlichen Potenzial genutzt werden. So ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beispielsweise eine Isolatorschicht 461 zwischen dem Koppelelement 221, vorgesehen. Das Koppelelement 221 durch ein Erweiterungssegment 48 fortgesetzt, um die Kraft des Aktuators 181 flächig auf die Elektrodenstruktur 141 zu übertragen.The
Die Isolatorschicht 461 kann verglichen mit den Isolatorschichten 441 und/oder 442 gleiche oder verschiedene Materialien aufweisen. Ein vergleichbarer Effekt kann ebenfalls erhalten werden, indem das Koppelelement 221 elektrisch isolierend gebildet wird. In einem solchen Fall kann unter Erhalt eines vergleichbaren Effekts auf die Isolatorschicht 461 verzichtet werden.The
In vergleichbarer Weise ist zwar eine Isolatorschicht 462 zwischen dem Erweiterungssegment 482 des Koppelelements 222 und der Elektrodenstruktur 143 angeordnet, um den Balken 264 von der Elektrodenstruktur 143 elektrisch zu isolieren. Auch hier kann ein vergleichbarer Effekt erhalten werden, indem das Koppelelement 222 elektrisch isolierend gebildet wird.In a comparable manner, an
In der Darstellung der
Die individuelle Beaufschlagung mit individuellen Potenzialen ermöglicht es auch sogenannte „fliegende“ (engl.: floating) Potenziale anzulegen. Während beispielsweise die
Darüber hinaus zeigt die
Zurückkommend auf die Möglichkeit, die Elektrodenstrukturen 141, 142, 143 und/oder 144 mit einem fliegenden oder schwebenden Potenzial gegenüber der Signalleitung 42 zu beaufschlagen, sei noch erwähnt, dass dies insbesondere die Möglichkeit bietet, Potenziale anzulegen, die beispielsweise im Falle eines Sticking einen Ladungsträgertransport von den Elektrodenstrukturen weg ermöglichen, um die Anhaftung zu beenden oder aufzulösen.Coming back to the possibility of applying a flying or floating potential to the
Optional kann das MEMS-Bauelement 60 auch mit einer Dielektrikumsschicht versehen sein, wie es beispielsweise im Zusammenhang mit der
Sind beide Elektroden 141 und 142 bzw. 143 und 144 unabhängig voneinander bezüglich ihres Potenzials ansteuerbar, so ermöglicht dies auch das parallele Steuern/Laden/Entladen der Elektrodenstrukturen unabhängig voneinander.If the potential of both
In den
MEMS-Bauelemente in Übereinstimmung mit hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen können ausgebildet sein, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators 321 und/oder 322 zwischen einem minimalen Kapazitätswert (größter Elektrodenabstand) und einem maximalen Kapazitätswert (minimaler Elektrodenabstand) einzustellen. Die Aktuatoren 181 und/oder 182 bzw. der Aktuator 18 kann ausgebildet sein, um einen Aktuatorhub bereitzustellen, der ein Verhältnis zwischen dem minimalen Kapazitätswert und dem maximalen Kapazitätswert von zumindest 15 bewirkt. Die Änderung der Kapazität kann dabei in einem Verhältnis von zumindest 1, zumindest 15 oder bevorzugt zumindest 20 betragen. Eine Obergrenze des Verhältnisses kann alternativ oder zusätzlich bei 1000, 500 oder 100 liegen. So können beispielhafte Verhältnisse von Kapazitätswerten zwischen 1 und 100, 15 und 50 und/oder 20 und 30 erreicht werden.MEMS devices in accordance with embodiments described herein may be configured to adjust an electrical capacitance value of the
In anderen Worten ist in
Durch diese Ausführungen ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen auf die nachfolgend eingegangen wird. Durch die weitere Elektroden 141, 143 und/oder 142, 144 reduziert sich die Gefahr einer Selbstaktuierung der Aktoren in Folge der DC-Komponente des angelegten RF-Signals in der RF-Linie und verbessert die Betriebssicherheit des Bauelements. Die Gleichstromkomponente des HF-Signals steigt mit zunehmender HF-Signalleistung und Frequenz. Durch eine floatende Elektrode erhöht sich somit die zu übertragende HF-Leistung und die HF-Frequenz, bei welcher Varaktor 60 betriebssicher eingesetzt werden kann. Es ist darüber hinaus möglich ein kontinuierliches Dielektrikum zu verwenden, da eine geringere Wahrscheinlichkeit besteht, dass sich das Dielektrikum auflädt und dadurch Haftreibung entsteht, da die Kontaktflächen metallisch, also elektrisch leitend sind. Dadurch erhöht sich im Spalt 161, 162 die Dielektrizitätszahl und infolge dessen stellt sich ein verbessertes tuning ratio ein. Darüber hinaus sind Kurzschlüsse zwischen Elektrode 481, 482 und RF Linie 42 verhindert. Durch die strukturierte Oberfläche der Elektroden 141, 143 und 142, 144 wird die Haftung zwischen diesen beiden Baugruppen im Falle eines Anhaftens verhindert. Durch die Verbindung der Elektroden 141, 143 und/oder 142, 144 mit GND oder einem spezifischen Spannungssignal kann diese Elektrode vor jedem Betriebszyklus entladen werden oder auf ein bestimmtes Niveau aufgeladen werden (in diesem Fall ist sie nicht mit GND verbunden), wodurch sich die Zuverlässigkeit und Ergebnis Reproduzierbarkeit des Bauelements verbessert.These designs result in a large number of advantages, which will be discussed below. The
In anderen Worten zeigen die
In
Wie auch bei den anderen hierin beschriebenen MEMS-Bauelementen kann für das MEMS-Bauelement 90 ein in einer Substratebene x/y angeordnetes Substrat 12 vorgesehen sein. Elektrodenstrukturen 141 und 143, können parallel zu der Substratebene x/y gegenüberliegend zueinander angeordnet sein. Elektrodenstrukturen 141 und 142 einerseits und 142 und 143 andererseits können auch einen Versatz senkrecht zu der Substratebene zu einander aufweisen, wobei die Elektrodenstrukturen 141 und 142, 141 und 143 und 142 und 143 jeweils einen elektrischen Kondensator zu bilden können. Ein Aktuator, der mit der Elektrodenanordnung gekoppelt ist, ist ausgebildet, um einen Elektrodenabstand zwischen zumindest zwei der Elektrodenstrukturen parallel zu der Substratebene zu verändern. Im MEMS-Bauelement 90 ist dies für sämtliche Elektrodenpaare möglich, etwa indem eine Verschiebung der Elektrodenstrukturen 141 und 143 auf einander zu den Abstand dazwischen beeinflusst und eine Bewegung der Elektrodenstrukturen 141 und 142 und/oder der Elektrodenstrukturen 142 und 142, relativ zu einander dieses Kriterium erfüllen, um einen elektrischen Kapazitätswert des elektrischen Kondensators zu verändern. Die beiden Aktuatoren sind ausgebildet, um die Bewegung in-plane zu erzeugen, wobei möglicherweise auch nur einer der Aktuatoren mit daran angeordneter Elektrode vorgesehen sein könnte.As with the other MEMS components described herein, a
In der gezeigten Ausführungsform sind zwei der drei Elektrodenstrukturen 141 und 143 in einer gemeinsamen Ebene parallel zu der Substratebene angeordnet und eine dritte Elektrodenstruktur 142 der drei Elektrodenstrukturen senkrecht zu der Substratebene versetzt hierzu angeordnet ist. Die Wirkung dieses Ausführungsbeispiels kann auch erhalten werden, indem bspw. lediglich das Elektrodenstrukturpaar 141 und 142 oder 142 und 143 angeordnet wäre, was einem Versatz einer der Elektrodenstrukturen des MEMS-Bauelements 10 entlang der z-Richtung entsprechen kann.In the embodiment shown, two of the three
In anderen Worten zeigt
Vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf MEMS-Bauelemente mit einem oder mehreren Aktuatoren, die jeweils zumindest zwei an diskreten Bereichen miteinander verbundene Balken umfassen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind jedoch nicht darauf beschränkt. Insbesondere im Falle von zumindest zwei Aktuatoren, die gegenüberliegend zu einer Signalleitung angeordnet sind, können auch andere Aktuatoren eingesetzt werden, beispielsweise piezoelektrische Biegeaktoren und/oder Stapelaktuatoren, andere Formen elektrostatischer oder thermomechanischer Aktuatoren oder auch andere Funktionsprinzipien, wie beispielsweise Spulenantriebe oder dergleichen. Ein derartiges MEMS-Bauelement umfasst, beispielsweise Bezug nehmend auf die
Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Verfahren zum Ansteuern derartiger MEMS-Bauelemente. Während einige Verfahren zum Ändern eines elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements ein Ansteuern zumindest eines Balkens eines Aktuators mit zumindest zwei parallel zu einer Substratebene des MEMS-Bauelements beabstandeten und an diskreten Bereichen mechanisch miteinander verbundenen Balken, die ein gemeinsames bewegliches Element bilden, um das bewegliche Element in-plane bezogen auf die Substratebene zu bewegen, umfassen, und dergestalt ausgeführt werden, dass ein Elektrodenabstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur einer Elektrodenanordnung und einer parallel zu der Substratebene angeordneten zweiten Elektrodenstruktur der Elektrodenanordnung parallel zu der Substratebene verändert wird, indem der Aktuator durch eine Verformung zumindest eines Balkens parallel zu der Substratebene eine Kraft auf die Elektrodenanordnung ausübt, können andere Verfahren zum Ändern eines ersten elektrischen Kapazitätswerts und eines zweiten elektrischen Kapazitätswerts eines MEMS-Bauelements, etwa unabhängig von der konkreten Implementierung des Aktuators, den Schritt aufweisen: Ansteuern einer Aktuatoreinrichtung, um einen ersten Abstand zwischen einer ersten Elektrodenstruktur und einer zweiten Elektrodenstruktur, die parallel zu einer Substratebene gegenüberliegend zueinander angeordnet sind und die einen ersten elektrischen Kondensator mit einem ersten elektrischen Kapazitätswert bilden, zu ändern. Ferner wird dadurch erreicht, dass ein zweiter Abstand zwischen zumindest einer dritten Elektrodenstruktur und einer Mitte der dritten Elektrodenstruktur, der einen zweiten elektrischen bildenden Elektrodenstruktur, etwa der zweiten Elektrodenstruktur 142 oder einer Elektrodenstruktur 144, und mit welcher die dritte Elektrodenstruktur einen zweiten elektrischen Kondensator mit dem zweiten Kapazitätswert bildet, zu reduzieren oder zu erhöhen.Further exemplary embodiments relate to methods for driving such MEMS devices. While some methods for changing an electrical capacitance value of a MEMS component involve driving at least one beam of an actuator with at least two beams that are spaced apart parallel to a substrate plane of the MEMS component and are mechanically connected to one another in discrete areas, which form a common movable element in order to move the movable Element to move in-plane relative to the substrate plane, include, and be carried out in such a way that an electrode spacing between a first electrode structure of an electrode arrangement and one parallel to the substrate plane arranged second electrode structure of the electrode arrangement is changed parallel to the substrate plane, in that the actuator exerts a force on the electrode arrangement by deforming at least one bar parallel to the substrate plane, other methods for changing a first electrical capacitance value and a second electrical capacitance value of a MEMS Component, for example independently of the specific implementation of the actuator, have the step of: controlling an actuator device in order to create a first distance between a first electrode structure and a second electrode structure, which are arranged opposite one another parallel to a substrate plane and which have a first electrical capacitor with a first form electrical capacitance value to change. Furthermore, it is achieved that a second distance between at least a third electrode structure and a center of the third electrode structure, the electrode structure forming a second electrical one, for example the
Ausführungsbeispiele beruhen auf dem Lösungsgedanken der Verstellung der geerdeten Varaktorelektrode, beispielsweise in einem Ausführungsbeispiel durch elektrostatisch laterale LNED-Aktorik. Das löst das oben beschriebene Problem von Pull-In für MEMS-Varaktor, weil die Bewegung bzw. Pull-In der GND-Platte entkoppelt von der Pull-In der Aktorik ist. Das ermöglicht die Ausnutzung fast des gesamten Anfangselektrodenabstandes, was die TR Faktoren von >30...50 ermöglicht. Das Problem des Verklebens existiert hier auch nicht, weil die Aktoren eine Art zusätzlichen Rückstellfeder darstellen. Durch eine spezielle Form der elektrischen Spannung kann zudem eine Linearität der Durchstimmbarkeit erreicht werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung der LNED-Aktorik ist, dass die Chiptiefe und nicht der Chip-Footprint für die Vergrößerung der Elektrodenfläche und somit der Anfangskapazität C0 benutzt werden kann. Das führt zum Kostenersparnis und ermöglicht die Miniaturisierung der MEMS-Varaktoren mit größeren Anfangskapazitäten.Exemplary embodiments are based on the solution idea of adjusting the grounded varactor electrode, for example in one exemplary embodiment by means of electrostatic lateral LNED actuators. This solves the pull-in problem for MEMS varactors described above, because the movement or pull-in of the GND plate is decoupled from the pull-in of the actuator. This enables almost the entire initial electrode spacing to be used, which enables TR factors of >30...50. The problem of sticking does not exist here either, because the actuators represent a kind of additional return spring. A linearity of the tunability can also be achieved through a special form of the electrical voltage. Another advantage of using the LNED actuator is that the chip depth and not the chip footprint can be used to increase the electrode area and thus the initial capacitance C 0 . This leads to cost savings and enables miniaturization of the MEMS varactors with larger initial capacitances.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf mikromechanische Bauelemente. Diese werden beispielsweise dazu benötigt, elektrische Signale in mechanische Wirkung zu übersetzen. Exemplary embodiments relate to micromechanical components. These are required, for example, to translate electrical signals into mechanical effects.
Im Falle der vorliegenden verformbaren Elemente resultiert eine Verformung des Elements aus einem elektrischen Eingangssignal. In diesem Falle ist das verformbare Element ein Aktuator 18.In the case of the present deformable elements, deformation of the element results from an electrical input signal. In this case, the deformable element is an
Ein verformbares Element besteht aus zumindest zwei voneinander beabstandeten, balkenförmigen Elektroden, die voneinander durch eine elektrisch isolierende Schicht 26, die unterbrochen sein kann, getrennt sind. Beide Elektroden sind mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen belegt, infolge dessen ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden aufgespannt wird. Dadurch verformen sich die Elektroden zueinander. Durch die geometrischen Verhältnisse der Elektroden kann die Verformungsrichtung beeinflusst werden. Im vorliegenden Fall erfolgt eine laterale Verformung innerhalb der Substratebene (in plane).A deformable element consists of at least two spaced beam-shaped electrodes separated from each other by an electrically insulating
Manche der hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Elektroden, die über mechanische Fixierungen miteinander verbunden sind und ausgebildet sind, um basierend auf einem elektrischen Potential eine Bewegung auszuführen. Ausführungsbeispiele sind jedoch nicht hierauf beschränkt, sondern können eine beliebige Art von Balkenstrukturen, d. h. Balken, aufweisen, die ausgebildet sind, um ansprechend auf eine Aktuierung eine über die mechanische Fixierung in eine Bewegung umgewandelte Kraft bereitzustellen (Aktuator), etwa unter Verwendung piezoelektrischer Werkstoffe, oder anderer aktuierbarer Stoffe. Die Balken können bspw. elektrostatische, piezoelektrische, magnetostriktive und/oder thermomechanische Elektroden sein, die basierend auf einem angelegten Potential eine Verformung bereitstellen.Some of the exemplary embodiments described herein relate to electrodes that are connected to one another via mechanical fixations and are configured to perform a movement based on an electrical potential. However, embodiments are not limited to this, but can be any type of beam structure, i. H. Beams that are designed to respond to an actuation by providing a force converted into a movement via the mechanical fixation (actuator), for example using piezoelectric materials or other actuatable substances. For example, the beams may be electrostatic, piezoelectric, magnetostrictive, and/or thermomechanical electrodes that provide deformation based on an applied potential.
Die nachfolgend vorgestellten MEMS-Bauelemente sind Schichtstapel, die zumindest aus einer Substratschicht bestehen in der die Elektroden und die passiven Elemente angeordnet sind. Weitere Schichten betreffen einen Boden, der auch als Handlewafer bezeichnet wird und einen Deckel, der auch als Deckelwafer bezeichnet wird. Sowohl Deckel- als auch Handlewafer sind über stoffschlüssige Verfahren, vorzugsweise Bonden, mit der Substratebene verbunden, wodurch abgedichtete Zwischenräume im Bauelement entstehen. In diesem Zwischenraum, der der Deviceebene entspricht verformen sich die verformbaren Bauelemente, in anderen Worten erfolgt die Verformung in plane.The MEMS components presented below are layer stacks that consist of at least one substrate layer in which the electrodes and the passive elements are arranged. Further layers relate to a base, which is also referred to as a handle wafer, and a cover, which is also referred to as a cover wafer. Both the cover wafer and the handle wafer are connected to the substrate level using material-to-material methods, preferably bonding, which creates sealed gaps in the component. In this intermediate space, which corresponds to the device plane, the deformable components deform, in other words the deformation takes place in plane.
Die Schichten können beispielsweise elektrisch leitfähige Materialien aufweisen, beispielsweise dotierte Halbleitermaterialien und/oder Metallmaterialien. Die schichtweise Anordnung elektrisch leitfähiger Schichten ermöglicht eine einfache Ausgestaltung, da durch selektives Herauslösen aus der Schicht Elektroden (für auslenkbare Elemente) und passive Elemente gebildet werden können. Sofern elektrisch nicht leitfähige Werkstoffe angeordnet sein müssen, erfolgt der schichtweise Auftrag dieser Werkstoffe durch Abscheidungsverfahren.The layers can have, for example, electrically conductive materials, for example doped semiconductor materials and/or metal materials. The layered arrangement of electrically conductive layers enables a simple design, since electrodes (for deflectable elements) and passive elements can be formed by selectively removing them from the layer. If electrically non-conductive materials have to be arranged, these materials are applied in layers using deposition processes.
Hierin beschriebene Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele können ohne weiteres miteinander kombiniert werden. Weitere Vorteile, die sich durch die hierin beschriebenen Merkmale und Ausführungsbeispiele ergeben, liegen darin, dass durch die Abstände 16 ein großer Hub der Elektroden möglich ist. Gleichermaßen zeigen die Ausführungsbeispiele, dass ein RF-HF-Signal in der RF-Linie vollständig von den Ansteuersignalen der Aktuatoren abgetrennt werden kann. Dadurch können die maximale Leistung und die maximale Frequenz innerhalb der RF-Linie der vorgestellten Varaktoren signifikant angehoben werden. Das Risiko der Selbstanregung aufgrund der Gleichstromkomponente des zugeführten HF-Signals, was in einem Pull-In enden kann, können durch die Verwendung von Elektrodenkonfigurationen mit hoher Steifigkeit, zum Beispiel beidseitig eingespannter Konfiguration der Balken der Aktuatoren oder schwebenden Elektroden, siehe
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf:
- • Ein MEMS Bauelement mit mindestens einem auslenkbaren Element und mindestens einer feststehenden Elektrode, zwischen denen ein elektrisches Feld aufgespannt ist
- ◯ durch die Relativbewegung zwischen auslenkbaren Element erfolgt eine Änderung der Kapazität des MEMS Bauelement
- ◯ Die Änderung der Kapazität erfolgt beispielsweise linear mit der Änderung des Eingangssignals (Zukunft)
- ◯ Aktuell: hyperbolischer Verlauf der Spannungs- Kapazitätsänderung
- • Eine Bewegungsrichtung in plane
- • Eine Bewegungsart quasistatisch oder von 0-100% der Resonanzfrequenz der Aktoren, bevorzugt 0-50% und besonders bevorzugt 0-20%. 0% stellt dabei eine statische Auslenkung dar. Der Bereich 0-20% kann als quasistatisch angesehen werden.
- • Das MEMS Bauelement ist ein Varaktor
- • Das auslenkbare Element basiert auf einem elektrostatischen, piezo-, thermomechanischen Auslenkungsprinzip
- • Eine Änderung der Kapazität kann in einem Verhältnis von 1-100, bevorzugt 15-50, bes. bevorzugt 20-30 eingestellt werden
- • In einigen Ausführungsbeispielen kann die Änderung der Kapazität in einem Verhältnis von bis zu 1000 einstellbar sein
- • RF Line ist mit dem Handle-Wafer elektrisch isoliert durch eine Isolationsschicht verbunden. Die Isolationsschicht kann unterbrochen sein. Das bedeutet, dass die RF-Line nur partiell mit dem Handle-Wafer verbunden ist
- • Eine Verwendung der Vorrichtung als Varaktor oder als HF- kapazitativ Schalter
- • A MEMS component with at least one deflectable element and at least one stationary electrode between which an electrical field is spanned
- ◯ due to the relative movement between the deflectable element, there is a change in the capacitance of the MEMS component
- ◯ For example, the change in capacitance occurs linearly with the change in the input signal (future)
- ◯ Current: hyperbolic course of the voltage-capacitance change
- • A direction of movement in plane
- • A type of movement quasi-static or from 0-100% of the resonant frequency of the actuators, preferably 0-50% and particularly preferably 0-20%. 0% represents a static deflection. The range 0-20% can be viewed as quasi-static.
- • The MEMS component is a varactor
- • The deflectable element is based on an electrostatic, piezo, thermomechanical deflection principle
- • A change in capacity can be adjusted in a ratio of 1-100, preferably 15-50, particularly preferably 20-30
- • In some embodiments, the change in capacitance can be adjustable in a ratio of up to 1000
- • The RF line is connected to the handle wafer with an electrically insulated connection using an insulation layer. The insulation layer can be broken. This means that the RF line is only partially connected to the handle wafer
- • A use of the device as a varactor or as an RF capacitive switch
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.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 a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also constitute a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It is understood that modifications and variations to the arrangements and details described herein will occur to those skilled in the art. 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 embodiments herein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents cited by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2018/193109 A1 [0021]WO 2018/193109 A1 [0021]
Claims (23)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102021204653.3A DE102021204653A1 (en) | 2021-05-07 | 2021-05-07 | In-plane MEMS varactor |
| PCT/EP2022/062106 WO2022233997A1 (en) | 2021-05-07 | 2022-05-05 | In-plane mems varactor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102021204653.3A DE102021204653A1 (en) | 2021-05-07 | 2021-05-07 | In-plane MEMS varactor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102021204653A1 true DE102021204653A1 (en) | 2022-11-10 |
Family
ID=81653748
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102021204653.3A Ceased DE102021204653A1 (en) | 2021-05-07 | 2021-05-07 | In-plane MEMS varactor |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102021204653A1 (en) |
| WO (1) | WO2022233997A1 (en) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070103029A1 (en) | 2004-06-02 | 2007-05-10 | Carnegie Mellon University | Self-assembling mems devices having thermal actuation |
| US20100038753A1 (en) | 2008-08-13 | 2010-02-18 | Oki Semiconductor Co., Ltd. | Variable capacitor employing MEMS technology |
| US20140146435A1 (en) | 2012-11-27 | 2014-05-29 | Qualcomm Mems Technologies, Inc. | In-plane mems varactor |
| EP2664058B1 (en) | 2011-01-14 | 2017-05-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Micromechanical component |
| EP2532017B1 (en) | 2010-02-03 | 2018-05-23 | Harris Corporation | High accuracy mems-based varactors |
| WO2018193109A1 (en) | 2017-04-21 | 2018-10-25 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Mems converter for interaction with a volume flow rate of a fluid, and method for producing same |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7977136B2 (en) * | 2008-01-11 | 2011-07-12 | Georgia Tech Research Corporation | Microelectromechanical systems structures and self-aligned high aspect-ratio combined poly and single-crystal silicon fabrication processes for producing same |
| DE102017203722B4 (en) * | 2017-03-07 | 2021-11-25 | Brandenburgische Technische Universität (BTU) Cottbus-Senftenberg | MEMS AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME |
| US11430612B2 (en) * | 2019-03-22 | 2022-08-30 | Ostendo Techologies, Inc. | MEMS tunable capacitor comprising amplified piezo actuator and a method for making the same |
-
2021
- 2021-05-07 DE DE102021204653.3A patent/DE102021204653A1/en not_active Ceased
-
2022
- 2022-05-05 WO PCT/EP2022/062106 patent/WO2022233997A1/en not_active Ceased
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070103029A1 (en) | 2004-06-02 | 2007-05-10 | Carnegie Mellon University | Self-assembling mems devices having thermal actuation |
| US20100038753A1 (en) | 2008-08-13 | 2010-02-18 | Oki Semiconductor Co., Ltd. | Variable capacitor employing MEMS technology |
| EP2532017B1 (en) | 2010-02-03 | 2018-05-23 | Harris Corporation | High accuracy mems-based varactors |
| EP2664058B1 (en) | 2011-01-14 | 2017-05-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Micromechanical component |
| US20140146435A1 (en) | 2012-11-27 | 2014-05-29 | Qualcomm Mems Technologies, Inc. | In-plane mems varactor |
| WO2018193109A1 (en) | 2017-04-21 | 2018-10-25 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Mems converter for interaction with a volume flow rate of a fluid, and method for producing same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2022233997A1 (en) | 2022-11-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE102019203914B3 (en) | MEMS with a large fluidically effective surface | |
| DE69624882T2 (en) | Variable capacitor | |
| DE60225484T2 (en) | MEMBRANE-ACTIVATED MICROELECTROMECHANICAL SWITCH | |
| WO2022117197A1 (en) | Mems having lid drive and method for operation thereof | |
| DE112006003383T5 (en) | Arrangement of MEMS devices with capacitors coupled in series | |
| DE10302618B4 (en) | Electrostatic actuator | |
| DE102014214154A1 (en) | A MEMS device | |
| DE102014217798A1 (en) | Micromechanical piezoelectric actuators for realizing high forces and deflections | |
| DE112011102203B4 (en) | Electromechanical switch unit and method for actuating the same | |
| DE10310342A1 (en) | Adjustable capacitor and manufacturing process therefor | |
| DE102016116763A1 (en) | Device for generating a haptic feedback | |
| WO2021032417A1 (en) | Mems component, module comprising the mems component, and method for operating the mems component | |
| DE60308609T2 (en) | MEMS switch and manufacturing process | |
| DE112006003394T5 (en) | Tunable electronic components and electronic assemblies comprising such tunable components | |
| DE102013013402A1 (en) | Bending element arrangement and their use | |
| DE102021204653A1 (en) | In-plane MEMS varactor | |
| EP4058400B1 (en) | Mems component with in-plane movable element | |
| DE102019220126A1 (en) | Movable piezo element and method for producing a movable piezo element | |
| DE102013211482B4 (en) | Varactor and varactor system | |
| EP1350281B1 (en) | Device comprising a capacitor having a varying capacitance, especially a high- frequency microswitch | |
| EP1024508A2 (en) | Electrostatically controllable capacity | |
| DE102019201889A1 (en) | MEMS and method of making the same | |
| WO2009010355A2 (en) | Micromechanical component and method for operating a micromechanical component | |
| EP1246215B1 (en) | Microrelay with new construction | |
| EP1428233B1 (en) | Device for mechanically regulating an electrical capacitance, and method for making same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R082 | Change of representative | ||
| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final |