Titel

Elektrodenanordnung für ein mikroelektromechanisches System, mikroelektromechanisches System, Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Systems

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung für ein

mikroelektromechanisches System, umfassend eine erste

Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur, wobei die erste Elektrodenstruktur eine Aufnahme aufweist, wobei die zweite

Elektrodenstruktur einen Finger aufweist, wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur relativ zueinander zu einer Relativbewegung entlang einer Bewegungsachse ausgebildet sind, sowie ein

mikroelektromechanisches System und ein Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Systems.

Derartige Elektrodenanordnungen umfassen typischerweise zwei

Kammstrukturen, die ineinandergreifen und relativ zueinander beweglich ausgebildet sind, so dass sich die Kapazität zwischen den Kammstrukturen ändern kann. Die Kammstrukturen werden dabei meist planparallel gebaut, um einen linearen Zusammenhang zwischen Kapazität und Eintauchtiefe zu erzielen. Die elektrische Kraft ist dahingehend konstant über die

Eintauchtiefe. Solche Kammstrukturen werden in vielen Bereichen als elektrostatische Aktoren und Detektoren eingesetzt, beispielsweise in mikromechanischen Drehratesensoren für die Erzeugung und Messung der Antriebsschwingung.

Viele mikromechanische Systeme bzw. mikroelektromechanische Systeme (MEMS) weisen jedoch (intrinsische) Nichtlinearitäten in ihren

Schwingungen auf. Die Antriebschwingung von Drehratesensoren umfasst beispielsweise häufig eine positive (versteifende) Nichtlinearität. In vielen Fällen ist eine (gewünschte) vollständige Reduktion dieser Nichtlinearität mittels Optimierung der Antriebsstruktur aufgrund der Baufläche des Sensors nicht möglich oder zumindest sehr aufwendig.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Nichtlinearitäten in mikroelektromechanischen Systemen, beispielsweise für

Antriebsschwingungen von Drehratensensoren, effizient und/oder kostensparend zu reduzieren.

Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung für ein

mikroelektromechanisches System, umfassend eine erste

Elektrodenstruktur und eine zweite Elektrodenstruktur, gemäß dem

Hauptanspruch hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass mithilfe der geometrischen Ausgestaltung des Fingers und/oder der Aufnahme, eine Reduzierung von Nichtlinearitäten von Schwingungen erzielt werden kann. Erfindungsgemäß ist es vorteilhafterweise möglich, dass sich eine zur Bewegungsachse senkrechte erste Breite der Aufnahme entlang der Bewegungsachse zumindest in einem ersten Bereich der Aufnahme verjüngt und/oder dass sich eine zur Bewegungsachse senkrechte zweite Breite des Fingers entlang der Bewegungsachse zumindest in einem zweiten Bereich des Fingers verjüngt. Entsprechend können nicht-parallele Finger bzw. Aufnahmen verwendet werden.

Hierdurch ist es möglich, dass der Kapazitätsverlauf eine nicht-lineare Funktion der Eindringtiefe (des Fingers in die Aufnahme) ist. Somit können beispielsweise Nichtlinearitäten in einer Antriebschwingung eines Sensors, insbesondere eines Drehratensensors, ausgeglichen werden, ohne dass zusätzliche Elektroden zur Kompensation verwendet werden müssen.

Mit aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen mit parallelen Fingern bzw. Aufnahmen sind derartige Vorteile nicht erzielbar. Bei parallelen Fingern bzw. Aufnahmen ist die Kapazität eine lineare Funktion der Eintauchtiefe des Fingers in die Aufnahme. Entsprechend können mit solchen bekannten Elektrodenanordnungen Nichtlinearitäten nicht kompensiert werden und es müssen beispielsweise zusätzliche

Kompensationselektroden verwendet werden, was zusätzlichen Bauraum benötigt und sich entsprechend negativ auf die Miniaturisierung und die Kosten auswirken kann.

Erfindungsgemäß ist es denkbar, dass eine der ersten und zweiten

Elektrodenstrukturen unbeweglich mit einem Substrat verbunden ist und die jeweils andere mit einer beweglichen Struktur/Masse eines

mikroelektromechanischen Systems.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, dass der Finger zumindest teilweise in der Aufnahme angeordnet ist und relativ zur Aufnahme entlang der Bewegungsachse bewegbar ist, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in

vorteilhafter Weise möglich, dass sich eine Eintauchtiefe des Fingers in die Aufnahme ändern kann, was eine nichtlineare Kapazitätsänderung zwischen der erste und zweiten Elektrostruktur bedingen kann.

Dadurch, dass sich die erste Breite der Aufnahme im ersten Bereich in Richtung eines zweiten Hauptkörpers der zweiten Elektrodenstruktur verjüngt und/oder dass sich die zweite Breite des Fingers im zweiten Bereich entlang der Bewegungsachse in Richtung des zweiten

Hauptkörpers verjüngt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich, dass, negative (erweichende) Nichtlinearitäten von Schwingungen kompensierbar sind.

Dadurch, dass sich die erste Breite der Aufnahme im ersten Bereich entlang der Bewegungsachse in Richtung eines ersten Hauptkörpers der ersten Elektrodenstruktur verjüngt und/oder dass sich die zweite Breite des Fingers im zweiten Bereich entlang der Bewegungsachse in Richtung des ersten Hauptkörpers verjüngt, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass der positive (versteifende)

Nichtlinearitäten einer Schwingung kompensierbar sind.

Dadurch, dass die erste und zweite Elektrodenstruktur und insbesondere die Aufnahme und der Finger, derart ausgebildet sind, dass sich eine elektrische Kapazität zwischen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur bei der Relativbewegung nichtlinear ändert, ist es gemäß einer

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass auf zusätzliche Elektrodenanordnungen zur Kompensation von Nichtlinearitäten vorteilhaft verzichtet werden kann.

Bei bekanntem Kapazitätsverlauf kann die elektrische Kraft als Gradient der Kapazität bestimmt werden. Demnach ist, bei konstant angelegter Spannung, die elektrische Kraft proportional zur Ableitung der Kapazität nach der Bewegungsrichtung x der Relativbewegung (entlang der

Bewegungsachse) (Formel (1)). dC(x )

F _ei (x dx

(1)

Eine Verjüngung des Fingers und/oder der Aufnahme führt zu einem Kapazitätsverlauf welcher mit einem entsprechendem Polynom

approximiert werden kann. Dadurch lassen sich elektrische Kräfte erzeugen, welche z.B. quadratische und kubische Nichtlinearitäten der Mechanik kompensieren (Formel (2)).

Entsprechend lassen sich auch weitere nichtlineare Kraftterme (höherer Ordnung) durch den Kapazitätsverlauf erzeugen und kompensieren.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es denkbar, dass verjüngte Strukturen (Finger und/oder Aufnahmen) in eine Antriebs- und/oder Detektionsstruktur eines MEMS integriert werden. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass die elektrische Kraft aufgrund der

elektrostatischen Mitkoppelung immer in Phase mit der

Antriebsschwingung ist. Dadurch lässt sich eine optimale

Kompensationsfähigkeit über einen großen Auslenkungsbereich im mikroelektromechanischen System (z.B. im Drehratensensor) erzielen. Des Weiteren kann über die Mitkoppelspannung die Kompensation fein abgestimmt werden.

Dadurch, dass die erste Elektrodenstruktur eine Vielzahl von Aufnahmen aufweist, wobei die zweite Elektrodenstruktur eine Vielzahl von Fingern aufweist, können gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden

Erfindung umfangreiche Elektrodenstrukturen verwendet werden, die zum optimalen Antrieb und/oder zur Detektion von Schwingungen eines MEMS- Bauteils ausgebildet sind. Die verschiedenen Finger und Aufnahme können dabei jeweils die gleiche geometrische Ausbildung haben. Es ist alternativ ebenso denkbar, Aufnahmen und/oder Finger mit verschiedenen geometrischen Ausbildungen zu kombinieren, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Beispielsweise könnten einige der zusätzlichen Finger und/oder Aufnahmen parallel ausgebildet sein.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein

mikroelektromechanisches System, dadurch gekennzeichnet, dass das mikroelektromechanische System eine Elektrodenanordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst.

Dadurch, dass die Elektrodenanordnung Teil eines Aktors oder Detektors des mikroelektromechanischen Systems ist, ist es gemäß einer

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, verschiedenste MEMS-Bauteile mit einer Elektrodenanordnung gemäß einer

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auszustatten.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Systems nach einer

Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei die erste und zweite Elektrodenstruktur relativ zueinander entlang einer Bewegungsachse die Relativbewegung ausführen.

Dadurch, dass sich die elektrische Kapazität zwischen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur bei der Relativbewegung nichtlinear ändert, ist es gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung möglich, dass Nichtlinearitäten einer Schwingung des mikroelektromechanischen Systems ausgeglichen werden können, wobei insbesondere auf zusätzliche Elektroden zur Kompensation von Nichtlinearitäten vorteilhaft verzichtet werden kann.

Das mikroelektromechanische System nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zum Betrieb eines

mikroelektromechanischen Systems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben gegenüber dem Stand der Technik die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen

Elektrodenanordnung oder einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung beschriebenen Vorteile.

Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung hat gegenüber dem Stand der Technik die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen System, dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Systems, einer

Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikroelektromechanischen Systems oder einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines mikroelektromechanischen Systems beschriebenen Vorteile.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt. In Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Elektrodenanordnung 1 ist Teil eines mikroelektromechanischen Systems. Sie umfasst eine erste Elektrodenstruktur 10 und eine zweite Elektrodenstruktur 20. Eine der ersten und zweiten Elektrodenstrukturen 10, 20 ist beispielsweise fest mit einem Substrat verbunden und die andere

Elektrodenstruktur 10, 20 ist Teil eines im Vergleich zum Substrat beweglich Schwingkörpers. Entsprechend können die erste und zweite Elektrodenstruktur 10, 20 eine Relativbewegung zueinander entlang einer Bewegungsachse 100 ausführen. Während einer solchen Relativbewegung kann ein Finger 21 der zweiten Elektrodenstruktur 20 tiefer in eine

Aufnahme 11 der ersten Elektrodenstruktur 10 eindringen oder weiter aus der Aufnahme 11 herausbewegt werden. Es ist beispielsweise denkbar, dass die Bewegungsachse 100 mit der Antriebsbewegungsachse des mikroelektromechanischen Systems zusammenfällt. Die Bewegungsachse 100 ist typischerweise zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Substrats ausgebildet. Senkrecht zur Bewegungsachse 100 (und parallel zur Substratoberfläche) weist die Aufnahme 11 eine erste Breite 12 auf. Die erste Breite 12 ist dabei über die gesamte Ausdehnung der ersten Aufnahme 11 (entlang der Bewegungsachse 100) konstant. Der Finger 21 weist senkrecht zur Bewegungsachse 100 (und parallel zur Substratoberfläche) eine zweite Breite 22 auf. Über einen zweiten Bereich 23 des Fingers 21 verjüngt sich die zweite Breite 22 des Fingers dabei in die Eintauchrichtung (des Fingers) entlang der Bewegungsachse 100 und somit in Richtung eines ersten Hauptkörpers 14 der ersten

Elektrodenstruktur 1. Der zweite Bereich 23 erstreckt sich weit über die Hälfte der gesamten Ausdehnung des Fingers 21 entlang der

Bewegungsachse 100. Auf dem restlichen Bereich des Fingers 21 bleibt die zweite Breite 23 des Fingers 21 konstant. Verschiedene andere Geometrien sind ebenso denkbar, beispielsweise könnte der zweite Bereich 23 eine oder mehrere Unterbrechungen aufweisen, in denen die zweite Breite 22 konstant bleibt. Durch die Verjüngung des Fingers 21 ist die Änderung der Kapazität zwischen der erste und zweiten

Elektrodenstruktur 10, 20 in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe (entlang der Bewegungsachse 100) nichtlinear. Insbesondere können somit mit der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform versteifende Nichtlinearitäten einer Antriebs-/Detektionsschwingung kompensiert werden.

In Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform (Figur 1) ist die zweite Breite 22 des Fingers 21 über die gesamte Erstreckung des Fingers 21 zumindest im Wesentlichen konstant. Die erste Breite 12 der Aufnahme 11 hingegen verjüngt sich in einem ersten Bereich 13 entlang der Bewegungsachse 100 in Richtung des ersten Hauptkörpers 14.

Durch diese Verjüngung der Aufnahme 11 ist die Änderung der Kapazität zwischen der ersten und zweiten Elektrodenstruktur 10, 20 in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe (entlang der Bewegungsachse 100) nichtlinear.

Insbesondere können somit mit der in Figur 2 dargestellten

Ausführungsform versteifende Nichtlinearitäten einer Antriebs- /Detektionsschwingung kompensiert werden. In Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung 1 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei der dritten Ausführungsform verjüngt sich die zweite Breite 22 des Finger 21 über den zweiten Bereich 23 entgegen der Eintauchrichtung des

Fingers 21 entlang der Bewegungsachse 100. Entsprechend verringert sich die zweite Breite 22 des Fingers 21 im zweiten Bereich 23 in Richtung des zweiten Hauptkörpers 24 der zweiten Elektrodenstruktur 20. Der zweite Bereich 23 erstreckt sich weit über die Hälfte der gesamten Ausdehnung des Fingers 21 entlang der Bewegungsachse 100. Auf dem restlichen

Bereich bleibt die zweite Breite 23 des Fingers 21 konstant.

In Figur 4 ist eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung 1 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Im Gegensatz zur dritten Ausführungsform (Figur 3) ist die zweite Breite 22 des Fingers 21 über die gesamte Erstreckung des Fingers 21 zumindest im Wesentlichen konstant. Die erste Breite 12 der Aufnahme 11 hingegen verjüngt sich in einem ersten Bereich 13 entlang der Bewegungsachse 100 in Richtung des zweiten Hauptkörpers 24.

Mithilfe der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen können somit erweichende (negative) nichtlineare Effekte einer Antriebs- /Detektionsschwingung kompensiert werden. Typischerweise umfasst die erste Elektrodenstruktur 10 eine Vielzahl von

Aufnahmen 11, die am ersten Hauptkörper 14 der ersten Elektrodenstruktur 10 nebeneinander angebracht sind. Entsprechend umfasst die zweite Elektrodenstruktur 20 eine Vielzahl von Fingern 21, die an einem zweiten Hauptkörper 24 der zweiten Elektrodenstruktur 20 angebracht sind und jeweils in eine Aufnahme 11 einbringbar sind.

In Figur 5 ist eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung 1 gemäß einer fünten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Wie in Figur 5 dargestellt, können auch Finger 21 und Aufnahmen 11 miteinander kombiniert werden, die sich jeweils verjüngen. In dieser beispielhaften Ausführungsform verjüngt sich die erste Breite 12 der Aufnahme 11 entlang der Bewegungsachse 100 in Richtung eines ersten Hauptkörpers 14 der ersten Elektrodenstruktur 1 (beispielsweise über die gesamte Länge der Aufnahme 11 oder alternativ nur in einem ersten Bereich 13). Gleichzeitig verjüngt sich die zweite Breite 22 des Fingers 21 in Richtung des ersten Hauptkörpers 14 (beispielsweise über die gesamte Länge des Fingers oder alternativ nur in einem zweiten Bereichs 23).

Es sind ebenso verschiedenste andere Kombinationen von in den Figuren 1 bis 5 beispielhaft dargestellten Fingern 21 und Aufnahmen 11 denkbar.