Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
ELECTROSTATICALLY TUNABLE MICROMECHANICAL CAPACITOR WITH GREATER CAPACITANCE VARIATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/077804
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a micromechanically produced tunable capacitor consisting of at least one fixed electrode (2) and at least one movably suspended electrode (3) that are configured as counter electrodes in relation to one another and are characterized in that at least one fixed electrode (2) and/or at least one movable electrode (3) are divided into an actuator electrode area (11) and capacitor electrode area (9) that is electrically insulated from the latter. The distance between the actuator electrode area and the counter electrode is bigger than the distance between the capacitor electrode area and the counter electrode. The suspension of the movable electrode is preferably effected by means of at least two elastic bars. In view of the fact that the distance between the actuator electrode and the counter electrode is bigger than the distance between the capacitor electrode and the counter electrode, the restrictions to capacitance variation in tunable capacitors according to prior art no longer occur.

Inventors:
HILLERICH BERND (DE)
SCHIELE IGNAZ (DE)
Application Number:
PCT/DE1999/001731
Publication Date:
December 21, 2000
Filing Date:
June 10, 1999
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
FRAUNHOFER GES FORSCHUNG (DE)
HILLERICH BERND (DE)
SCHIELE IGNAZ (DE)
International Classes:
B81B3/00; H01G5/16; (IPC1-7): H01G5/16
Foreign References:
EP0725408A21996-08-07
US4312025A1982-01-19
EP0637042A21995-02-01
Other References:
KURT E. PETERSEN: "Dynamic Micromechanics on Silicon: Techniques and Devices", IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, vol. ED-25, no. 10, October 1978 (1978-10-01), pages 1241 - 1250, XP002130303
SCHIELE I ET AL: "Surface-micromachined electrostatic microrelay", SENSORS AND ACTUATORS A,CH,ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, vol. 66, no. 1-3, 1 April 1998 (1998-04-01), pages 345 - 354, XP004144011, ISSN: 0924-4247
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Abstimmbare Kapazität, bestehend aus mindestens einer festen Elektrode (2) und mindestens einer beweglich aufgehängten Elektrode (3), welche jeweils gegeneinander als Gegenelektroden ausgebildet sind dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine feste Elektrode (2) und/oder mindestens eine bewegliche Elektrode (3) in einen Aktorelektrodenbereich (11) und einen davon elektrisch isolierten Kondensatorelektrodenbereich (9) aufgeteilt sind, und der Abstand zwischen Aktorelektrodenbereich und Gegenelektrode größer als der Abstand zwischen Kondensatorelektrodenbereich und Gegenelektrode ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Aufhängung der beweglichen Elektrode mittels einem oder mehreren Federelementen erfolgt.
3. Anordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente als Federbalken (4) ausgebildet sind, welche Verankerungsflächen (5) aufweisen.
4. Anordnung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierung der beweglichen Elektrode auf den Verankerungsflächen (5) der Federbalken vorgenommen wird.
5. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die feste Elektrode auf einem Substrat (1) aufgebracht ist, und die Verankerungsflächen der Federbalken mit einer isolierenden Zwischenschicht (6) gegen das Substrat (1) isoliert sind.
6. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die festen Elektroden Anschlußflächen (12,13) zur Kontaktierung aufweisen, welche teilweise über den Bereich der beweglichen Elektrode herausragen.
7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Aktorelektrodenbereich symmetrisch zu den die bewegliche Elektrode aufhängenden Federbalken angeordnet ist.
8. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden zumindest teilweise mit isolierenden Schichten überzogen sind, und/oder die Beweglichkeit der beweglichen Elektrode einschränkende Überhöhungen auf dem Substrat ausgebildet sind.
9. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Substratelektrode in einen Aktorelektrodenbereich und einen Kondensatorelektrodenbereich aufgeteilt ist, und mindestens der Aktorelektrodenbereich in einer Vertiefung (18) des Substrats aufgebracht ist.
10. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Substratelektrode in einen Aktorelektrodenbereich und einen Kondensatorelektrodenbereich aufgeteilt ist, und die bewegliche Elektrode derart ausgebildet ist, daß der sich über dem Kondensatorelektrodenbereich befindende Teil der beweglichen Elektrode einen geringeren Abstand zur Kondensatorelektrode hat als der sich über dem Aktorelektrodenbereich befindliche Teil der beweglichen Elektrode zum Aktorelektrodenbereich.
11. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Vertiefung/en, in denen die Substratelektrode/n auf das Substrat aufgebracht sind mindestens teilweise mit einem Dielektrikum aufgefüllt sind und/oder die bewegliche Elektrode teilweise über die Vertiefung/en in welchen sich die Substratelektroden befinden herausragt.
12. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Elektrode in einen Aktorelektrodenbereich und einen Kondensatorelektrodenbereich aufgeteilt ist, und die beiden Bereiche derart durch mindestens eine Isolatorschicht (15) voneinander getrennt übereinander angeordnet sind, daß der sich unter dem Kondensatorelektrodenbereich befindende Teil der Substratelektrode einen geringeren Abstand zur Kondensatorelektrode hat als der sich unter dem Aktorelektrodenbereich befindliche Teil der Substratelektrode zum Aktorelektrodenbereich.
13. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß als Substratmaterial Halbleiter oder Nichtleiter zum Einsatz kommen.
14. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 und Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmaterial metallisch ist.
15. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Elektroden aus galvanisch verstärkten metallischen Schichten oder aus Silizium bestehen.
16. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Elektroden aus einem Halbleitermaterial bestehen und zusätzlich mit einer metallischen Schicht versehen sind.
17. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, daß das Isolatormaterial zwischen den Verankerungsflächen der Federbalken und dem Substrat Siliziumdioxid oder Polyimid ist.
18. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in mikroelektronischen Bauelementen zusammen mit Schaltungen monolithisch integriert ist.
19. Verfahren zur Herstellung der Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 im Opferschichtverfahren dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht des Isolatormaterials zwischen den Verankerungsflächen der Federbalken und dem Substrat vor dem Aufbringen der Schichten für die beweglichen Elektroden aufgebracht wird und nach der Strukturierung der beweglichen Elektroden durch Ätzverfahren überall, außer unter den Verankerungsflächen der Federbalken, entfernt wird.
20. Verfahren zur Herstellung der Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Strukturen für die Substratelektrode/n und deren Anschlüsse auf das Substrat eine Scheibe bestehend aus einem monokristallinen Halbleitermaterial darüber aufgebracht wird, wobei eine isolierende Zwischenschicht vorgesehen ist, und die monokristalline Halbleiterscheibe danach auf eine Dicke von wenigen Mikrometern gedünnt wird und aus der verbleibenden Schicht die bewegliche/n Elektrode/n ausgebildet werden.
21. Verfahren zum Einsatz der Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, daß eine Abstimmspannung zwischen Aktorelektrodenbereich und Gegenelektrode angelegt wird, und die Kapazität zwischen Kondensatorelektrode und Gegenelektrode als abstimmbare Kapazität eingesetzt wird.
Description:
Elektrostatisch durchstimmbare mikromechanische Kapazität mit großer Kapazitätsvariation Die Erfindung betrifft eine elektrostatisch durchstimmbare mikromechanische Kapazität mit großer Kapazitätsvariation in Form von mikromechanisch hergestellten planaren Plattenkondensatoren, sowie Verfahren zu deren Herstellung.

Derartige variable Kapazitäten können z. B. als Abstimmkapazität für Schwingkreise variabler Resonanzfrequenz, in Hochfrequenzoszillatoren (VCO) oder in Bandfiltern eingesetzt werden.

Stand der Technik Ein mikromechanisch hergestellter planarer Plattenkondensatore, ist z. B. in dem Tagungsbeitrag von C. T. C. Nguyen"Micromechanical devices for wireless communications" (Proceedings MEMS'98, Heidelberg, 1998, S. 4) beschrieben. Derartige Kondensatoren bestehen aus einer auf ein Substrat aufgebrachten Substratelektrode und einer durch mindestens einen Federbalken über der Substratelektrode angeordneten beweglichen Elektrode. Die Kontaktierung der Substratelektrode erfolgt über eine Anschlußfläche, die der Federbalken erfolgt auf den Verankerungsflächen, die ggf. durch isolierende Zwischenschichten gegen das Substrat isoliert sind, z. B. durch Bonddrähte. Wird eine elektrische Spannung zwischen beiden Elektroden angelegt, so führt die anziehende elektrostatische Kraft Feu dazu, daß sich die bewegliche Elektrode der Substratelektrode nähert. Der Abstand d zwischen beiden Elektroden stellt sich so ein, daß ein Kräftegleichgewicht zwischen der elektrostatischen Kraft und der durch die Federbalken verursachten Rückstettkraft FR existiert. Die Kapazität dieser Elektrodenanordnung berechnet sich nach der Formel

@C = #0 A/d wobei A die Hache der jeweils kleineren Elektrode bezeichnet.

Eine Erhöhung der Spannung führt also zu einer Zunahme der Kapazität. Derartige variable Kapazitäten können z. B. als Abstimmkapazität für Schwingkreise variabler Resonanzfrequenz eingesetzt werden.

Derartige mikromechanisch hergestellte variable Kapazitäten haben das Potential, künftig sogenannte Kapazitätsdioden zu ersetzen. Bei Kapazitätsdioden handelt es sich um Halbleiterdioden, bei denen sich die Sperrschichtkapazität bei Anlegen einer Sperrspannung reduziert. Durch ein spezielles Dotierungsprofil in der Sperrschicht kann erreicht werden, <BR> <BR> <BR> <BR> Cmax<BR> da# die relative Kapazitätsvariation = Cmin (bezogen auf die Kapazitäten Cm. n bzw. Cmax bei maximaler bzw. minimaler Abstimmspannung) maximal ist. Typischerweise werden für D Werte zwischen zwei und drei erreicht. Derartige Kapazitätsdioden sind in der Hochfrequenztechnik zur Abstimmung von Schwingkreisen, Oszillatoren und Bandfiltern weit verbreitet. Sie haben allerdings vor allem bei sehr hohen Frequenzen (f > 10 GHz) schwerwiegende Nachteile : hoheparasitäreWiderstände,waszuschlechtenSchwingkreisgüte nführt,#recht # das Auftreten von nichtlinearen Verzerrungen (Intermodulation, Erzeugung von Oberwellen), da die Kapazität der Diode durch die anliegenden Hochfrequenzsignale beeinflußt wird, # eine monolithische Integration in mikorelektronischen Hochfrequenzschaltkreisen, die in Bipolar-oder CMOS-Prozessen hergestellt werden, ist wegen der erforderlichen speziellen Prozeßführung nicht möglich.

Mikromechanische Kapazitäten haben gegenüber Kapazitätsdioden mehrere Vorteile. Sie können kompatibel zu konventionellen Bipolar-oder CMOS-Prozessen hergestellt werden.

Verwendet man metallisierte Substrat-bzw. bewegliche Elektroden, lassen sich minimale parasitäre Widerstände (Rp < 0,2 Q) erreichen.

'Aufgrund der Tatsache, daß die Kapazitätsänderung auf der mechanischen Bewegung einer (trägen) Masse beruht, treten im Hochfrequenzbereich keine nichtlinearen Verzerrungen auf.

Ein schwerwiegender Nachteil vorbekannter variabler mikromechanischer Kondensatoren besteht allerdings darin, daß die relative Kapazitätszunahme D recht gering ist. Da oberhalb einer gewissen Abstimmspannung kein Kräftegleichgewicht mehr zwischen elektrostatischer Kraft und Rückstelikraft existiert, wird die bewegliche Elektrode auf das Substrat gezogen (diese Spannung wird als"Schnappspannung"bezeichnet). Bei den durchstimmbaren Plattenkondensatoren gemäß dem Stand der Technik folgt aus dem genannten Kräftegleichgewicht, daß dieser Effekt eintritt, sobald der Abstand d = 2/3 do ist, wobei do den Ruheabstand bezeichnet. Dadurch ist die Kapazitätszunahme auf nur 50% des Ruhewertes beschränkt. Die maximale relative Kapazitätsvariation beträgt also 1,5.

Gelöste Aufqabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mikromechanisch hergestellten durchstimmbaren Plattenkondensator welcher eine große Kapazitätsvariation ermöglicht und insbesondere nicht der Einschränkung der Kapazitätsvariation von mikromechanischen durchstimmbaren Plattenkondensatoren nach dem Stand der Technik unterliegt, sowie Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben.

Beschreibuna Erfindungsgemäß wird eine variable mikromechanisch hergestellte Kapazität vorgeschlagen, bei der die Substratelektrode und/oder die bewegliche Elektrode aus zwei voneinander isolierten Teilen besteht und die beiden voneinander isolierten Elektroden einen unterschiedlichen Abstand zur jeweiligen Gegenelektrode haben. Wesentlich ist, daß auch

im Falle der Aufteilung der beweglichen Elektrode diese eine mechanisch steif zusammenhängende Einheit bildet. An die eine Elektrode mit dem größeren Abstand (Aktorelektrode) zur Gegenelektrode wird die Abstimmspannung zur Variation der Kapazität angelegt, und die andere Elektrode (Kondensatorelektrode) mit ihrer geringer beabstandeten Gegenelektrode bildet die variable Kapazität. Die Substrat-und/oder die bewegliche Elektrode werden also in einen voneinander isolierten Kondensatorelektrodenbereich und einen Aktorelektrodenbereich unterteilt. Die Aktorelektrode hat dann zu ihrer Gegenelektrode einen größeren Abstand als die Kondensatorelektrode. Die Spannung zwischen Aktor-und Gegenelektrode bestimmt den sich einstellenden Abstand und damit die Kapazität des durch Kondensator-und Gegenelektrode gebildeten Kondensators. Durch den geringeren Abstand zwischen Kondensatorelektrode und Gegenelektrode als zwischen Aktorelektrode und Gegenelektrode ergibt sich eine wesentlich größere relative Variation der Kapazität zwischen Kondensatorelektrode und Gegenelektrode CAR im Vergleich zu der aus Aktorelektrode und beweglicher Elektrode gebildeten Kapazität CAKT.

In einer ersten Ausführungsform ist die Substratelektrode in die Kondensatorelektrode und die Aktorelektrode geteilt, welche nebeneinander liegen. Beide sind in unterschiedlich tiefen Vertiefungen auf dem Substrat angeordnet. Die bewegliche Gegenelektrode ist bevorzugt mit bevorzugt mindestens zwei Federbalken am Substrat darüber befestigt. Es ist aber auch eine Aufhängung mit mindestens einem Federelement möglich, welches z. B. spiralförmig ausgebildet ist. Die bewegliche Elektrode kann dann z. B. kreisförmig ausgebildet sein.

Kondensatorelektrode und bewegliche Elektrode bilden den variablen Plattenkondensator, der an die Hochfrequenzschaltung angeschlossen wird. Beispielhafte Werte sind für den Abstand zwischen beweglicher Elektrode und Aktorelektrode do = 5, um und für den Abstand zwischen Kondensatorelektrode und Aktorelektrode e= 2,5 pm. In diesem Fall ist eine relative Kapazitätsvariation DmaX= 3 möglich. Die maximale relative Kapazitätsvariation berechnet sich dabei nach der Formel

Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, daß Hochfrequenz-und Abstimmspannung an getrennten Anschlüssen mit dem variablen Kondensator verbunden werden. Die Abstimmspannung wird zwischen dem Anschuß, welcher mit der Aktorelektrode verbunden ist, und der Gegenelektrode angelegt. Die Hochfrequenzanschlüsse sind zum einen der mit der Kondensatorelektrode verbundene Anschluß und zum anderen der Anschluß der Gegenelektrode. Die Anschlüsse der Aktorelektrode und der Kondensatorelektrode sind abgesehen von einer geringen parasitären Kapazität CPAR voneinander entkoppelt, was die Hochfrequenzschaltung vereinfacht. Es kann z. B. ein den Schwingkreis von der Abstimmspannung trennender Kondensator entfallen.

Die Herstellung der unterschiedlichen Vertiefungen für Aktor und Kondensatorelektrode erfolgt bevorzugt durch bekannte Mikrostrukturierverfahren, wie z. B. Naßätzen oder Trockenätzen. Bei einer Anordnung mit nebeneinander liegenden Aktorelektrode und Kondensatorelektrode ist die Lage der Aktorelektrode nicht symmetrisch zu den Aufhängepunkten der Federbalken. Aufgrund des hierbei auftretenden Kippmoment tritt eine nicht exakt parallele Verschiebung der beweglichen Elektrode bezüglich der Aktorelektrode auf dem Substrat auf. Dies schränkt die maximal mögliche Kapazitätsvariation ein.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die diesen Mangel behebt, ist die Anordnung der zur Abstandsänderung dienenden Elektrode bzgl. der zur Aufhängung der beweglichen Elektrode dienenden Federbalken symmetrisch ausgebildet. Hier ist bevorzugt die Kapazitätselektrode von der Aktorelektrode umgeben. Bei dieser Anordnung ist das erwähnte Kippmoment weitgehend vermieden.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Substratelektrode ebenfalls in Kondensatorelektrode und Aktorelektrode aufgeteilt, jedoch befinden sich beide auf einer Höhe auf dem Substrat. Die bewegliche Elektrode ist so geformt, daß der zur Kondensatorelektrode gehörende Teil einen geringeren Abstand hat als der zur Aktorelektrode gehörende Teil. Bevorzugt hat die gemeinsame bewegliche Elektrode eine

wannenförmige Vertiefung im Bereich der Kondensatorelektrode, so daß sich auch hier der gewünschte geringere Abstand bei der Kondensatorelektrode ergibt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die bewegliche Elektrode in Aktorelektrode und Kondensatorelektrode aufgeteilt, beide Elektroden sind isoliert voneinander übereinander angebracht. Hier ist das Substrat eben und die Substratelektrode nicht geteilt.

Dagegen besteht der bewegliche Teil der variablen Kapazität aus zwei Teilelektroden, die übereinander angeordnet sind und durch eine Isolatorschicht galvanisch voneinander getrennt, aber mechanisch miteinander verbunden sind. Die Kondensatorelektrode hat bedingt durch diese Anordnung einen geringeren Abstand von der Substratelektrode als die Aktorelektrode. Die Aktorelektrode ist ähnlich, wie in den vorbeschriebenen Ausführungsformen, bevorzugt über Federbalken mit Befestigungsflächen und diese bevorzugt mit einer zwischengeordneten Isolatorschicht mechanisch mit dem Substrat verbunden. Die Substratelektrode ist hier gemeinsam. Für gewisse Anwendungen sind aber auch getrennte Substratelektroden sinnvoll. So wird durch die Trennung der Substratelektrode in zwei dem Kondensatorelektrodenbereich und dem Aktorelektrodenbereich räumlich entsprechende Gebiete, dadurch, daß die getrennten Substratelektrodenbereiche auf unterschiedlichen Potentialen liegen können, eine vollständige Entkoppelung der an der Aktorelektrode anliegenden Abstimmspannung von der an der Kondensatorelektrode anliegenden Hochfrequenzspannung möglich.

Bei allen Ausführungformen kann die Substratelektrode und/oder die bewegliche Elektrode zusätzlich mit einer oder mehreren isolierenden Schichten überzogen werden. Dadurch wird ein Kurzschließen des Kondensators auch bei einem Überschreiten der Schnappspannung verhindert. Dieses Kurzschließen läßt sich auch dadurch vermeiden, daß die bewegliche Elektrode über den vertieften Bereich des Substrates, in welchem sich die Substratelektroden befinden, herausragt oder entsprechende die Beweglichkeit der Elektrode in Richtung Substrat einschränkende Überhöhungen auf dem Substrat ausgebildet sind, so daß bei Erreichen der Schnappspannung eine weitere Bewegung in Richtung Substrateiektrode verhindert wird. Zusätzliche Vorteile ergeben sich dadurch, daß die Flächen im Substrat entweder nur über der Aktorelektrode oder auch über der

Kondensatorelektrode ganz oder teilweise mit einem Dielektrikum aufgefüllt sind. Dadurch wird zum Einen ein Kurzschließen des Kondensators bei Erreichen der Schnappspannung vermieden und zum Anderen wird die zur Steuerung notwendige Spannung, aufgrund der erhöhten Dielektrizitätszahl gegenüber einem nicht derart aufgefüllten Kondensator, erniedrigt.

Als Substratmaterial werden bevorzugt nichtleitende Materialien wie Keramik oder Kunststoffe eingesetzt, aber auch Halbleiter wie Silizium oder GaAs sowie Metalle können Verwendung finden. Metalle werden bevorzugt bei der Ausführungsform der Erfindung mit der getrennten beweglichen Elektrode verwendet. Nichtmetalle und Halbleiter haben den Vorteil, daß durch ihre Verwendung das Auftreten von parasitären Kapazitäten vermindert wird. Bevorzugt werden daher als Substratmaterial Halbleiter und Nichtleiter gewähit.

Für die beweglichen Elektroden werden bevorzugt metallische Schichten, die durch Sputtern oder Aufdampfen hergestellt werden und galvanisch verstärkt werden, verwendet. Es kann auch eine durch Abscheidung aus der Dampfphase erzeugte Schicht aus polykristallinem Silizium verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, auf eine Scheibe des Substratmaterials, auf welchem zuvor die Strukturen für die Substratelektrode/n und deren Anschlüsse aufgebracht wurden, eine Scheibe eines monokristallinen Halbleitermaterials, wie z. B. Silizium mit einer typischen Dicke von 500pm durch den Fachmann geläufige Verfahren wie Kleben oder anodisches Bonden isoliert aufzubringen und diese Halbleiterscheibe anschließend auf die benötigte Dicke von bevorzugt 5 bis 10 pm durch Schleifen und Polieren herunterzudünnen. Die Strukturierung der oberen Schicht erfolgt durch übliche Verfahren der Fotolithographie und des naßchemischen bzw. Trockenätzens.

Wird als bewegliche Elektrode ein Halbleitermaterial verwendet, so wird diese Elektrodenstruktur bevorzugt mit einer zusätzlichen metallischen Schicht versehen, um die Leitfähigkeit zu erhöhen.

Als Isolatormaterial für die Verankerungsf ! ächen der Federbalken werden bevorzugt Siliziumdioxid oder Polyimid verwendet. Diese Materialien werden bevorzugt vor der Herstellung der Schichten für die beweglichen Elektroden aufgebracht und nach der

Strukturierung der beweglichen Elektroden durch Ätzverfahren entfernt. Dieses Verfahren wirdals"Opferschichtverfahren"bezeichnet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kondensatoren sind Gegenstand der Ansprüche 19 und 20.

Die bevorzugten Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung und der Stand der Technik werden ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines mikromechanischen durchstimmbaren Plattenkondensators gemäß dem Stand der Technik sowie einen Querschnitt durch denselben.

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Schwingkreises, bei dem die Resonanzfrequenz durch eine durchstimmbare Kapazität CVAR variiert werden kann.

Fig. 3 zeigt den Elektrodenabstand d und die resultierende Kapazität für einen mikromechanischen Kondensator gemäß dem Stand der Technik.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen mikromechanischen durchstimmbaren Plattenkondensator, sowie einen Querschnitt durch denselben.

Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen durchstimmbaren Kondensators.

Fig. 6 zeigt beispielhaft die wesentlich größere relative Variation der Kapazität CVAR zwischen Kondensatorelektrode und beweglicher Gegenelektrode im Vergleich zu der aus Aktorelektrode und beweglicher Gegenelektrode gebildeten Kapazität CAKT.

Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen durchstimmbaren Kondensators bei der die Kapatzitätseiektrode von der Aktorelektrode umgeben ist und dadurch eine Verkippung der Gegenelektrode vermieden wird.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen durchstimmbaren Kondensators, bei der sich die Kapazitätselektrode und die Aktorelektrode auf gleicher Höhe im dem Substrat befinden, und die bewegliche Elektrode eine wannenförmige Vertiefung aufweist,

so daß sich daraus der geringere Abstand der Kondensatorelektrode zur beweglichen Gegenelektrode ergibt.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen durchstimmbaren Kondensators, bei der die galvanisch getrennten Kondensator-und Aktorelektrodenbereiche als bewegliche Elektrode ausgebildet sind. Die nicht geteilte Gegenelektrode befindet sich auf einer Ebene auf dem Substrat.

Der in Fig. 1 dargestellte durchstimmbare Kondensatoren gemäß dem Stand der Technik besteht aus einer auf ein Substrat (1) aufgebrachten festen Elektrode (Substratelektrode) (2) und einer durch mindestens einen Federbalken (4) über der Substratelektrode angeordneten beweglichen Elektrode (3). Die Kontaktierung der Substratelektrode erfolgt über eine Anschlußfläche, die der Federbalken (4) erfolgt auf den Verankerungsflächen (5), die, falls Federbalken und Substrat beide aus leitfähigem Material bestehen, durch isolierende Zwischenschichten (6) gegen das Substrat isoliert sind, bevorzugt durch Bonddrähte (7).

Wird eine elektrische Spannung zwischen beiden Elektroden angelegt, so führt die anziehende elektrostatische Kraft FE dazu, daß sich die bewegliche Elektrode (3) der Substratelektrode (2) nähert. Dadurch wird die Kapazität des Kondensators reduziert.

In Fig. 2 ist ein Ersatzschaltbild eines Schwingkreises mit variabler Resonanzfrequenz gemäß dem Stand der Technik gezeigt. L bezeichnet hier die Induktivität des Schwingkreises, die Kapazität des Schwingkreises wird durch die Parallelschaltung der festen Kapazität C, und des variablen Kondensators CVAR gebildet. Die Abstimmspannung wird über den Widerstand Rv zugeführt. Die große Kapazität C2 verhindert den Kurzschluß der Abstimmspannung über die Induktivität.

In Fig. 3 ist der Elektrodenabstand d und die resultierende Kapazität für einen typischen mikromechanischen Kondensator gemäß Fig. 1 dargestellt. Der Ruheabstand do beträgt hier 5, um. Bei einer Spannung von 15V wird der Abstand auf 3,5, um (2/3 des Ruheabstands) reduziert, die Kapazität erhöht sich auf 20pf gegenüber einem Ruhewert von 13,5pF. Bei dieser Spannung springt-wie durch die unterbrochene Linie angedeutet-der Abstand auf

Null, da die elektrostatische Kraft gegenüber der Rückstelikraft überwiegt (Schnappspannung).

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen abstimmbaren Kondensators dargestelit. Hier ist die Substratelektrode geteilt in die Kondensatorelektrode (9) und die Aktorelektrode (11). Die Kondensatorelektrodenanschlüsse (12) bzw.

Aktorelektrodenanschlüsse (13) ragen als Verlängerung der Substratelektroden über den Bereich der beweglichen Gegenelektrode (3) heraus. Die in Aktorelektrodenbereich und Kondensatorelektrodenbereich aufgeteilte Substratelektrode ist in einer Vertiefung (18) im Substrat angeordnet. d bezeichnet den Abstand zwischen beweglicher Gegenelektrode (3) und Aktorelektrode. Der Abstand zwischen Kondensatorelektrode und Aktorelektrode beträgt e. Kondensatorelektrode und bewegliche Gegenelektrodelektrode bilden den variablen Plattenkondensator. Die Kontaktierung der beweglichen Gegenelektrode (3) erfolgt auf mindestens einer Verankerungsfläche (5) der Federbalken (4), die, falls Federbalken und Substrat beide aus leitfähigem Material bestehen, durch isolierende Zwischenschichten (6) gegen das Substrat isoliert sind, bevorzugt durch Bonddrähte (7). Der Abstand d zwischen Aktorelektrode und beweglicher Gegenelektrode ist größer als der Abstand zwischen Kondensatorelektrode und beweglicher Gegenelektrode. In einer Ausführungsform, bei der das Auftreffen der beweglichen Elektrode auf die Substratelektrode im Kondensatorelektrodenbereich bauartbedingt nicht schon vor dem Erreichen der "Schnappspannung"eintreten kann, gilt die Relation 2/3 d > e.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung ist die Lage der Aktorelektrode nicht symmetrisch zu den Aufhängepunkten der Federbalken. Aufgrund des hierbei auftretenden Kippmoment tritt eine nicht exakt parallele Verschiebung der beweglichen Elektrode (3) bezüglich der Aktorelektrode (11) auf dem Substrat auf. Dies schränkt die maximal mögliche Kapazitätsvariation ein.

In dem in Fig. 5 gezeigten Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen durchstimmbaren Kondensators wird die Abstimmspannung am Abstimmspannungsanschluß (10) und dem gemeinsamen Anschluß (30) angelegt, die Hochfrequenzanschlüsse sind der Anschluß der

variablen Kapazität (20) und der Gemeinschaftsanschluß (30). Der Abstimmspannungsanschluß (10) und der Hochfrequenzaschluß (20) sind abgesehen von einer geringen parasitären Kapazität CPAR voneinander entkoppelt. Dies hat bei manchen Hochfrequenzschaltungen Vorteile. Der erfindungsgemäße Kondensator eignet sich besonders vorteilhaft zur monolithischen Integration zusammen mit Schaltungen in mikroelektronisch integrierten Bauelementen.

In Fig. 6 ist beispielhaft die wesentlich größere relative Variation der Kapazität des Teilkondensators zwischen der beweglichen Gegenelektrode und der Kondensatorelektrode CVAR im Vergleich zu der aus Aktorelektrode und beweglicher Elektrode gebildeten Kapazität CAKT bei einem erfindungsgemäßen Kondensator illustriert. Die Kapazitäten sind über der Abstimmspannung, welche zwischen der Aktorelektrode und der beweglichen Gegenelektrode angelegt wird, aufgetragen.

In Fig. 7 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, bei der der Mangel eines auftretenden Kippmomentes, wie es bei der Anordnung in Fig. 4 auftreten kann, behoben ist, dargestellt. Hier ist die Kapazitätsetektrode (9) mit der Anschlußfläche (12) umgeben von der Aktorelektrode (11) mit ihrer Anschlußfläche (13). Bei dieser Anordnung ist das erwähnte Kippmoment weitgehend vermieden, da die anziehende Kraft zwischen beweglicher Gegenelektrode und Aktorelektrode nahezu symmetrisch auf die Federbalken (4) wirkt. Die Symmetrisierung dieser Kraft kann auch dadurch erreicht werden, daß die Aktorelektrode von der Kapazitätsetektrode umgeben ist.

In Fig. 8 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Auch hier sind die Substratelektroden (9), (11) wie in Fig. 7 getrennt, und die Kondensatorelektrode (9) ist von der Aktorelektrode (11) umgeben, aber beide befinden sich auf der gleichen Höhe auf dem Substrat. Die gemeinsame bewegliche Elektrode hat eine wannenförmige Vertiefung im Bereich der Kondensatorelektrode (9), so daß sich auch hier ein geringerer Abstand zwischen der Kondensatorelektrode und der Gegenelektrode als zwischen der Aktorelektrode und der Gegenelektrode ergibt. Auch hier kann die Aktorelektrode von der

Kondensatorelektrode umgeben sein. Die Form der Gegenelektrode ist dann hutförmig, d. h. die bewegliche Gegenelektrode ist nach oben ausgestülpt.

Der in Fig. 9 dargestellte durchstimmbare Kondensator stellt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dar. Hier ist das Substrat eben und die Substratelektrode nicht geteilt. Dagegen besteht der bewegliche Teil der variablen Kapazität aus zwei Teilelektroden, die übereinander angeordnet sind und durch eine Isolatorschicht (15) galvanisch voneinander getrennt, aber mechanisch miteinander verbunden sind. Die Kondensatorelektrode (9) hat einen geringeren Abstand von der Substratelektrode (2) als die Aktorelektrode (11). Die Aktorelektrode ist ähnlich, wie in den Fig. 1 oder 4 gezeigt, über Federbalken (4) mit den Befestigungsflächen (5) und den Isolatorschichten (6) mechanisch mit dem Substrat (1) verbunden. Die Substratelektrode (2) ist hier gemeinsam.