DE-102022200188-B4 - MEMS-Vorrichtung mit mäanderförmigen Elektroden

Abstract

Mikroelektromechanische Vorrichtung, die einen mobilen Rotor (21) und einen stationären Stator (22) aufweist, die in einer Vorrichtungsebene liegen, die durch eine Seitenachse und eine Querachse definiert ist, wobei die Querachse orthogonal zu der Seitenachse ist und die Vorrichtung zumindest eine Messregion aufweist, wo ein Rand (219) des Rotors (21) und ein Rand (229) des Stators (22) um einen Rotor-Stator-Zwischenraum voneinander getrennt sind und eine Rotorelektrode (211) sich in dem Rotor-Stator-Zwischenraum von dem Rand (219) des Rotors (21) zu dem Stator erstreckt, und eine erste Statorelektrode sich in dem Rotor-Stator-Zwischenraum von dem Rand (229) des Stators (22) zu dem Rotor (21) erstreckt, und die Rotorelektrode und die erste Statorelektrode in dem Rotor-Stator-Zwischenraum benachbart und im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei die Rotorelektrode (211) eine mäanderförmige Elektrode ist, die zwei oder mehr erste seitliche Abschnitte (2111a, 2111b) aufweist, die auf einer ersten seitlichen Grundlinie (291) liegen, und jeder erste seitliche Abschnitt von dem benachbarten ersten seitlichen Abschnitt auf der ersten seitlichen Grundlinie (291) um einen ersten seitlichen Zwischenraum (281) getrennt ist, wobei die Rotorelektrode ein gefalteter Balken mit einer Serpentinenform ist, und die erste Statorelektrode (221) eine mäanderförmige Elektrode ist, die zwei oder mehr zweite seitliche Abschnitte (2211a, 2211b) aufweist, die auf einer zweiten seitlichen Grundlinie (292) liegen und jeder zweite seitliche Abschnitt von dem benachbarten zweiten seitlichen Abschnitt auf der zweiten seitlichen Grundlinie (292) um einen zweiten seitlichen Zwischenraum (282) getrennt ist, wobei die Statorelektrode ein gefalteter Balken mit einer Serpentinenform ist, wobei zumindest ein erster seitlicher Zwischenraum (281) benachbart zu zumindest einem zweiten seitlichen Zwischenraum (282) ist und in der Querrichtung mit dem zumindest einen zweiten seitlichen Zwischenraum (282) zumindest teilweise ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste seitliche Zwischenraum (281) in der Querrichtung mit dem zumindest einen zweiten seitlichen Zwischenraum (282) teilweise und nicht vollständig ausgerichtet ist, wenn der Rotor (21) in seiner Anfangsposition ist.

Inventors

• Hannu VESTERINEN

Assignees

• MURATA MANUFACTURING CO., LTD.

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20220111

Priority Date

20210113

Claims (4)

1. Mikroelektromechanische Vorrichtung, die einen mobilen Rotor (21) und einen stationären Stator (22) aufweist, die in einer Vorrichtungsebene liegen, die durch eine Seitenachse und eine Querachse definiert ist, wobei die Querachse orthogonal zu der Seitenachse ist und die Vorrichtung zumindest eine Messregion aufweist, wo ein Rand (219) des Rotors (21) und ein Rand (229) des Stators (22) um einen Rotor-Stator-Zwischenraum voneinander getrennt sind und eine Rotorelektrode (211) sich in dem Rotor-Stator-Zwischenraum von dem Rand (219) des Rotors (21) zu dem Stator erstreckt, und eine erste Statorelektrode sich in dem Rotor-Stator-Zwischenraum von dem Rand (229) des Stators (22) zu dem Rotor (21) erstreckt, und die Rotorelektrode und die erste Statorelektrode in dem Rotor-Stator-Zwischenraum benachbart und im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei die Rotorelektrode (211) eine mäanderförmige Elektrode ist, die zwei oder mehr erste seitliche Abschnitte (2111a, 2111b) aufweist, die auf einer ersten seitlichen Grundlinie (291) liegen, und jeder erste seitliche Abschnitt von dem benachbarten ersten seitlichen Abschnitt auf der ersten seitlichen Grundlinie (291) um einen ersten seitlichen Zwischenraum (281) getrennt ist, wobei die Rotorelektrode ein gefalteter Balken mit einer Serpentinenform ist, und die erste Statorelektrode (221) eine mäanderförmige Elektrode ist, die zwei oder mehr zweite seitliche Abschnitte (2211a, 2211b) aufweist, die auf einer zweiten seitlichen Grundlinie (292) liegen und jeder zweite seitliche Abschnitt von dem benachbarten zweiten seitlichen Abschnitt auf der zweiten seitlichen Grundlinie (292) um einen zweiten seitlichen Zwischenraum (282) getrennt ist, wobei die Statorelektrode ein gefalteter Balken mit einer Serpentinenform ist, wobei zumindest ein erster seitlicher Zwischenraum (281) benachbart zu zumindest einem zweiten seitlichen Zwischenraum (282) ist und in der Querrichtung mit dem zumindest einen zweiten seitlichen Zwischenraum (282) zumindest teilweise ausgerichtet ist, dadurch gekennzeichnet , dass der zumindest eine erste seitliche Zwischenraum (281) in der Querrichtung mit dem zumindest einen zweiten seitlichen Zwischenraum (282) teilweise und nicht vollständig ausgerichtet ist, wenn der Rotor (21) in seiner Anfangsposition ist.
2. Mikroelektromechanische Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass jeder erste seitliche Zwischenraum (281) und jeder zweite seitliche Zwischenraum (282) die gleiche seitliche Breite aufweisen.
3. Mikroelektromechanische Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 , dadurch gekennzeichnet , dass jeder erste seitliche Abschnitt und jeder zweite seitliche Abschnitt die gleiche seitliche Breite aufweisen.
4. Mikroelektromechanische Vorrichtung gemäß Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Rotorelektrode ferner zwei oder mehr dritte seitliche Abschnitte (5112) aufweist, die auf einer dritten seitlichen Grundlinie (593) liegen, und jeder dritte seitliche Abschnitt (5112) von dem benachbarten dritten seitlichen Abschnitt (5112) auf der dritten seitlichen Grundlinie (593) um einen dritten seitlichen Zwischenraum (583) getrennt ist, und eine zweite Statorelektrode (522) sich in dem Rotor-Stator-Zwischenraum von dem Rand des Stators (52) zu dem Rotor (51) erstreckt, so dass die Rotorelektrode (511) und die zweite Statorelektrode (522) in dem Rotor-Stator-Zwischenraum benachbart und im Wesentlichen parallel zueinander sind, und die zweite Statorelektrode (522) eine mäanderförmige Elektrode ist, die zwei oder mehr vierte seitliche Abschnitte (5221) aufweist, die auf einer vierten seitlichen Grundlinie (594) liegen, und jeder vierte seitliche Abschnitt von dem benachbarten vierten seitlichen Abschnitt auf der vierten seitlichen Grundlinie (594) um einen vierten seitlichen Zwischenraum (584) getrennt ist, wobei die zweite Statorelektrode (522) ein gefalteter Balken mit einer Serpentinenform ist, und die erste seitliche Grundlinie (591) zwischen der zweiten seitlichen Grundlinie (592) und der dritten seitlichen Grundlinie (593) liegt, und die dritte seitliche Grundlinie (593) zwischen der ersten seitlichen Grundlinie (591) und der vierten seitlichen Grundlinie (594) liegt, wobei jeder dritte seitliche Zwischenraum (583) benachbart zu einem der vierten seitlichen Zwischenräume ist und jeder dritte seitliche Zwischenraum (583) in der Querrichtung zumindest teilweise mit dem vierten seitlichen Zwischenraum (584) ausgerichtet ist, und die seitlichen Breiten aller dritten und vierten seitlichen Zwischenräume gleich den lateralen Breiten der ersten und zweiten seitlichen Zwischenräume sind und die seitlichen Breiten aller zwei oder mehr ersten, zweiten, dritten und vierten zweiten seitlichen Abschnitte gleich sind.

Description

Die Offenbarung bezieht sich auf mikroelektromechanische Vorrichtungen und insbesondere auf Vorrichtungen, die ein mobiles Masseelement aufweisen, das sich in Bezug auf eine umgebende stationäre Struktur bewegen kann. Die vorliegende Offenbarung bezieht sich ferner auf Elektroden, die auf dem mobilen Masseelement und auf der stationären Struktur vorgesehen sein können, um diese Bewegung zu messen. Mikroelektromechanische (MEMS)-Vorrichtungen weise häufig ein mobiles Masseelement auf, das als ein Rotor bezeichnet werden kann. Der Rotor hängt typischerweise von einer stationären Struktur mit flexiblen Aufhängevorrichtungen, die es dem Rotor ermöglichen, sich in Bezug auf die stationäre Struktur zu bewegen. Die stationäre Struktur kann als Stator bezeichnet werden. Die Bewegung des Rotors kann mit einem kapazitiven Wandler gemessen werden, der einen Satz von länglichen Elektrodenstrukturen auf dem Rotor aufweist, die mit einem entsprechenden Satz von länglichen Elektrodenstrukturen auf dem Stator ineinandergreifen. 1a und 1b stellen zwei Möglichkeiten der Implementierung eines kapazitiven Wandlers mit länglichen Elektroden dar. Die Figuren stellen einen Rotor 11 mit einem Satz von Rotorelektroden 111-113 und einen Stator 12 mit einem Satz von Statorelektroden 121-123 dar. Der Pfeil neben dem Rotor 111 stellt seine Bewegungsrichtung (die x-Richtung) dar. In 1a erstrecken sich die Rotor- und Stator-Elektroden in einer Richtung (der y-Richtung), die senkrecht zu der Richtung ist, in der sich der Rotor 11 bewegt. Der Abstand zwischen jeder Rotor/Statorelektrode erhöht oder verringert sich in der x-Richtung, während sich der Rotor bewegt. Bei dieser Messung reagiert die kapazitive Antwort empfindlich auf die Verschiebung des Rotors oder spricht auf die Verschiebung des Rotors an, aber die Beziehung zwischen der Antwort und der Verschiebung ist nicht linear. In 1b erstrecken sich die Rotor- und Stator-Elektroden in der Richtung (der x-Richtung), in der sich der Rotor 11 bewegt. 1c stellt die Positionen einer ersten Rotorelektrode 111 und einer ersten Statorelektrode 121 dar, wenn der Rotor in seiner Ruheposition ist. 1d stellt die Positionen der gleichen Elektroden dar, wenn sich der Rotor von seiner Ruheposition um einen Abstand Δx nach links bewegt hat. Die Kapazität zwischen den beiden Elektroden erhöht sich, wenn sich deren Überlappung in der x-Richtung erhöht. Bei dieser Messung ist die Beziehung zwischen der kapazitiven Antwort und der Verschiebung linear, aber der Kapazitätsanstieg, der in 1d erhalten wird, ist häufig ziemlich gering in Bezug auf die Kapazität, die in der Ruheposition gemessen wird. Das Messsignal ist daher nicht besonders empfindlich. KR 10 2009 063 079 A offenbart eine Parameterverstärkung eines MEMS-Gyroskops durch Kapazitätsmodulation. DE 11 2013 002 941 T5 offenbart einen Sensor für eine physikalische Größe vom kapazitivem Typ. DE 103 53 693 A1 offenbart einen kapazitiven Beschleunigungssensor. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine mikroelektromechanische Vorrichtung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Die Offenbarung basiert auf dem Gedanken der Verwendung von Rotor- und Stator-Elektroden, die eine Mäanderform haben. Mit einer geeigneten Anordnung können solche Elektroden verwendet werden, um eine kapazitive Antwort zu messen, die hochempfindlich reagiert auf eine Rotorverschiebung und auch eine lineare Abhängigkeit von dieser Verschiebung zeigt. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:1a-1b kapazitive Wandler, die mit länglichen Elektroden implementiert sind;1c-1d wie sich die Kapazität ändert, wenn der Rotor sich bewegt;2a-2c Rotor- und Stator-Elektroden;3a-3b die Änderung bei der Hauptkapazität bei einer Messung, wo die Mäanderstrukturen der Rotor- und Stator-Elektroden in der Anfangsposition teilweise ausgerichtet sind;3c-3d die Änderung bei der Hauptkapazität bei einer Messung, wo die Mäanderstrukturen der Rotor- und Stator-Elektroden in der Anfangsposition vollständig ausgerichtet sind;3e Streukapazitätskomponenten;4a-4c Entwurfsoptionen für eine mäanderförmige Elektrode; und5a-5b eine Vorrichtung, bei der eine mäanderförmige Rotorelektrode auf beiden Seiten von mäanderförmigen Statorelektroden flankiert wird. Diese Offenbarung beschreibt eine mikroelektromechanische Vorrichtung, die einen mobilen Rotor und einen stationären Stator aufweist, die in einer Vorrichtungsebene liegen, die durch eine Seitenachse und eine Querachse definiert ist. Die Querachse ist orthogonal zu der Seitenachse und die Vorrichtung weist zumindest eine Messregion auf, wo ein Rand des Rotors und ein Rand des Stators um einen Rotor-Stator-Zwischenraum voneinander getrennt sind. Eine Rotorelektrode erstreckt sich in dem Rotor-Stator-Zwischenraum von dem Rand des Rotors zu dem Stator. Eine erste Statorelektrod