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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach der
Gattung des Hauptanspruchs. Aus der europäischen Patentschrift
EP 1212650 B1 ist
eine Mikroschwingvorrichtung bekannt, bei der eine besondere Art
der Aufhängung der
Mikroschwingvorrichtung realisiert ist. Nachteilig bei der bekannten
Mikroschwingvorrichtung bzw. bei der Art ihrer Aufhängung ist,
dass ein vergleichsweise hoher Platzbedarf zur Realisierung von
Torsionsfedern besteht, so dass die bekannten Mikroschwingvorrichtung
vergleichsweise kostenintensiv in der Herstellung sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement
und das Verfahren zum Abgleich eines mikromechanischen Bauelementes
gemäß den nebengeordneten
Patentansprüchen
hat demgegenüber
den Vorteil, dass die Nachteile des Standes der Technik vermieden
oder zumindest reduziert werden und dass eine vergleichsweise kompakte
und kostengünstig
herstellbare mikromechanische Struktur möglich ist, insbesondere weil
der Platzbedarf für
die Aufhängung
der Mikroschwingvorrichtung reduziert ist und somit die Waferfläche reduziert
wird. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass zur Detektion der Auslenkung
bei der Aufhängung
der erfindungsgemäßen Mikroschwingvorrichtung
keine Detektionselemente, beispielsweise piezoresistive Elemente,
mit einem seitliche Abgriff, sogenannte x-ducer, notwendig sind, so dass Detektionselemente
auf dem insbesondere als Biegefedern ausgebildeten ersten und zweiten
Aufhängungsteil
als kompensierte Brückenschaltung
geschaltet werden können.
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Erfindungsgemäß ist bevorzugt,
dass der erste Aufhängungsteil
und der zweite Aufhängungsteil
sich im wesentlichen parallel zur Drehachse erstrecken bzw. als
Biegefedern ausgebildet sind. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft
möglich, dass
die wesentlichen Rückstellkräfte von
dem ersten bzw. zweiten Aufhängungsteil
aufgebracht werden, wodurch im Frequenzband die gleichphasige Mode
(Planparallel-Schwingungsmode) und die gegenphasige Mode (Torsions-Schwingungsmode)
der Mikroschwingvorrichtung durch die exzentrischen Biegefedern
in der Frequenzlage deutlich voneinander getrennt werden.
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Ferner
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
dass die Mikroschwingvorrichtung ein Mikrospiegel ist. Hierdurch
ist es vorteilhaft möglich,
dass optische Anwendungen des mikromechanischen Bauelements mit
einfachen Mitteln möglich
werden, insbesondere fahrzeugtechnische Anwendungen wie Verfahren
bzw. Messgeräte
zur Entfernungsmessung oder dergleichen.
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Weiterhin
ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass
der erste Aufhängungsteil
und der zweite Aufhängungsteil
als gefaltete Feder ausgebildet ist. Unter einer gefalteten Feder
ist im Kontext der vorliegenden Erfindung eine nicht ausschließlich längserstreckte
Struktur zu verstehen, d.h. beispielsweise ein Biegebalken bzw.
eine Biegefeder, die beispielsweise in der Mitte gebogen ist. Durch
eine solche Gestaltung der ersten bzw. zweiten Aufhängungsteile kann
eine weitere Platzeinsparung erzielt werden.
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Ferner
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
wenn ein drittes Aufhängungsteil
zwischen dem ersten und zweiten Aufhängungsteil, insbesondere im
wesentlichen parallel zur Drehachse vorgesehen ist. Hierdurch kann
in besonders einfacher und genauer Weise die Drehachse der Mikroschwingvorrichtung
festgelegt werden.
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Weiterhin
ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass
wenigstens ein piezoresistives Sensorelement auf der Oberseite und/oder
auf der Unterseite des ersten und/oder des zweiten Aufhängungsteils
vorgesehen ist bzw. dass eine Mehrzahl von Sensorelementen auf der
Oberseite und/oder auf der Unterseite des ersten und/oder zweiten
Aufhängungsteils
zu einer Brückenschaltung
geschaltet sind. Durch eine solche Gestaltung ist es möglich, die
Sensorelemente, insbesondere piezoresistive Widerstände, längs auf
den Biegefedern – d.h.
entweder auf der Oberseite oder auf der Unterseite oder sowohl auf
der Ober- und auf der Unterseite – anzuordnen, so dass diese die
dort vorherrschenden Hauptspannungen der Biegefedern detektieren
können.
Insbesondere kann dadurch eine seitliche Anordnung vermieden werden, wodurch
der Platzbedarf deutlich geringer ausfällt, so dass die Biegefedern
schmaler ausgeführt
werden können
und größere Freiheiten
bei der Gestaltung des Bauelements bestehen. Die auf der Ober- bzw. Unterseite
der Biegefedern angeordneten Sensorelemente können in bekannter Weise zu
einer Wheatstone-Brücke
zusammengeschaltet werden, die sehr gut abgleichbar ist und diese
Eigenschaft über
einen weiten Temperaturbereich beibehält.
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Ferner
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
wenn die Mikroschwingvorrichtung eine Torsions-Schwingungsmode und
eine Planparallel-Schwingungsmode aufweist, wobei beide Schwingungsmoden
frequenzmäßig voneinander
getrennt sind. Hierdurch kann in besonders einfacher und genauer
Weise die Drehachse der Mikroschwingvorrichtung festgelegt werden.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung
eines erfindungsgemäßen Bauelements
als Mikrospiegelanordnung. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass
das erfindungsgemäße Bauteil
kostengünstig
beispielsweise für
die Displaytechnologie, etwa in sogenannten HUD-Anzeigen (Head-up
Display) verwendbar ist. In diesen Anwendungsfällen ist die wenigstens eine
Mikroschwingvorrichtung, alternativ auch eine Vielzahl von mikromechanischen
Mikroschwingvorrichtungen, als Mikrospiegel ausgebildet.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform einer Mikroschwingvorrichtung
als Teil eines mikromechanischen Bauelements.
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2 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform einer Mikroschwingvorrichtung
als Teil eines mikromechanischen Bauelements.
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3a, 3b und 4 zeigen
schematisch jeweils eine Schnittdarstellung der Mikroschwingvorrichtung
gemäß der zweiten
Ausführungsform
in zwei verschiedenen Schwingungsmoden.
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5 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform einer Mikroschwingvorrichtung
als Teil eines mikromechanischen Bauelements.
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6 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform einer Mikroschwingvorrichtung
als Teil eines mikromechanischen Bauelements.
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7 zeigt
schematisch eine Draufsicht auf die Mikroschwingvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform
mit einer Darstellung von Sensorelementen.
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Ausführungsform(en)
der Erfindung
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßes mikromechanisches
Bauelement 10 mit einer um eine Drehachse 12 schwenkbaren
Mikroschwingvorrichtung 20 schematisch in einer Draufsicht
auf eine erste Ausführungsform
der Mikroschwingvorrichtung 20 dargestellt. In 2 ist
das erfindungsgemäße Bauelement 10 mit
Mikroschwingvorrichtung 20 schematisch in einer Draufsicht
auf eine zweite Ausführungsform
der Mikroschwingvorrichtung 20 dargestellt. Beide Figuren
werden im Folgenden gemeinsam beschrieben. Das Bauelement 10 weist
insbesondere ein Substrat 11 auf, mit welchem die Mikroschwingvorrichtung 20 über eine
Aufhängung
verbunden ist. Das Substrat 11 ist insbesondere als ein
Halbleitersubstrat, bevorzugt ein Siliziumsubstrat, vorgesehen. Das
erfindungsgemäße Bauelement 10 kann
in an sich bekannter Weise beispielsweise mittels oberflächenmikromechanischer
oder volumenmikromechaniser Herstellungsverfahren hergestellt werden.
Hierbei wird die Mikroschwingvorrichtung 20, beispielsweise
mittels einer Trenchätzung
und/oder einer Opferschichtätzung,
freigelegt so dass die Mikroschwingvorrichtung 20 um die
durch die Aufhängung
definierte Drehachse 12 schwingen kann. Die Mikroschwingvorrichtung 20 ist
insbesondere als ein Mikrospiegel vorgesehen und wird im Folgenden auch
als Mikrospiegel 20 bezeichnet. Erfindungsgemäß kommt
es jedoch auf die Verwendung als Mikrospiegel nicht an, sondern
es kann jede schwingfähige Struktur
als Mikroschwingvorrichtung 20 verwendet werden. Weiterhin
ist es erfindungsgemäß insbesondere
vorgesehen, dass eine Mehrzahl oder sogar eine Vielzahl von Mikroschwingvorrichtungen 20 bzw. Mikrospiegeln 20 im
Bereich des erfindungsgemäßen mikromechanischen
Bauelements 10 vorgesehen sind, beispielsweise zur Ablenkung
einer Vielzahl von Lichtstrahlen in mehrere Richtungen. Der Einfachheit
halber ist jedoch in 1 und 2 lediglich
eine Mikroschwingvorrichtung 20 dargestellt.
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Die
Aufhängung
der Mikroschwingvorrichtung 20 ist gemäß der ersten und gemäß der zweiten Ausführungsform
im wesentlichen über
einen ersten Aufhängungsteil 31 und
einen zweiten Aufhängungsteil 32 realisiert.
Bei der zweiten Ausführungsform kommt
zusätzlich
noch ein dritter Aufhängungsteil 33 hinzu.
Die Mikroschwingvorrichtung 20 ist im wesentlichen plattenförmig in
zwei Richtungen erstreckt und zwar in einer ersten Richtung 21,
die im wesentlichen parallel zur Drehachse 12 vorgesehen
ist, und in einer zweiten Richtung 22, die im wesentlichen
senkrecht zur Drehachse 12 vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist nun
vorgesehen, dass der erste und zweite Aufhängungsteil 31, 32 jeweils
entgegengesetzten Enden der Mikroschwingvorrichtung 20 entlang
der zweiten Richtung 22 mit der Mikroschwingvorrichtung 20 verbunden
ist. Hierdurch ist es möglich,
dass zwei verschiedene Schwingungsmoden bei der Mikroschwingvorrichtung
realisiert werden, nämlich eine
in den 3a und 3b dargestellte
Planparallel-Schwingungsmode und eine in 4 dargestellte
Torsions-Schwingungsmode. Im Fall der Planparallel-Schwingungsmode
(3a und 3b) schwingt
die Mikroschwingvorrichtung 20 aus ihrer Haupterstreckungsebene
in ihrer Ruhestellung planparallel und ohne eine Drehung durchzuführen. Im Fall
der Torsions-Schwingungsmode (4) schwingt
die Mikroschwingvorrichtung 20 um die Drehachse 12,
wobei ihr Schwerpunkt im wesentlichen in ihrer Haupterstreckungsebene
ihrer Ruhestellung verbleibt. Hierzu ist in den 3a und 3b mit
durchgezogener Linie eine schematische Schnittdarstellung der Mikroschwingvorrichtung 20 quer
zur Drehachse 12 und etwa in der Mitte der Mikroschwingvorrichtung 20 in
einer momentanen Auslenkung nach oben dargestellt und mit gestrichelter Linie
in einer momentanen Auslenkung nach unten dargestellt. Der Pfeil 25 deutet
in den 3a und 3b die
Bewegung des Schwerpunkts der Mikroschwingvorrichtung 20 an.
In 4 ist mit durchgezogener Line bzw. gestrichelter
Linie jeweils eine Torsionsauslenkung der Mikroschwingvorrichtung 20 in
unterschiedliche Richtungen dargestellt.
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Die
Drehachse 12 wird bei der ersten Ausführungsform lediglich über den
ersten bzw. zweiten Aufhängungsteil 31, 32 definiert,
während
bei der zweiten Ausführungsform
noch zusätzlich
der dritte Aufhängungsteil 33 als
im wesentlichen reines Torsionselement hinzukommt. Hierdurch ergibt
sich bei der zweiten Ausführungsform
eine deutliche Trennung im Frequenzband der Frequenzlagen der beiden
betrachteten Schwingungsmoden. Hierbei kann der dritte Aufhängungsteil 33 in
seiner Torsionssteifigkeit relativ weich ausgeführt werden, da durch den dritten
Aufhängungsteil 33 lediglich
die Frequenz der gleichphasigen Schwingung (vgl. 3a und 3b)
zu höheren
Frequenzen hin verschoben werden soll, was einer Zugbelastung des
als Torsionsfeder ausgebildeten dritten Aufhängungsteils 33 entspricht.
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In 5 ist
schematisch eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Mikroschwingvorrichtung 20 als
Teil des mikromechanischen Bauelements 10 dargestellt.
Bei der dritten Ausführungsform
ist eine Möglichkeit
realisiert, den dritten Aufhängungsteil 33 raumsparend
und hinsichtlich einer Torsionsbelastung relativ welch zu gestalten.
Dabei wird der dritte Aufhängungsteil 33 als
gefaltete Feder ausgebildet, so dass durch eine Torsionsbelastung des
dritten Aufhängungsteils 33 im
ganzen eine Biegebelastung im Bereich einer Faltung 33' dominiert. Gleiche
Bezugszeichen aus vorangehenden Figuren entsprechen gleichen Komponenten
bzw. Elementen des Bauelements 10 gemäß der dritten Ausführungsform.
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In 6 ist
schematisch eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform der Mikroschwingvorrichtung 20 als
Teil des mikromechanischen Bauelements 10 dargestellt.
Bei der vierten Ausführungsform
ist eine Möglichkeit
realisiert, den ersten und zweiten Aufhängungsteil 31, 32 raumsparend
und hinsichtlich einer Auslenkung der Mikroschwingvorrichtung 20 relativ
welch zu gestalten. Dabei wird zusätzlich zum dritten Aufhängungsteil 33 auch
der erste und zweite Aufhängungsteil 31, 32 als
gefaltete Feder ausgebildet, so dass durch eine Biegebelastung im
Bereich von Faltungen 31', 32' die Biegefedern
weicher ausgeführt
werden können.
Gleiche Bezugszeichen aus vorangehenden Figuren entsprechen gleichen
Komponenten bzw. Elementen des Bauelements 10 gemäß der vierten
Ausführungsform.
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In 7 ist
schematisch eine Draufsicht auf die Mikroschwingvorrichtung 20 gemäß der zweiten Ausführungsform
dargestellt, wobei eine Möglichkeit der
Anordnung von Sensorelementen 50 und deren Verbindungsleitungen 51 zur
Realisierung insbesondere einer Brückenschaltung dargestellt ist.
Die Sensorelement 50, insbesondere piezoresistive Widerstände, sind
bevorzugt in den (bei Auslenkung der Mikroschwingvorrichtung 20)
gedehnten oder gestauchten Bereichen des ersten bzw. zweiten Aufhängungsteils 31, 32 vorgesehen,
so dass eine möglichst
hohe Empfindlichkeit realisierbar ist. Beispielsweise können die
Sensorelemente 50 zu einer Wheatstone-Brücke zusammengeschaltet
werden, so dass über
eine Messung an den Abgriffspunkten auf die momentane Verstellung
der Mikroschwingvorrichtung 20 geschlossen werden kann.