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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein mikromechanisches Bauelement
mit einstellbarer Resonanzfrequenz durch Geometrieänderung,
die beispielsweise in Verbindung mit resonanten Mikroscannerspiegeln
geeignet ist, und ein Verfahren zum Betreiben desselben.
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Mikromechanische
Bauelemente mit Schwingungssystemen kommen sowohl als mikromechanische
Sensoren als auch als mikromechanische Aktoren zum Einsatz. Das
aus Schwingungskörper
und elastischer Aufhängung
bestehende Schwingungssystem weist eine Eigen- bzw. Resonanzfrequenz
auf. Bei vielen Anwendungen muss die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems
einer fest vorgegebenen Frequenz entsprechen, um unter Ausnutzung
der Resonanzerhöhung
im Fall eines Sensors beispielsweise eine ausreichende Empfindlichkeit
und im Fall eines Aktors beispielsweise eine ausreichende Schwingungsamplitude
zu erzielen. Beispiele für
solche mikromechanischen Bauelemente mit einem Schwingungssystem
sind Taktgeber in Uhren oder ablenkende Spiegel, wie z.B. Scannerspiegel,
die für
die Datenprojektion verwendet werden. Bei den letztgenannten Scannerspiegeln
muss beispielsweise die Da tenfrequenz bzw. die Modulationsfrequenz
und die Schwingungsfrequenz in einem fest vorgegebenen Verhältnis stehen.
Ein weiteres Beispiel für
eine Anwendung, bei der eine Sollfrequenz vorgegeben ist, liegt
vor, wenn ein Paar eines Sensors bzw. eines Aktors, die im Prinzip
baugleich sind, miteinander synchronisiert werden sollen.
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Um
die für
die Schwingungsgeneration aufzuwendende Leistung gering zu halten,
besitzen die Schwingungssysteme solcher Bauelemente im allgemeinen
eine verhältnismäßig hohe
Güte, mit
der Konsequenz, dass die Resonanzkurve schmal ist und dass unter
Beibehaltung der gewünschten
Schwingungsamplitude nur ein sehr geringer Spielraum bei der Anregungsfrequenz
besteht.
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Die
Ursachen für
eine Abweichung der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems eines
mikromechanischen Bauelements von einer Soll-Resonanzfrequenz sind äußerst vielseitig
und können grob
in zwei Gruppen eingeteilt werden, nämlich solche, die trotz identischer
und konstanter Umgebungsbedingungen zu einer konstanten Resonanzfrequenzabweichung
bzw. einem Resonanzfrequenz-Offset führen und beispielsweise durch
Produktions- bzw. Herstellungsschwankungen/Toleranzen bedingt sind,
und solche, die zeitlichen Änderungen
unterworfen sind, und/oder beispielsweise durch Umgebungsbedingungsschwankungen
hervorgerufen werden. Im Folgenden wird für die konstante, beispielsweise
herstellungsbedingte Abweichung der tatsächlichen Resonanzfrequenz eines
mikromechanischen Bauelements von seiner Soll-Resonanzfrequenz der
Begriff „Resonanzfrequenzabweichung" verwendet, während für die während des
Betriebs bzw. der Lebensdauer zeitlichen Änderungen unterworfenen Frequenzabweichungen
der Begriff „Resonanzfrequenzschwankung" verwendet wird.
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Unter
dem Begriff „Resonanzfrequenzabweichung" fällt folglich
beispielsweise auch das Nicht-Übereinstimmen
der Resonanzfrequenz im Prinzip baugleicher Bauelemente, welches
trotz identischer und konstanter Umgebungsbedingungen auftritt.
Die Ursache hierfür
sind Variationen frequenzbestimmender Materialparameter, wie z.B.
elastischer Konstanten, der Dichte usw., und statischer bzw. systematischer
Abweichungen der Dimensionen von Feder und Masse bzw. dämpfend wirkender
Zwischenräume
aufgrund von Toleranzen in Justage, Strukturierung und Schichtgeneration
bei der Herstellung der mikromechanischen Bauelemente.
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Unter
dem Begriff Resonanzfrequenzschwankung wird demgegenüber die
Schwankung der Resonanzfrequenz des Schwin gungssystems eines mikromechanischen
Bauelements aufgrund von beispielsweise Umgebungsbedingungsschwankungen
verstanden, wie z.B. Schwankungen des Drucks oder der Temperatur.
Resonanzfrequenzschwankungen können
aber auch durch unterschiedlich stark ausgeprägte Absorption von unterschiedlichen Gas-Molekülen, Feuchtigkeit
und ähnlichem
an dem Schwingungssystem oder durch zeitliche Veränderungen
der Materialparameter hervorgerufen werden.
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Die
bisher bekannten Maßnahmen
zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems eines
mikromechanischen Bauelements auf eine Soll-Resonanzfrequenz können ebenfalls
in zwei Strategietypen unterteilt werden, nämlich in eine Strategie, nach
welcher quasi als einer der letzten Herstellungsschritte nicht reversible Änderungen
an den mikromechanischen Bauelementen zur Anpassung der Resonanzfrequenz
des Schwingungssystems vorgenommen werden, und eine Strategie, nach
welcher die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems während des
Betriebs auf die Soll-Resonanzfrequenz
korrigiert, wie z.B. über
eine Regelschleife nachgeregelt, wird. Die erste Strategie ist freilich
lediglich für
die Kompensation dauerhafter Resonanzfrequenzabweichungen geeignet
und kann bei einigen Anwendungen, die eine Kompensation auch der
Resonanzfrequenzschwankungen benötigen,
eine während
des Betriebs erfolgen de Resonanzfrequenzkorrektur nicht ersetzen.
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Zur
Regelung der Resonanzfrequenz während
des Betriebs existieren verschiedene Ansätze. In der
US 6 331 909 B1 und der
US 6 285 489 B1 wird eine
Resonanzfrequenzregelung beschrieben, bei der zur Änderung
der Resonanzfrequenz der Umgebungsdruck variiert wird, wodurch sich
die effektive Masse des bewegten Elements bzw. des Schwingungskörpers durch
die Gasbelegung und damit auch die Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems ändert. Die
hierfür
notwendige Apparatur und der Regelkreis sind jedoch verhältnismäßig aufwändig. Ferner
wird ein Ausführungsbeispiel
beschrieben, bei dem die Feder des Feder-Masse-Systems mit einem
gasabsorbierenden Material belegt ist, das bei Absorption die Materialeigenschaften
und damit die Frequenz ändert.
Auch hier besteht der Nachteil in dem verhältnismäßig hohen Aufwand. Zudem ist davon
auszugehen, dass durch die Einschränkungen der Auswahl der für die Feder
zur Verfügung
stehenden Materialien als solche des gasabsorbierenden Typs die
Güte des
Systems herabgesetzt wird, beispielsweise nicht optimal ist.
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In
der
US 6 256 131 B1 und
der
US 6 285 489 B1 wird
ein Torsionsschwingungssystem beschrieben, bei dem ein Teil der
sich drehenden Masse mittels elektrostatischer Kräfte von
der Torsionsachse weg bzw. zu der Torsionsachse hin verschoben werden
kann. Hierdurch ändert
sich das Trägheitsmoment
und damit wiederum die Resonanzfrequenz. Dieses Vorgehen ermöglicht zwar
eine Regelung der Resonanzfrequenz, größere Abweichungen sind jedoch
aufgrund der im allgemeinen geringen Translationswege der beweglichen
Masse nicht zu korrigieren. Durch zusätzliche elektrische Leitungen durch
die elastische Aufhängung
bzw. Torsionsfedern oder auf den Torsionsfedern, ist diese Ausführung aufwändig und
führt zu
einem erhöhten
Platzbedarf auf der Spiegelplatte. Dadurch vergrößert sich auch die dynamische
Deformation.
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In
einer anderen Ausführung
wird gemäß der
WO 2004/092745 A1 ein
mikromechanisches Bauelement mit anpassbarer Resonanzfrequenz beschrieben.
Mit Hilfe von geometrischen Strukturen, beispielsweise Stegen, die
durch äußeren Einfluss
gezielt gebrochen werden können,
wird auf irreversible und diskrete Weise die effektive Länge und
damit die Steifigkeit von mikromechanischen Federelementen beeinflusst.
Während
des Betriebs kann durch Anlegen einer Spannungsdifferenz zwischen
Schwingungskörper
und geeignet angeordneten stationären Elektroden eine virtuelle
Federkonstantenerhöhung bzw.
Verringerung erzielt werden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, ein Konzept
zur kombinierten Einstellung und Abstim mung einer Resonanzfrequenz eines
mikromechanischen Bauelements zu schaffen, die während des Betriebs des mikromechanischen Bauelements
möglich
und weniger aufwändig
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch
1, eine Lichtablenkvorrichtung nach Anspruch 15 und ein Verfahren zum
Betreiben eines mikromechanischen Bauelements gemäß Anspruch
16 gelöst.
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Ein
erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement
umfasst ein Schwingungssystem, das einen Schwingungskörper und
eine elastische Aufhängung,
mittels der der Schwingungskörper schwingfähig aufgehängt ist,
aufweist, sowie eine Einrichtung zum Einstellen einer Resonanzfrequenz des
Schwingungssystems durch Änderung
der Lage zumindest zweier Federbalken der elastischen Aufhängung zueinander.
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Ein
erfindungsgemäßes Verfahren
zum Betreiben eines mikromechanischen Bauelements mit einem Schwingungssystem,
das einen Schwingungskörper
und eine elastische Aufhängung,
mittels der der Schwingungskörper
schwingungsfähig
aufgehängt
ist, aufweist, umfasst das Einstellen einer Resonanzfrequenz des
Schwingungssystems durch Änderung
der Lage der zumindest zwei Federbalken der elastischen Aufhängung zueinander.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch
Verändern
der jeweiligen Federgeometrie, insbesondere Ändern der Lage der zumindest
zwei Federbalken zueinander, eine Änderung der Federkonstante
der elastischen Aufhängung
erzielt werden kann, die wiederum eine Änderung bzw. Einstellbarkeit
und Regelung des Schwingungssystems bzw. des Feder-Masse-System
liefert. Die Einstellung ist in kontinuierlichen oder in diskreten
Schritten möglich.
Zudem beschränken
sich die vorzunehmenden Hinzufügungen
zu dem mechanischen Schwingungssystem auf das Vorsehen elektrischer
Strukturen, wie sie mittels mikromechanischer Herstellungsverfahren
problemlos und kostengünstig herstellbar sind
und wie sie bei elektrostatischer Anregung des Schwingungssystems
ohnehin vorgesehen werden müssen.
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Bei
einem mikromechanischen Bauelement gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung ist neben der Einsteilbarkeit der Resonanzfrequenz des
Schwingungssystems durch Ändern der
jeweiligen Federgeometrie mittels mikromechanischer Aktoren, eine
Einrichtung zur irreversiblen und reversiblen Korrektur von dauerhaften
Resonanzfrequenzabweichungen vorgesehen. Hierdurch wird eine kombinierte
Einstellungs- und Regelfähigkeit geliefert,
um sowohl Resonanzfrequenzabweichungen als auch Schwankungen ausgleichen
zu können. Hiermit
wird die Ausbeute bei der Fertigung signifikant erhöht, da mikromechanische
Bauelemente, die unmittelbar nach ihrer Herstellung eine Resonanzfrequenz
aufweisen, die außerhalb
des Frequenzbereichs liegt, nicht ausgesondert werden müssen, sondern
durch irreversible und reversible Kompensationen derart manipuliert
werden können,
dass ihre Resonanzfrequenz ausreichend nah an der Soll-Resonanzfrequenz
ist. Zum anderen ermöglicht
die vorliegende Erfindung, dass die Resonanzfrequenz über einen
geeignet großen
Bereich in hinreichend kleinen Schritten einstellbar ist, beispielsweise
kontinuierlich einstellbar ist, so dass die Soll-Frequenz, welche
im Betrieb Schwankungen unterliegt, regelbar ist.
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Gemäß einem
speziellen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst ein mikromechanisches Bauelement
einen über
vier parallele Federbalken, beispielsweise Torsionsfedern, zu Kippbewegungen
fähigen,
aufgehängten
Schwingungskörper.
Die Federn sind jeweils an einer Seite in einem begrenzten Bereich
beweglich gelagert. Je nach Fertigungsschwankungen bzw. Resonanzfrequenzabweichung,
sind Änderungen
der Federsteifigkeit durch ein gezieltes Verändern der jeweiligen Federgeometrie
möglich.
Durch das kontrollierte, diskrete oder kontinuierliche Verschieben
beider Balkenelemente der Parallelfeder mittels eines mikromechanischen
Aktors wird eine Änderung
der Federsteifigkeit erzielt.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
kann eine diskrete Änderung
der Resonanzfrequenz durch stufenweises Einrasten von einem beweglichen
Einrastelement am Ende der beweglichen Federbalkenelemente realisiert
werden.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung können
insbesondere zur Abstimmung der Eigenresonanz resonanter Mikroscannerspiegel durch Ändern der
Federgeometrie, wie z.B. V-Feder, Parallelfeder, mit beliebigen
Aktoren, beispielsweise elektrostatisch, thermisch, magnetisch oder
piezoelektrisch, verwendet werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung beziehen sich auf resonante MEMS-Scannerspiegel, d.h. auf Aktoren, die im
Zustand der Resonanzerhöhung
betrieben werden, um große
Schwingungsamplituden bei geringer Leistungsaufnahme zu erreichen.
Da die resultierende Güte
vergleichsweise hoch und die Resonanzkurve somit schmal ist, besteht
unter Beibehaltung der gewünschten
Schwingungsamplitude ein nur sehr geringer Spielraum bei der Anregungsfrequenz.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung betreffen eine kombinierte Einstellung
und Abstimmung der Resonanzfrequenz, so dass auch größere Abweichungen
und Schwankungen der Resonanzfrequenz ausgeglichen werden können, um somit
das Anwendungsgebiet des Scannerspiegels zu vergrößern. Eine
kritische Anwendung ist hierbei die Datenprojektion, bei der die
Datenfrequenz und die Schwingungsfrequenz des Spiegels in einem
fest vorgegebenen Verhältnis
stehen müssen.
Ebenso ergibt sich die Vorgabe einer Frequenz dann, wenn zwei im
Prinzip baugleiche Sensoren/Aktoren oder zwei in einem festen Verhältnis schwingende
Scannerspiegel miteinander synchronisiert werden sollen. Ein Beispiel
hierfür
ist beispielsweise ein zweidimensionaler Scanner, der ein Auslesen
von zweidimensionalen Barcodes über
ein diagonales progressives Scannen ermöglicht. Bei einer solchen Anwendung ist,
einerseits ein festes Frequenzverhältnis nötig, um eine vorgegebene, feste
Lissajous-Figur zu definieren. Andererseits sollen sich die Frequenzen
in beiden Schwingungsrichtungen nur um wenige Hertz unterscheiden.
Dieser geforderte Frequenzunterschied liegt jedoch innerhalb der
technologisch bedingten Frequenzstreuung. Entscheidend für den Erfolg
eines solchen Prinzips ist somit nicht das exakte Einstellen der
Frequenzen in den beiden Schwingungsrichtungen, sondern das Erreichen
des durch diese Frequenzen definierten Verhältnisses. Dies ist jedoch stark
von Abweichungen und Schwankungen der Resonanzfrequenz abhängig. Solche
Resonanzfrequenzabweichungen und Resonanzfrequenzschwankungen können über eine
Einstellung der Resonanzfrequenz einer oder beider Achsen kompensiert
werden, wobei hierin unter Einstellung sowohl eine nicht-reversible,
d.h. die Frequenzänderung kann
nicht rückgängig gemacht
werden, als auch eine reversible Änderung bzw. Anpassung der
Resonanzfrequenz gemeint ist. Resonanzfrequenzschwankungen sind
nicht über
solche Einstellungen zu beheben, sondern sollten momentan, also
im Betrieb und immer reversibel, also vorzugsweise über eine
Regelschleife ausgeglichen werden.
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Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung beziehen sich somit auf eine Lichtablenkvorrichtung,
die ein mikromechanisches Bauelement mit entsprechend einstellbarer
Resonanzfrequenz und eine Antriebseinrichtung zum Betreiben des
Schwingungssystems des mikromechanischen Bauelements bei der Resonanzfrequenz
aufweist. Ferner umfassen Ausführungsbeispiele
der Erfindung eine Regeleinrichtung, beispielsweise eine Regelschleife, um
die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems auf eine Sollresonanzfrequenz
einzustellen. Als Regelgröße kann
hierbei beispielsweise die Schwingungsamplitude des Schwingungskörpers bzw.
des Spiegels dienen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die
beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Darstellung des Schwingungssystems eines mikromechanischen Bauelements, beispielsweise
eines resonanten Scannerspiegels, gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Darstellung der Aufhängung
eines mikromechanischen Bauelements, beispielsweise eines resonanten
Scannerspiegels mit zwei parallelen Federbalken bzw. Torsionsfedern,
die zum Abstimmen durch Geometrieänderung geeignet sind, gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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3a bis 3d Darstellungen
von Basisfedergeometrien zum Geometrietuning mikromechanischer Oszillatoren,
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4a bis 4d Darstellungen
von Basisfedergeometrien mit einseitig fest eingespanntem stabilisierendem
mittlerem Federbalken, gemäß einem
weitern Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5a bis 5d Darstellungen
von Basisfedergeometrien mit veränderlichen
parallelen Federstrukturen, gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Darstellung des reversiblen Einrastens bei einer Parallelfedergeometrie
zur diskreten Frequenzänderung,
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 eine
Darstellung des irreversiblen Einrastens bei einer Parallelfedergeometrie
zur diskreten Frequenzänderung,
gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Bevor
im Folgenden die vorliegende Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen
näher erläutert wird,
wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen zur besseren Verständlichkeit
nicht maßstabsgerecht
ausgeführt
sind. Zudem sind in den Figuren gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen
versehen, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen
wird.
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1 zeigt
eine vereinfachte Darstellung eines resonanten mikromechanischen
Bauelements mit veränderlicher
Parallelfedergeometrie. Das mikromechanische Bauelement des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
stellt einen mikromechanischen Spiegel dar, wie er beispielsweise
bei Mikroscannern eingesetzt wird, um einen modulierten Lichtstrahl
mit einer vorbestimmten Soll-Frequenz abzulenken, um den Lichtstrahl
in einem Bildfeld mit der Soll-Frequenz hin- und herzubewegen, wodurch
durch den sich auf dem Bildfeld bewegenden modulierten Lichtstrahl
auf dem Bildfeld ein Bild erzeugt wird. Es wird darauf hingewiesen,
dass die vorliegende Erfindung auch bei anderen mikromechanischen
Bauelementen mit einem Schwingungssystem verwendet werden kann.
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Das
mikromechanische Bauelement umfasst ein Schwingungssystem aus einem
Schwingungskörper
11,
der als Spiegelplatte dient, und einer elastischen Aufhängung
12 bzw.
12a,
12b,
12c und
12d. Sowohl
Schwingungskörper
11 als
auch elastische Aufhängung
12 könnten beispielsweise
in einer Halbleiterschicht gebildet sein. Die Aufhängung
12 besteht
aus vier flachen und länglichen
Torsionsfedern
12a,
12b,
12c und
12d,
welche an einem Ende in einem begrenzten Bereich beweglich gelagert
sind und an dem anderen Ende an einer jeweils gegenüberliegenden
länglichen
Seite des rechteckigen, als Spiegel dienenden Schwingungskörpers
11 befestigt sind.
Die gesamte Konstruktion könnte
beispielsweise von einem Substrat getragen werden, wie es für bekannte
Schwingungssysteme in der
WO 2004/092745 A1 beschrieben ist.
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Das
in 1 gezeigte mikromechanische Bauelement liefert
bereits eine Einstellbarkeit der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems
aus Schwingungskörper 11 und
elastischer Aufhängung 12 entweder
auf diskrete oder auf kontinuierliche Weise, um die in der Beschreibungseinleitung
beschriebenen herstellungsbedingten dauerhaften Resonanzfrequenzabweichungen
oder dergleichen von der Soll-Resonanzfrequenz auszugleichen, wobei diese
Einstellbarkeit im Folgenden näher
erläutert wird.
Die Einstellung der Resonanzfrequenz wird über die Federsteifigkeit des
Feder-Masse-Systems, beispielsweise des Schwingungssystems aus Schwingungskörper 11 und
elastischer Aufhängung 12 ermöglicht.
Dabei ist das Quadrat der Eigenfrequenz eines linearen Oszillators
direkt proportional zur Federsteifigkeit: f2 ~ k
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Eine Änderung
der Federsteifigkeit wird durch ein gezieltes Verändern der
jeweiligen Federgeometrie erreicht. Durch das kontrollierte diskrete oder
kontinuierliche Verschieben beider Balkenelemente der Parallelfeder
nach außen
vergrößert sich der
effektive Abstand der Federbalken und somit der Biegeanteil der
Federsteifigkeit. Dadurch vergrößert sich
die Gesamtsteifigkeit des Scannerspiegels. Umgekehrt verkleinert
sich die Gesamtsteifigkeit beim Verschieben der Federbalken nach
innen, aufgrund des verringerten Biegeanteils. Die Gesamtsteifigkeit setzt
sich aus einem Torsionsanteil kT und einem
Biegeanteil kB zusammen: kG = 2·(kT + kB)
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Der
Biegeanteil ist hierbei direkt proportional zum Quadrat des Abstandes
a bzw. zur Änderung des
Abstandes Δa
der parallelen Biegebalken: kB ~ Δa2 wenn ein mechanisches Einrasten möglich ist
und dadurch eine Änderung
von a durch die bei der Verdrillung der Spiegelfeder entstehende
Rückstellkraft unterdrückt wird.
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Berücksichtigt
man, dass die Abstandsänderung Δa proportional
zu einer Tuningkraft FT ist, und geht man
davon aus, dass der Abstand a nicht durch ein mechanisches Einrasten
beim Verdrillen der Torsionsfeder konstant bleibt, wird der Biegeanteil
direkt proportional zum Quadrat der Tuningkraft, die die Abstandsänderung
bewirkt: kB ~ F2T
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Die
Tuningkraft FT ist dabei die zum Ändern der
Federgeometrie bzw. zum Bewirken der positiven oder negativen Abstandsänderung Δa notwendige Kraft.
Zum Erzeugen dieser Tuningkraft können übliche in Mikrosystemen verwendbare
Aktoren genutzt werden. Das heißt,
elektrostatische, piezoelektrische oder elektrisch-thermische Aktorprinzipien
sind möglich.
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Elektrostatische
Antriebe, die auf der Änderung
der elektrischen Feldstärke
in Abhängigkeit
vom Weg beruhen, können
hierbei entweder nach dem Prinzip eines Plattenkondensators, bei
dem die Bewegung in Richtung der elektrischen Feldlinien, oder nach
dem Prinzip eines Fingerkondensators mit einer Bewegung senkrecht
zu den elektrischen Feldlinien, realisiert werden.
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Bei
elektrothermischen Aktoren sind z.B. Ausführungen nach dem Prinzip einer
unsymmetrischen Ausdehnung von einzelnen Schichten in Mehrschichtsystemen
(Biegewandler) aufgrund von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten
möglich.
Diese können
in der Schwingungskörperebene bzw.
Spiegelebene oder senkrecht zur Schwingungskörperebene liegen.
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Piezoelektrische
Antriebe, die den reziproken Piezo-Effekt nutzen, um unsymmetrische
Ausdehnungen zu erzeugen, sind e benfalls als Biegewandler nutzbar.
Sie können
jedoch nur senkrecht zur Schwingungskörperebene bzw. Spiegelebene eingesetzt
werden, was durch eine geeignete Umsetzung der erzeugten Kraftwirkung
in der Plattenebene geändert
werden kann.
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In
Abhängigkeit
vom Betrag der mit dem jeweiligen Aktor erzeugten Kraft und der
dadurch bedingten Lageänderung
der Federbalken zueinander, kann die Gesamtsteifigkeit des Schwingungssystems geändert werden,
so dass dadurch die Resonanzfrequenz regelbar ist.
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Bei
der Ausführung
des oben beschriebenen Prinzips zur Änderung der Resonanzfrequenz
sind allgemein drei Szenarien möglich.
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Bei
einem ersten Szenario erfolgt eine stufenweise Einstellung (irreversibel
oder reversibel) der Resonanzfrequenz durch stufenweise Änderung
des Abstands zwischen den Federbalken mittels mechanischen Einrastens
der verschiebbaren Federbalken und der jeweiligen notwendigen Tuningkraft.
Bei diesem Szenario erfolgt eine Einstellung der Frequenz, nicht
jedoch eine Regelung derselben.
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Bei
einem zweiten Szenario wird eine konstante Aktorkraft an die verschiebbaren
Federelemente angelegt, wodurch der Biegeanteil kb abhängig vom
mechanischen Auslenkwinkel wird. Dadurch ist eine Änderung
der Federcharakteristik möglich, wobei
eine lineare, degressive oder progressive Federkennlinie erzwungen
werden könnte.
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Bei
einem dritten Szenario wird die Resonanzfrequenz durch eine Änderung
der Gesamtsteifigkeit in Abhängigkeit
von der Aktorkraft geregelt. Hierbei kann die gewünschte Resonanzfrequenz, d.h.
die dazugehörige
Gesamtsteifigkeit, nachgeregelt werden.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer beweglichen Federbalkenaufhängung, die allgemein mit 20 bezeichnet
ist. Wie in 2 gezeigt ist, sind die zwei
parallelen Federbalken bzw. Torsionsfedern 12c und 12d an
einem Ende an dem Schwingungskörper 11 befestigt
und am anderen Ende über
elastische Aufhängungen 24 und 26 an
einer Trägerstruktur 22 beweglich
gelagert. Die elastischen Aufhängungen 24 und 26 sind
symmetrisch bezüglich
einer Achse Ax, die eine Schwenkachse des Schwingungskörpers darstellt,
aufgebaut und umfassen jeweils einen Balken 2a und 2b sowie
flexible Stege 2c, 2d und 2e bzw. 2f, 2g und 2h.
Ein erstes Ende des Balkens 2a ist auf einer Seite mit
dem Federbalken 12c verbunden und auf der anderen Seite
desselben mit dem flexiblen Steg 2e. Das andere Ende des
flexiblen Stegs 2e ist mit der. Trägerstruktur 22 verbunden.
Ein zweites, gegenüberliegendes
Ende des Balkens 2a ist auf beiden Seiten desselben über die
flexiblen Stege 2c und 2d mit sich gegenüberliegenden Abschnitten
der Trägerstruktur 22 verbunden.
Der Aufbau der elastischen Aufhängung 26 ist
entsprechend, so dass eine gesonderte Beschreibung desselben nicht
erforderlich ist.
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Während des
Betriebs kann durch eine geeignete Antriebseinrichtung eine Betätigungskraft, die
oben als Tuningkraft FT bezeichnet wurde,
an die Balken 2a und 2b angelegt werden, so dass
eine Auslenkung derselben und dadurch eine Änderung des Orts, an dem die
Federbalken an der Trägerstruktur 22 gelagert
sind, bewirkt werden. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel können die
Balken 2a und 2b dabei durch Ausüben einer
entsprechenden Kraft FT bzw. –FT um eine Strecke Δy bzw. –Δy ausgelenkt werden. Die Stege 2c bis 2h weisen
eine ausreichende Flexibilität
auf, um eine solche Auslenkung zu ermöglichen.
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Die
in 2 gezeigten Strukturen können beispielsweise in einer
Schicht eines mikromechanischen Bauelements strukturiert sein. Mikromechanische
Aktoren (in 2 nicht gezeigt) können vorzugsweise
in das Bauelement integriert sein, oder außerhalb des Bauelements angebracht
werden. Derartige Aktoren könnten
bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
beispielsweise implementiert sein, indem an den Balken 2a und 2b Fingerelektroden
vorgesehen sind, deren Längserstreckung senkrecht
zur Längserstreckung
der Balken 2a ist. Solche Fingerelektroden können entsprechenden feststehenden
Elektroden gegenüberliegen,
so dass durch Anlegen einer Spannung zwischen den Fingerelektroden
und feststehenden Elektroden eine entsprechende Auslenkung bewirkt
werden kann. Derartige mikromechanische Antriebe unter Verwendung interdigitaler
Finger sind in der Technik bekannt und bedürfen hierin keiner weiteren
Erläuterung.
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An
dieser Stelle sei angemerkt, dass die, Bezug nehmend auf 2 beschriebene
elastische bzw. weiche Aufhängung
an einer Trägerstruktur
für sämtliche
hierin beschriebenen beweglichen Lagerungen verwendet werden kann.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass eine Lageänderung zwischen zwei Federbalken
auch erreicht werden kann, wenn nur einer der Federbalken an der
Trägerstruktur
beweglich gelagert ist, beispielsweise unter Verwendung von einer
der beiden elastischen Aufhängungen 24 und 26,
die in 2 gezeigt sind.
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3a bis 3d zeigen
Ausführungsbeispiele
von Basisfedergeometrien zum Geometrietuning mikromechanischer Oszillatoren,
beispielsweise Scannerspiegeln. Die Basisfedergeometrien zeichnen
sich dadurch aus, dass die Feder jeweils auf einer Seite an dem
Schwingungskörper,
beispielsweise der Spiegelplatte 11 befestigt ist und auf
der anderen Seite in einem begrenzten Bereich beweglich gelagert
ist.
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3a zeigt
die Spiegelplatte 11 mit zwei parallelen Federbalken 12c und 12d.
Die hier dargestellten Bewegungsrichtungen der elastischen Aufhängung bzw.
der Federbalken 12c und 12d können grundsätzlich in positiver oder negativer
y-Richtung erfolgen. Durch Anlegen einer Aktorkraft FT an
die verschiebbaren Federbalken 12c und 12d wird
eine Änderung
der Federcharakteristik möglich.
Der Biegeanteil der Federsteifigkeit kB ist
abhängig
von dem mechanischen Auslenkwinkel. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
können
die Balken 12a und 12b dabei durch Ausüben einer
entsprechenden Kraft FT bzw. –FT um eine Strecke Δy bzw. –Δy ausgelenkt werden. Lineare,
degressive oder progressive Federkennlinien könnten im optimalen Fall erzwungen
werden. Eine Regelung der Resonanzfrequenz auf eine Soll-Frequenz
wird durch eine Änderung
der Gesamtsteifigkeit in Abhängigkeit
von der Aktorkraft möglich.
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3b zeigt
die Spiegelplatte 11 mit zwei Federbalken 31a und 31b in
einer V-förmigen
Ausführung
der Federgeometrie. 3c zeigt die Spiegelplatte 11 mit
drei Federbalken 32a, 32b und 32c in einer
Y-förmigen
Ausführung
der Federgeometrie. 3d zeigt die Spiegelplatte 11 mit
zwei Federbalken 33a und 33b, die einander kreuzen,
um eine X-förmige
Federgeometrie zu realisieren.
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In 4a bis 4d,
die sich auf jeweilige Ausführungsbeispiele
der Federgeometrie beziehen, sind die Basisfedergeometrien jeweils
um ein mittleres, fest eingespanntes Federbalkenelement 40a, 40b, 40c und 40d erweitert.
Die fest eingespannten Federbalkenelemente sind an der Trägerstruktur 22, beispielsweise
dem Bauelementrahmen fixiert. Dieses Federbalkenelement erhöht die Stabilität der Gesamtfeder
und vergrößert somit
die Steifigkeiten sowohl gegenüber
Bewegungen in der Spiegelplattenebene, als auch gegenüber Bewegungen
senkrecht zur Spiegelplattenebene. Hierdurch lassen sich Eigenschaften
des Mirkoscannerspiegels, wie z.B. Modentrennung, Schockfestigkeit
oder elektrostatische Stabilität
verbessern bzw. optimieren. Durch das Verwenden von zwei oder mehr
fest eingespannten Federbalken kann die Stabilität beliebig vergrößert werden.
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5a zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
das sich von dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel
dadurch unterscheidet, dass jeweils Paare aus zwei parallelen Feder balken, 50a und 50b bzw. 50c und 50d,
statt jeweils eines Federbalkens vorgesehen sind. Die parallelen
Federbalken 50a und 50b können gleichzeitig in eine Richtung
verschoben werden. Beispielsweise können bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
die Balken 50c und 50d durch Ausüben einer
Kraft FT gleichzeitig um eine Strecke Δy ausgelenkt
werden. Hierbei erhöht
sich die mögliche Frequenzänderung
pro Wegänderung Δy, bei jedoch erhöhtem Kraftaufwand
FT. Der Vorteil bei dieser Variante gegenüber einem
einfachen Verbreitern der beweglichen Federbalken liegt in einer
günstigeren Biegesteifigkeit
der Federbalken in Bewegungsrichtung, da die Balkenbreite mit der
dritten Potenz in diese Biegesteifigkeit eingeht.
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Das
in 5b gezeigte Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem in 4b gezeigten Ausführungsbeispiel
ebenfalls dadurch, dass die beweglich gelagerten Federbalken 31a und 31b durch
Federbalkenpaare 51a, 51b und 51c, 51d ersetzt
sind.
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Bei
den in den 5c und 5d gezeigten Ausführungsbeispielen
weisen im Vergleich zu den 4c und 4d jeweils
beweglich gelagerte Federbalken doppelte Federbalken auf. So sind
gemäß 5c mit
einem Federbalken 52a, der dem Federbalken 32a in 4c entspricht,
doppelte Federbalken 52b, 52c und 52d, 52e verbunden.
Gemäß 5d sind
verglichen mit 4d der jeweiligen beweglichen
Lagerung, die durch einen jeweiligen Pfeil angedeutet ist, zugewandte
Abschnitte der Federbalken durch jeweilige doppelte Federbalken 53a, 53b bzw. 53c, 53d gebildet.
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Es
ist klar, dass auch bei den in den 3a bis 3d gezeigten
Ausführungsbeispielen
die jeweiligen Federbalken durch doppelte Federbalken gebildet sein
könnten.
Darüber
hinaus könnte
alternativ und/oder zusätzlich
auch die Lage der Federbalken innerhalb eines der Paare relativ
zueinander änderbar
sein, indem beispielsweise die Enden der Federbalken eines Paars
von doppelten Federbalken beweglich relativ zueinander gelagert
sind.
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Die
bisherigen Ausführungsbeispiele
ermöglichen
eine kontinuierliche und reversible Änderung der Resonanzfrequenz,
um Resonanzfrequenzschwankungen während des Betriebs des Schwingungskörpers 11,
beispielsweise der Scannerspiegelplatte zu kompensieren und somit
nachzuregeln.
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6 zeigt
eine Erweiterung der Beispiele aus 4a, bei
dem ein reversibles Einrasten möglich
ist. Am Ende der Federbalken 60a und 60b befinden
sich Einrastelemente E1 und E2 zum Einrasten der Federenden 60a und 60b.
Diese Einrastelemente können
beispielsweise durch einen zusätzlichen
Aktor bewegt werden. Zuerst werden die Einrastelemente E1 und E2
mit Hilfe einer Kraft FR um Δx verschoben,
um ein Verschieben der beweglichen Balkenelemente 60a und 60b um Δy mittels
einer Tuningkraft FT reibungsfrei realisieren
zu können.
Danach werde die Einrastelemente E1 und E2 in ihre Ausgangsposition
in x-Richtung zurückgeführt und somit
die beweglichen Balkenelemente 60a und 60b eingerastet.
Durch die beweglichen Einrastelemente, wie sie in 6 gezeigt
sind, kann eine diskrete Frequenzerhöhung oder Frequenzverringerung
durch stufenweise reversibles Einrasten realisiert werden.
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Das
in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel stellt eine
zweite Variante ohne bewegliches Einrastelement E vor. Hierbei erhöhen sich
die Reibungsverluste und damit die notwendige Tuningkraft. Des Weiteren
ist diese Variante aufgrund der großen Reibung am besten irreversibel
ausführbar.
Eine reversible Variante ist zwar denkbar, doch wären hier
Materialbelastungen so groß,
dass sich das Risiko einer Zerstörung
der beiden Federbalken 70a und 70b stark erhöhen würde.
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Mittels
eines reversiblen oder irreversiblen Einrastens können somit
Resonanzfrequenz-Abweichungen nach dem Herstellungsprozess über ein einmaliges
oder mehrmaliges stufenweises Ändern der
elastischen Aufhängung 12 bzw.
der Federgeometrie kompensiert werden.
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Bezugnehmend
auf die Ausführungsbeispiele
der 1 bis 7. wurde ein Mikrospiegel als eine
potentielle Anwendung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es
ist jedoch klar, dass die vorliegende Erfindung auch bei anderen
mikromechanischen Bauelementen mit anpassbarer Schwingungsfrequenz
eingesetzt werden kann, beispielsweise bei Sensoren. Die Erfindung
ist insbesondere vorteilhaft bei Anwendungen, bei denen das Schwingungssystem
eines mikromechanischen Bauelements in seiner Resonanzfrequenz betrieben
wird oder in der Nähe
seiner Resonanzfrequenz, so dass die Erhöhung der Schwingungsamplitude
durch den Resonanzeffekt ausgenutzt wird.
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Die
vorliegende Erfindung schafft somit ein Konzept zum Einstellen der
Resonanzfrequenz eines Schwingungssystems aus Schwingungskörper und elastischer
Aufhängung.
Ein solches System kann als resonanter Oszillator bezeichnet werden,
wobei mit zunehmender Federsteifigkeit des resonanten Oszillators
aufgrund von großen
Frequenzen und/oder großen
Schwingkörperdimensionen
sich der Kraftaufwand zum Ändern
der Geometrie vergrößert. Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
das Ändern
der Resonanzfrequenz mit einer großen Auflösung, wobei die Federsteifigkeit
sowohl bei Torsionsschwingern als auch bei translatorischen Schwingern modifiziert
werden kann. Allgemein schafft die vorliegende Erfindung eine Integration
von veränderlichen Federgeometrien
mit vergrößerbaren,
aber auch verkleinerbaren Federsteifigkeiten in resonanten Mikrosystemen,
beispielsweise eindimensionalen Torsionsschwingern (z.B. eindimensionaler
Mikrospiegel), zweidimensionalen Torsionsschwingern (beispielsweise
zweidimensionalen Mikrospiegeln) und Translationsschwingern (beispielsweise
resonanten Senkspiegeln). Die vorliegende Erfindung ist insbesondere
vorteilhaft anwendbar, um Resonanzabweichungen solcher Bauelemente,
beispielsweise durch Fertigungsschwankungen und um Resonanzschwankungen
während
des Betriebs der Bauelemente zu vermindern bzw. zu kompensieren.
Die zum Ändern der
Federgeometrie, bzw. der positiven oder negativen Abstandsänderung,
notwendige Kraft kann vorzugsweise mit üblichen mikromechanischen Antriebsprinzipien
erzeugt werden, beispielsweise in einem elektrostatischen, einem
elektrothermischen oder einem piezoelektrischen Antrieb. Die elastischen
Aufhängungen
können
unter Verwendung veränderlicher
Grundgeometrien sowie Kombinationen und Derivaten davon ausgeführt sein,
beispielsweise parallel angeordneten Balkenfedern, V-förmig angeordneten
Balkenfdern, Y-förmig
angeordneten Balkenfedern und X-förmig angeordneten Balkenfedern.
Variationen dieser Grundgeometrien können darin bestehen, einen
beidseitig fest eingespannten zusätzlichen Mittelbalken vorzusehen,
zwei oder mehr zusätzliche
Mittelbalken vorzusehen, oder zwei oder mehr einseitig fest eingespannte
Biegebalken vorzusehen. Ferner können
zusätzliche
Einrastelemente am beweglichen Ende der einseitig fest eingespannten
Biegebalken mit und ohne eigenem mikromechanischem Antrieb vorgesehen
sein, was ein reversibles und irreversibles (nur in eine Richtung)
Einrasten ermöglichen
kann.