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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauteil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der deutschen Patentschrift
DE 198 57 946 C1 ist ein Mikrospiegel bekannt, der eine freitragende Spiegelfläche aufweist. Die Spiegelfläche ist dabei mittels Torsionsbalken mit einem umgebenden Tragekörper verbunden. Nachteilig bei den bekannten mikromechanischen Bauteilen nach dem Stand der Technik ist jedoch, dass sich die Position des schwingfähigen Elements nur über aufwändige Verfahren bestimmen lässt, wobei entsprechende Bauelemente zur Durchführung der Positionsbestimmung unter erheblichen Platzbedarf auf dem Torsionsbalken der mikromechanischen Bauteile positioniert werden müssen.
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Die Druckschrift
US 2002/0026831 A1 offenbart ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Hauptanspruchs. Die Druckschrift
US 2005/0253055 A1 offenbart einen MEMS-Scanner mit piezoresistiven Sensoren in seinen Torsionsarmen zur Messung der Position. Die Druckschriften
US 2003/0123124 A1 ,
US 2005/0221529 A1 und
US 5 648 618 A offenbaren ebenfalls Mikrospiegelanordnungen mit Aufhängungen, bestehend aus Biegefederelementen, Torsionselementen und Sensoren zur Messung der Auslenkung.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauteil gemäß dem Hauptanspruch und den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass die Positionsbestimmung des schwingfähigen Elements unkompliziert erfolgt und zudem das hierfür notwendige Positionserkennungsbauteil, im weiteren auch als Positionsbauteil bezeichnet, besonders platzsparend auf dem zweiten Aufhängungselement des mikromechanischen Bauteils platziert ist. In vorteilhafter Weise kann so beispielsweise der Platz auf dem ersten Aufhängungselement für Zuleitungen (Leiterbahnen), die beispielsweise den Antrieb des schwingfähigen Elements bewirken, verwendet werden.
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Vorzugsweise ist durch das Positionsbauteil bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um eine erste Achse und/oder um eine zweite Achse die Amplitude der Schwingung beziehungsweise die Amplituden der Schwingungen bestimmbar. In vorteilhafter Weise ist so nicht nur die Art der Schwingung durch das Positionsbauteil bestimmbar sondern auch die Amplitude der Schwingung. Eine Erfassung der Schwingungsamplitude ermöglicht somit die Regelung der Auslenkung und damit beispielsweise einen konstanten Bildwinkel im Fall eines Mikrospiegels alsmikromechanisches Bauteil beziehungsweise eine konstante Sensitivität bei einem Drehratensensor als mikromechanisches Bauteil.
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Erfindungsgemäß weist das zweite Aufhängungselement einen Biegefeder-Teil und einen Torsions-Teil auf. In Abhängigkeit der Bewegung der schwingfähigen Fläche erfolgt eine Torsion und/oder eine Biegung des Torsions-Teils und/oder des Biegefeder-Teils des zweiten Aufhängungselements.
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Bevorzugt weist der Biegefeder-Teil des zweiten Aufhängungselements das Positionsbauteil auf und/oder der Torsions-Teil des zweiten Aufhängungselements weist das Positionsbauteil auf. In vorteilhafter Weise kann so die Baugröße des ersten Aufhängungselements klein gestaltet werden, da kein Platz für die Positionierung des Positionsbauteils bereitgestellt werden muss. Das schwingfähige Element kann so beispielsweise vorteilhaft vergrößert werden. Weiterhin ist das Design des schwingfähigen Elements und des ersten Aufhängungselements flexibler, da die Anbringung von Positionsbauteilen in diesen Bereichen nicht berücksichtigt werden muss.
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Bevorzugt ist durch das Positionsbauteil die Torsion und/oder die Biegung des zweiten Aufhängungselements durch das Positionsbauteil bestimmbar. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse erfolgt bevorzugt eine Biegung des Biegefeder-Teils. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um die zweite Achse erfolgt bevorzugt eine Torsion des Torsions-Teils. In vorteilhafter Weise wirkt sich somit sowohl eine Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse als auch eine Schwingung um die zweite Achse auf das zweite Aufhängungselement aus.
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Vorzugsweise erzeugt die Torsion und/oder die Biegung des zweiten Aufhängungselements eine mechanische Spannung innerhalb des zweiten Aufhängungselements, wobei die mechanische Spannung durch das Positionsbauteil am zweiten Aufhängungselement piezoresistiv ausgewertet werden kann. Die mechanische Spannung innerhalb des zweiten Aufhängungselements entsteht, da das schwingfähige Element über das erste Aufhängungselement mit dem inneren Rahmen und der innere Rahmen mit dem zweiten Aufhängungselement verbunden ist. Eine Schwingung beispielsweise des schwingfähigen Elements um die erste Achse ist mit einer gegenphasigen Schwingung des inneren Rahmens verbunden, so dass mechanische Spannungen innerhalb des zweiten Aufhängungselements erzeugt werden.
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Vorzugsweise ist die durch die piezoresistive Auswertung der mechanischen Spannung die Position des schwingfähigen Elements und/oder die Amplitude der Schwingung beziehungsweise die Amplituden der Schwingungen um die erste und/oder um die zweite Achse des schwingfähigen Elements bestimmbar. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements nur um die zweite Achse wird beispielsweise das zweite Aufhängungselement tordiert. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements nur um die erste Achse, wird das zweite Aufhängungselement beispielsweise verbogen. Fließt in einem ersten Ausführungsbeispiel ein Strom zwischen zwei ersten Punkten eines im Torsions-Teil platzierten Positionsbauteils ändert sich bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse der elektrische Widerstand zwischen den beiden ersten Punkten, da das zweite Aufhängungselement verbogen wird. Die Änderung des Widerstandes gibt hierbei folglich Aufschluss über eine Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse. Die Änderung des Widerstandes ist dabei auch ein Maß für die Auslenkung der Schwingung des schwingfähigen Elements. Folglich kann über die Änderung des Widerstandes auch die Amplitude der Schwingung des schwingfähigen Elements bestimmt werden. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um die zweite Achse wird durch die Torsion des zweiten Aufhängungselements eine elektrische Spannung zwischen zwei weiteren Punkten des Positionsbauteils induziert. Eine Verbindungslinie zwischen den zwei weiteren Punkten liegt bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den zwei ersten Punkten in der Ebene des schwingfähigen Elements. Die induzierte Spannung kann ebenfalls gemessen werden, wobei über die Höhe der Spannung die Amplitude der Schwingung um die zweite Achse bestimmt werden kann. Schwingt das schwingfähige Element lediglich um die erste Achse, so wird keine Spannung zwischen den zwei weiteren Punkten induziert. Schwingt das schwingfähige Element lediglich um die zweite Achse, erfolgt keine Widerstandsänderung zwischen den zwei ersten Punkten. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements sowohl um die erste Achse als auch um die zweite Achse, erfolgt sowohl eine Widerstandsänderung zwischen den beiden ersten Punkten als auch die Induzierung einer Spannung zwischen den beiden weiteren Punkten. In vorteilhafter Weise ist somit mit nur einem Positionsbauteil piezoresistiv an dem zweiten Aufhängungselement sowohl eine Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse als auch eine Schwingung um die zweite Achse und auch gleichzeitige Schwingungen um beide Achsen detektierbar. Weiterhin sind vorteilhaft durch das Positionsbauteil die Amplituden der verschiedenen Schwingungen des schwingfähigen Elements bestimmbar.
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Der Fachmann versteht, dass die anzulegende Stromrichtung in Abhängigkeit von dem kristallografischen Aufbau gewählt werden muss. Weist das zweite Aufhängungselement beispielsweise eine p-Dotierung auf, wird bevorzugt die Stromrichtung zwischen 20° und 25° bezüglich einer kristallografischen(100)-Richtung angeordnet. Bevorzugt wird der angelegte Strom durch eine äußere Schaltung konstant gehalten. Die dazu notwendige, zeitlich veränderliche Spannung ist dann ein Maß für die Widerstandsänderung und somit für die Auslenkung des schwingfähigen Elements.
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Erfindungsgemäß weist der Biegefeder-Teil des zweiten Aufhängungselements ein erstes Positionsbauteil und der Torsions-Teil des zweiten Aufhängungselements ein zweites Positionsbauteil auf. Das erste und das zweite Positionsbauteil sind dabei bevorzugt gleich oder unterschiedlich aufgebaut. In vorteilhafter Weise ist die Positionsbestimmung des schwingfähigen Elements so an unterschiedlichen Orten des zweiten Aufhängungselements möglich, wodurch die Messergebnisse der einzelnen Messungen verglichen und überprüft werden können. Selbstverständlich kann sowohl der Biegefeder-Teil als auch der Torsions-Teil eine Mehrzahl von Positionsbauteilen aufweisen, wobei die Positionsbauteile auch hier gleich oder unterschiedlich aufgebaut sein können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils beispielsweise kann ein mikromechanisches Bauteil zwei zweite Aufhängungselemente aufweisen, wobei beispielsweise ein erster Beigefeder-Teil vier Positionsbauteile aufweist. Die Positionsbauteile können dabei unterschiedlich zusammengeschaltet werden, so dass beispielsweise eine Wheatstone-Brücke zwischen den vier Positionsbauteilen des ersten Biegefeder-Teils gebildet wird. Je nach Verschaltung der vier Positionsbauteile kann dabei die Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse und/oder um die zweite Achse detektiert werden. Über die Stärke der Widerstandsänderung kann dabei auch die Amplitude der jeweiligen Schwingung bestimmt werden.
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Besonders bevorzugt ist das schwingfähige Element als spiegelnde Fläche ausgebildet. Die spiegelnde Fläche kann dabei beispielsweise durch eine Oberflächenmetallisierung entstehen und ist bevorzugt plan. Weiterhin bevorzugt ist das Substrat, mit dem das zweite Aufhängungselement in Verbindung steht, ein Siliziumsubstrat, wobei das schwingfähige Element, der innere Rahmen und/oder die Aufhängungselemente beispielsweise durch Ätzen aus dem Siliziumsubstrat gebildet wurden. Selbstverständlich kann das mikromechanische Bauteil weitere Elemente aufweisen, die entweder aus dem Siliziumsubstrat gebildet und/oder durch andere Verfahren auf und/oder aus dem Siliziumsubstrat erzeugt und/oder aufgebracht wurden. Leiterbahnen, Elektroden und/oder Isolationsschichten sind mögliche Beispiele für solche weiteren Elemente.
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Selbstverständlich kann das schwingfähige Element auch ohne spiegelndes Material als schwingfähige Fläche ausgebildet sein. Bevorzugt ist die schwingfähige Fläche sowie das erste und/oder das zweite Aufhängungselement so aufgebaut, dass die schwingfähige Fläche beziehungsweise das schwingfähige Element möglichst große Schwingungsamplituden erreichen kann.
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Bevorzugt wird das mikromechanische Bauteil mit einer spiegelnden, schwingfähigen Fläche als Mikrospiegel verwendet. Der Mikrospiegel kann dabei beispielsweise in Fernsehsystemen zum Fernsehbildaufbau, Displaysystemen zum Displaybildaufbau, Projektoren, Lasermessaufbauten oder anderen optischen Messaufbauten verwendet werden.
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Bevorzugt kann das mikromechanische Bauteil jedoch auch in einem Sensor verwendet werden. Denkbar ist beispielsweise die Verwendung des mikromechanischen Bauteils in einem Drehratensensor zur Drehratenbestimmung.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Positionsdetektion eines schwingfähigen Elements in dem mikromechanischen Bauteil. Hierbei wird die Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste und/oder um die zweite Achse piezoresistiv durch das Positionsbauteil bestimmt. Da hierfür die mechanischen Spannungen, die durch die Schwingung des schwingfähigen Elements entstehen, verwendet werden, erfolgt die Positionsbestimmung dynamisch.
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Bevorzugt wird durch das Positionsbauteil die Amplitude beziehungsweise die Amplituden der Schwingungen der schwingfähigen Fläche um die erste Achse und/oder um die zweite Achse bestimmt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 stellt schematisch ein mikromechanisches Bauteil mit einem schwingfähigen Element dar.
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2 stellt schematisch das mikromechanische Bauteil in einer Draufsicht dar.
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3 stellt schematisch ein zweites Aufhängungselement mit einem Positionsbauteil dar.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In der 1 ist schematisch ein mikromechanisches Bauteil 1 mit einem schwingfähigen Element 2, einem inneren Rahmen 9 und einem zweiten Aufhängungselement 4 dargestellt. Das schwingfähige Element 2 ist im Ausführungsbeispiel als Fläche ausgebildet, weshalb im weiteren auch die Bezeichnung schwingfähige Fläche 2 verwendet wird. Die schwingfähige Fläche 2 ist mittels eines ersten Aufhängungselements 3 (in 1 nicht dargestellt) mit dem inneren Rahmen 9 verbunden. Der innere Rahmen 9 ist über das zweite Aufhängungselement 4 mit einem Substrat 6 (in 1 nicht dargestellt), beispielsweise Silizium, verbunden. Die schwingfähige Fläche 2 kann sowohl um eine erste Achse A als auch um eine zweite Achse B schwingen. Bei einer Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die erste Achse A, wie in der 1 schematisch dargestellt, kann der innere Rahmen 9 gegenphasig schwingen, wodurch mechanische Spannungen im zweiten Aufhängungselement 4 erzeugt werden. Bei einer Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B verdreht sich der innere Rahmen 9 gegenüber dem Substrat 6, wodurch auch hier im zweiten Aufhängungselement 4 mechanische Spannungen erzeugt werden. Folglich entstehen im zweiten Aufhängungselement 4 durch die Schwingungen der schwingfähigen Fläche 2 mechanische Spannungen im zweiten Aufhängungselement 4.
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In der 2 ist schematisch eine Draufsicht auf das mikromechanische Bauteil 1 dargestellt, wobei in der 2 auch das erste Aufhängungselement 3 dargestellt ist. Im Ausführungsbeispiel weist das mikromechanische Bauteil 1 zwei zweite Aufhängungselemente 4, 4' auf, wobei jedes zweite Aufhängungselement 4, 4' einen Biegefeder-Teil 7, 7' und einen Torsions-Teil 8, 8' aufweist. Eine Mehrzahl von Positionsbauteilen 5 sind auf den beiden Biegefeder-Teilen 7, 7' der zwei zweiten Aufhängungselemente 4, 4' dargestellt. Das in der 2 links dargestellte zweite Aufhängungselement 4' weist dabei vier Positionsbauteile 5 auf dem Biegefeder-Teil 7' auf, wobei jeweils zwei Positionsbauteile 5 übereinander angeordnet sind. Bei einer Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die erste Achse A werden die untereinander angeordneten Positionsbauteile 5 gleichmäßig durch eine mechanische Spannung belastet. Bei einer Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B werden die diagonal gegenüberliegenden Positionsbauteile 5 durch die erzeugte mechanische Spannung gleichsinnig belastet. Somit ist sowohl die Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die erste Achse A als auch die Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B über die erzeugte mechanische Spannung mittels des Positionsbauteils 5 nachweisbar. Eine Auswertung der erzeugten mechanischen Spannung erfolgt über das Anlegen eines Stroms an den Positionsbauteilen 5 und die Auswertung der Widerstände der Positionsbauteile 5 beispielsweise mittels einer Verschaltung der Positionsbauteile 5 in der Art einer Wheatstone-Brücke. Über die Stärke der Widerstandsänderung sind dabei die Amplituden der Schwingungen um die erste Achse A und/oder um die zweite Achse B bestimmbar.
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In 3 ist schematisch eine andere Platzierung des Positionsbauteils 5 auf dem zweiten Aufhängungselement 4 dargestellt. Im Ausführungsbeispiel weist dabei der Torsions-Teil 8 ein einziges Positionsbauteil 5 auf. Zwischen zwei ersten Punkten W und O wird bevorzugt ein Strom angelegt, wobei der Widerstand in Stromrichtung durch eine Verbiegung des zweiten Aufhängungselements 4 verändert wird. Es entsteht somit ein piezoresistiver Effekt, der durch Messen der Spannung in Stromrichtung bestimmt werden kann. Die Änderung des Widerstandes ist dabei auch ein Maß für die Auslenkung der Schwingung der schwingfähigen Fläche 2, so dass hierdurch auch die Amplitude der Schwingung bestimmt werden kann. Bei einer Torsion des zweiten Aufhängungselements 4 induziert sich eine elektrische Spannung zwischen zwei weiteren Punkten N und S, wenn zwischen den zwei ersten Punkten W und O ein Strom angelegt wird. Wird folglich eine induzierte Spannung zwischen den beiden weiteren Punkten N und S gemessen, kann auf eine Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B geschlossen werden. Die Höhe der induzierten Spannung gibt dabei Aufschluss über die Amplitude der Schwingung. Bei einer Änderung des Widerstandes zwischen den zwei ersten Punkten W und O liegt folglich eine Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die erste Achse A vor, wobei über die Änderung des Widerstandes die Amplitude der Schwingung um die erste Achse bestimmt wird. Bei einer zu messender Spannung zwischen den zwei weiteren Punkten N und S liegt eine Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B vor, wobei über die Höhe der induzierten Spannung die Amplitude der Schwingung um die zweite Achse B bestimmt wird. Ist sowohl eine Widerstandsänderung zwischen den zwei ersten Punkten W und O als auch eine induzierte Spannung zwischen den zwei weiteren Punkten N und S messbar, schwingt die schwingfähige Fläche 2 sowohl um die erste Achse A als auch um die zweite Achse B.
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Die Positionsdetektion der schwingfähigen Fläche 2 erfolgt somit dynamisch durch die Auswertung der erzeugten mechanischen Spannung im zweiten Aufhängungselement 4.
