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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Sensor- oder Aktorbauelement mit optischer
Funktion nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren
zur Herstellung von mikromechanischen Sensor- oder Aktorbauelementen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
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Unter
mikromechanischen Sensor- oder Aktorbauelementen mit optischer Funktion
sind beispielsweise Scannerspiegel, Scanning-Gratings, Bolometer,
Photodioden und Photodiodenarrays, CCD-Arrays, CMOS-Bildsensoren
oder Lichtmodulatoren zu verstehen. Die Bauelemente müssen z.
B. gegen Verschmutzung durch Partikel, Feuchtigkeit, hochenergetische
Bestrahlung (UV, DUV) geschützt werden
oder sogar im Vakuum betrieben werden. Es ist daher erwünscht, dass
sie dicht verschlossen sind. Andererseits benötigen die Bauelemen te mindestens
eine optische Schnittstelle, damit das dem mikromechanischen Sensor-
oder Aktorbauelement zugeordnete Sensor- oder Aktorelement die einfallende
Strahlung verarbeiten kann. Diese optische Schnittstelle wird in
bekannter Weise durch ein für den
gewünschten
Wellenlängenbereich
der Strahlung transparentes Fenster realisiert.
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Als
bekanntes Beispiel eines mikromechanischen Sensor- oder Aktorbauelements
mit optischer Funktion ist in 1 schematisch
ein mikromechanischer Scannerspiegel in einem vereinfacht dargestellten
Standardgehäuse
mit Glasdeckel dargestellt. Der Scannerspiegel 100 weist
eine Substratstruktur 1 auf, dem ein angelenktes Spiegelelement 2 zugeordnet
ist, das als verspiegelte Platte ausgebildet ist und um eine senkrecht
zur Zeichenebene liegende Achse drehbar bzw. auslenkbar ist. Die
Substratstruktur 1 ist über
eine Kleberschicht 3 mit einem Gehäuseboden 4 verbunden.
Auf einem Rahmen 5 des Gehäuses ist ein entspiegelter
Glasdeckel 6 aufgebracht, der z. B. mittels eines Glaslots
oder mittels eines Klebers mit dem Rahmen 5 verbunden ist,
und insbesondere die Aufgabe hat, Verschmutzungen und Partikel von Scannerspiegel 100 bzw.
von der Substratstruktur 1 und Spiegelelement 2 fernzuhalten.
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Über Bondpads 7a und 7b wird
eine elektrische Verbindung zu elektrischen Elementen am im Gehäuse hergestellt,
wobei Bonddrähte
und Kontakte in der Zeichnung zur Vereinfachung nicht gezeigt sind.
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Ein
solches in 1 dargestelltes mikromechanisches
Bauelement kann hinsichtlich der Deckelung nach unterschiedlichen
Verfahren hergestellt werden, nämlich
- a) durch Häusung
von vereinzelten Chips,
- b) durch Waferbonden zur Deckelung der Chips, und
- c) durch Pick & Place.
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Auch
wenn es im Detail Abweichungen gibt, so können die drei Varianten im
Wesentlichen wie folgt beschrieben werden.
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Zu
a) zunächst
werden einzelne Chips, die beispielsweise die Substratstruktur 1,
das auslenkbare Element 2 und nicht dargestellten Elektroden
mit entsprechenden elektrischen Kontaktierungen, wie die Bondpads 7a, 7b beinhalten,
durch Sägen,
Laserschneiden oder gezieltes Brechen des Wafers, aus dem die einzelnen
Chips bzw. Substratstrukturen hergestellt sind, erzeugt. Dann werden
die vereinzelten Chips in ein Standard- oder Spezialgehäuse eingesetzt,
z. B. durch Bonden, Kleben oder dergleichen. Anschließend wird
die elektrische Kontaktierung mittels Drahtbonden durchgeführt. Alternativ
wir mit einem Ball-Grid-Array auf der Rückseite des Chips die elektrische
Kontaktierung hergestellt. Schließlich wird das Gehäuse durch
Aufbringen eines transparenten Deckels, entsprechend Glasdeckel 6,
verschlossen. Bei diesem Verfahren kann vor der eigentlichen Häusung und
Deckelung ein Test jedes Chips auf Waferebene, d. h. vor dem Vereinzeln, durchgeführt werden,
so dass nur die funktionsfähigen
Chips weiter verarbeitet werden. Allerdings müssen die Chips ohne Schutz
der Oberfläche
aus dem Wafer durch Sägen,
Brechen oder dergleichen herausgelöst werden, was den Prozess
kompliziert und zusätzliche
Ausfälle
nach dem Funktionstest auf Waferebene provoziert. Ein weiterer und
wesentlicher Nachteil ist die Verwendung von verhältnismäßig teuren
Einzelgehäusen.
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Zu
b) Beim Waferbonden wird der die Sensor-/Aktorchips enthaltende
Wafer mit einem zweiten als Deckelwafer bezeichneten Wafer derart
verbunden, dass ein ganzflächiger
Deckel über
die einzelnen Substratstrukturen oder Chips entsteht. Der Deckelwafer
ist dabei z. B. ein Glaswafer für
den sichtbaren Wellenlängenbereich
oder Silizium für
den IR-Wellenlängenbereich.
Gegebenenfalls wird ein so genannter Spacer verwendet, der dafür sorgt,
dass zwischen dem eigentlichen Wafer und dem Deckelwafer ein gewisser
Abstand besteht. Dies ist z. B. erforderlich, wenn mechanische Elemente
der auf dem Wafer vorhandenen Chips in ihrer Beweglichkeit nicht
eingeschränkt
werden dürfen.
Weiterhin kann auf die Rückseite
des eigentlichen Wafers ein Bodenwafer gebondet werden. Dies wird
z. B. erforderlich, wenn Vakuum für den Betrieb notwendig ist
und der eigentliche Wafer perforiert ist. Dieses Verfahren hat den
Vorteil, dass vor der Vereinzelung die Chips gedeckelt sind und
damit erheblich unempfindlicher gegenüber dem Vereinzelungs- und
Weiterverarbeitungsprozess sind, jedoch werden bei diesem Verfahren
auch funktionsunfähige
Chips gedeckelt, die später
weggeworfen werden.
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Zu
c) Mit Hilfe von Pick-&-Place-Maschinen, d.
h. mit Positioniermaschinen, können
einzelne Deckel mit hoher Ortsgenauigkeit und Präzision auf einen Wafer aufgesetzt
werden. Diese aufge setzten Deckel können unter Verwendung von bondenden Schichten,
wie Kleber- oder Lotschichten mit dem Wafer verbunden werden. Dieses
Verfahren hat den Vorteil, dass die Chips vor der Deckelung auf
Waferebene charakterisiert und getestet werden können und dann Deckel nur auf
die funktionsfähigen
Chips aufgesetzt werden. Die funktionsfähigen, zur Weiterverarbeitung
bestimmten Chips sind dann wie bei dem Verfahren nach b) erheblich
unempfindlicher gegenüber
dem Vereinzelungs- und Weiterverarbeitungsprozess.
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Entsprechend
dem beschriebenen Stand der Technik werden in allen drei Fällen die
transparenten Deckel immer parallel zur Chipoberfläche aufgebracht.
Die Parallelität
von Deckel- und Chipoberfläche
stellt für
reine Sensoren im Allgemeinen kein Problem dar. Wird Licht oder
Strahlung jedoch nicht nur ein- sondern auch wieder ausgekoppelt,
wie im Falle von Lichtmodulatoren oder Scannerspiegeln, so treten
aufgrund der Parallelität
der beiden Flächen,
d. h. des Deckels 6 und des Spiegelelements 2 in 1 störende Reflexionen
auf. Antireflexionsschichten auf der Ober- und Unterseite des Deckels 6 können diesen
Effekt verringern, aber nicht vollständig beseitigen. In dem Beispiel
entsprechend dem Stand der Technik nach 1 wird ein
zweidimensional ablenkendes Scannerspiegelelement für die Bildprojektion
verwendet. Durch die zweidimensionale Auslenkung des Spiegelelements
wird ein auf den Scannerspiegel 100 gerichteter Laserstrahl über ein
Bildfeld geführt.
Durch Modulation der Laserintensität in Abhängigkeit von der Position des
Laserspots entsteht das gewünschte
Bild. Der Laserstrahl wird jedoch, bevor er auf den Scannerspiegel
trifft, teilweise auch am Deckel reflektiert.
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In 1 ist
dies schematisch dargestellt. Die durchgezogenen Linien zeigen ein
Spiegelelement 2, das parallel zur Chip- oder Substratoberfläche ist
und somit unausgelenkt oder auch in seinem Ruhezustand ist. Ein
Lichtstrahl passiert den transparenten Glasdeckel 6 und
trifft auf das Spiegelelement 2 auf. Durch Reflexion entsteht
ein Lichtstrahl 9. Wird das Spiegelelement ausgelenkt,
wie in der 1 durch die gestrichelt gezeichnete
Platte 11 dargestellt ist, so entsteht durch Reflexion
ein Lichtstrahl 12. Dabei beträgt der Winkel zwischen den
Lichtstrahlen 9 und 12 das Doppelte des Winkels
zwischen den gezeichneten Spiegelelementen 2 und 11.
Nicht dargestellt ist der Fall, bei dem das Spiegelelement 2 um
den gleichen Betrag wie nach links nach rechts ausgelenkt wird.
Dabei würde
sich ein weiterer Lichtstrahl ergeben und zwar so, dass der Lichtstrahl 9 genau die
Winkelhalbierende, zwischen dem weiteren Lichtstrahl und Lichtstrahl 12 ergibt.
Da die Antireflexionsschicht eine Restreflexion aufweist, ergibt
sich ein weiterer Lichtstrahl 10. Dieser hat zwar eine
deutlich geringere Intensität,
wirkt jedoch in der Anwendung störend.
Weitere durch Reflexion an dem Glasdeckel 6 und dem Spiegelelement 2 entstehende
Lichtstrahlen sind nicht dargestellt.
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Wird,
wie oben für
die Bildprojektion beschrieben, der Scannerspiegel symmetrisch um
seine Nulllage ausgelenkt, so verursacht die Restreflexion am Deckel
entsprechend dem Lichtstahl 10 einen Punkt in der Bildmitte.
Um die Größenordnung dieses
Effekts zu verdeutlichen, wird im Folgenden angenommen, dass der
Laser nicht moduliert wird, also ein maximal helles Bildfeld generiert
wird. Die Laserintensität
I wird beispielsweise auf 640 × 480
= 307200 Bildpunkte ver teilt. Damit entfällt unter Annahme einer hundertprozentigen
Transmission des Deckelglases auf jeden Bildpunkt eine mittlere
Intensität
von I/307200. Unter der Annahme, dass der Deckel eine Antireflexionsschicht
besitzt und damit eine Restreflexion von 1 – 99,99% = 0,01 aufweist, entfällt auf
den Bildpunkt in der Mitte tatsächlich
eine zusätzliche
Intensität
von ca. I/10000. Diese ist damit etwa 30 mal so hoch wie die Intensität der übrigen Bildpunkte
und damit, wie ausgeführt,
für den
Betrachter störend.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein mikromechanisches
Sensor- oder Aktorbauelement mit optischer Funktion und ein Verfahren zur
Herstellung solcher Bauelemente zu schaffen, bei denen Reflexionen,
die die Funktion des mikromechanischen Sensor- oder Aktorbauelements beeinträchtigen
könnten,
zu verringern oder sogar zu vermeiden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs
gelöst.
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Durch
die in den Unteransprüchen
angegebenen Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.
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Dadurch,
dass die optische Hauptachse des Deckels nicht senkrecht zur Oberfläche des
Substrats ist und auch nicht mit der optischen Hauptachse des auslenkbaren
Elements im Ruhezustand übereinstimmt,
werden die durch einfallende Lichtstrahlen am Deckel reflektierte
Strahlen nicht auf einen Punkt gebündelt, so dass kein Bildpunkt
mit hoher Intensität entsteht.
In vorteilhafter Weise ist der Deckel, der üblicherweise ein transparentes
Deckelelement und ein Rahmenteil aufweist, schräg zur Oberfläche des Substrats
angeordnet. Eine solche Anordnung ergibt eine einfache Bauweise.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn der Winkel zwischen der Oberfläche des
Substrats bzw. der Oberfläche
des auslenkbaren Elements im Ruhezustand und dem Deckelelement größer ist,
als der maximale Auslenkungswinkel des auslenkbaren Elements. Dadurch
liegt in einem hinreichenden Abstand von dem Sensor- oder Aktorbauelement
der durch den Deckel bzw. das Deckelelement reflektierte Lichtstrahl
nicht mehr in einem Bereich, in den die Platte den entsprechenden
einfallenden Lichtstrahl ablenkt. Dadurch kann der vom Deckelelement
reflektierte Lichtstrahl beispielsweise mittels einer Aperturblende
ausgeblendet werden.
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Das
auslenkbare Element kann als plattenförmiges Spiegelelement oder
auch als Gitter ausgebildet sein. Es kann aber auch ein Hohlspiegel,
eine optische Linse oder ein Filterelement sein.
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In
einer einfachen Ausführungsform
ist das Deckelelement als eine ebene, ein- oder mehrschichtige Platte
ausgebildet. Falls es für
bestimmte Anwendungen erwünscht
oder notwendig ist, kann das Deckelelement aus einem oder mehreren
optischen Elementen, wie Linsen oder Linsenarrays, Prismen oder
dergleichen gebildet sein, wobei die optische Hauptachse des oder
der jeweiligen optischen Elemente nicht senkrecht zur Substratoberfläche liegen. Bei
Prismen ist dabei die Hauptachse der optisch aktiven Oberfläche auf
die Licht auftreffen ggf. auch dort austreten kann gemeint.
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In
vorteilhafter Weise kann der Deckel mittels einer Haftschicht mit
dem Substrat verbunden sein, wobei die Haftschicht eine Kleberschicht
oder eine Lotschicht sein kann, aber auch über ein Eutektikum oder SLID
(Solid-Liquid-Interdiffusion) mit dem Substrat verbunden werden.
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Je
nach Bedarf kann der Deckel einstückig, aber auch mehrteilig
ausgebildet sein, wobei er insgesamt oder teilweise aus Kunststoff
besteht und/oder ein Spritzgussteil ist.
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In
vorteilhafter Weise weist der Deckel auf der vom Substrat abgewandten
Seite Flächenelemente
auf, die parallel zur Substratoberfläche ausgebildet sind. Solche
Flächenelemente
können
zum Aufbringen eines Drucks mittels eines Werkstücks verwendet werden, wodurch
die notwendige Kraft für die
Verbindungsverfahren, wie beispielsweise dem Thermokompressionsverfahren,
aufgebracht werden kann.
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Vorteilhaft
ist, wenn das Substrat mit einem Bodenwafer als Grundplatte verbunden
wird, wobei die gleichen Verfahren wie beim Aufbringen des Deckels
verwendet werden können.
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Das
Verfahren zum Herstellen von mikromechanischen Sensor- oder Aktorbauelementen,
kombiniert die folgenden Vorteile, die teilweise aus dem Stand der
Technik bekannt sind: die einzelnen Substratstrukturen mit auslenkbarem
Element und Elektroden sowie elektrischen Kontaktierungen können auf Waferebene
getestet werden und gleichfalls auf Waferebene verkapselt werden.
Dadurch sind die empfindlichen Strukturen bei der Vereinzelung geschützt. Der
Deckel kann in den vorgegebenen Bedingungen beliebig gestaltet werden
und insgesamt kann das mikromechanische Bau element mit einem kostengünstigen
Gehäuse
hergestellt werden.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
mikromechanisches Sensor- oder Aktorbauelement im Schnitt nach dem
Stand der Technik, das als Scannerspiegel ausgebildet ist,
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2 ein
als Scannerspiegel ausgebildetes mikromechanisches Sensor- oder
Aktorbauelement nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
im Schnitt und in schematisch dargestellter Weise,
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3 eine
Aufsicht auf einen Wafer mit teilweise auf die Substratstrukturen
aufgebrachten Deckeln, und
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4 ein
weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
eines Scannerspiegels als mikromechanisches Sensor- oder Aktorbauelement.
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In 2 tragen
die gleichen Elemente wie in 1 die gleichen
Bezugszeichen und es wird daher auf diese nicht mehr gesondert eingegangen.
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In 2 ist
der vor Verschmutzung zu schützende
Teil des Scannerspiegels 200, der im Wesentlichen das auslenkbare
Element, das als Spiegelelement 2 ausgebildet ist, betrifft,
von der Oberseite durch einen Deckel 22 realisiert, der
aus einem Rahmen 15, 16 und einem darauf aufgebrachten
Deckelement 14 besteht. Wie zu erkennen ist, weist der
im Schnitt dargestell te Rahmen Rahmenteile 15, 16 auf, die
unterschiedliche Höhe
haben. Die anderen, nicht dargestellten Rahmenteile sind jeweils
schräg
zwischen den Rahmenteilen 15 und 16 ausgebildet.
Das transparente Deckelelement 14, das aus Glas, Kunststoff
oder dergleichen hergestellt sein kann, ist rundum auf den Rahmen 15, 16 aufgebracht,
derart, dass er zu der Oberfläche
des Substrats und im Ausführungsbeispiel
auch zur Oberfläche
des Spiegelelements im Ruhezustand schräg angeordnet ist. Diese Verkippung
des Deckelelements 14 ist so gewählt, dass sie größer ist
als die maximal verwendete Auslenkung des Spiegelelements 2.
Da nun das Deckelelement 14 und das Spiegelelement 2 nicht
mehr parallel sind, wie in 2 dargestellt,
die am Spiegelelement 2 reflektierten Strahlen 9 und
die am Deckelelement reflektierten Strahlen 18 ebenfalls
nicht mehr parallel. Da die Verkippung des Deckelelements 14 außerdem größer als
die maximale Auslenkung des Spiegelelements 2 ist, liegt
der durch den Lichtstrahl 18 erzeugte Reflex in hinreichendem
Abstand von dem Spiegelelement 2 nicht mehr in dem Bereich,
in dem die Platte den Lichtstrahl 8 ablenkt. Daher kann
der Lichtstrahl 18 z. B. mittels einer Aperturblende ausgeblendet
werden. Mit Hauptachse ist in den 1 und 2 die
senkrecht zu dem Deckel stehende optische Hauptachse bezeichnet.
Die Hauptachse des Deckels 22, 21 steht, wie ersichtlich nicht
senkrecht zur Oberfläche
des Substrats und ist daher in einem schräg geneigten Winkel ausgerichtet.
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Wie
aus der 2 zu erkennen ist, muss der Deckel 22 nicht
den gesamten Scannerspiegel übergreifen,
jedoch kann er auch im Wesentlichen die gesamte Substratoberfläche abdecken.
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Die
Unterseite des Substrats 1 ist im Ausführungsbei spiel nach 2 durch
einen Bodenwafer 13 verschlossen, der über eine Kleberschicht 3 oder z.
B. auch durch Waferbonden mit dem Substrat 1 verbunden
ist. Ein Bodenwafer 13 ist nicht zwingend erforderlich,
insbesondere dann nicht, wenn das Sensor- oder Aktorbauelement eine
Rückseitenöffnung besitzt.
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Die
Rahmenteile 15, 16 mit den entsprechenden, nicht
dargestellten Seitenteilen und damit der gesamte Deckel sind mit
der Oberfläche
des Substrats 1 mittels einer Haftschicht 17a bzw. 17b verbunden.
Die Haftschicht kann z. B. aus einem Kleber bestehen, ein Glaslot
darstellen oder anodisches Bonden entstanden sein. Auch können Interdiffusionseffekte
benutzt werden, um eine Verbindung herzustellen. Möglichkeiten
sind die Verwendung von Eutektika, wie Au-Si oder spezielle SLID-Materialien.
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In 4 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
mikromechanischen Sensor- oder Aktorbauelements dargestellt, wobei
der Deckel 21 aus einem Stück, beispielsweise aus Kunststoff,
hergestellt ist. Er kann z. B. als Spritzgussteil ausgebildet sein.
Der Deckel 21 weist im Schnitt eine N-Form auf, die auf der
vom Substrat 1 abgewandten Seite Flächenelemente 21b, 21c aufweist,
die parallel zur Substratoberfläche
ausgerichtet sind. aber diese Flächen
kann im Waferverbund auf die Verbindungsstellen 17a, 17b mittels
eines Werkzeugs ein Druck ausgeübt werden,
der bei Verbindungsverfahren, wie beispielsweise dem Thermokompressionsverfahren
zur Herstellung einer guten Verbindung benötigt wird. Auch beim Kleben
ist das Andrücken
sehr vorteilhaft.
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Die
in 4 dargestellte N-Form kann alternativ auch durch
Verbindung eines verkippten Glasdeckels mit Rahmenteilen aus anderem
Material, z. B. Spritzgussmaterialien hergestellt werden.
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In
den Ausführungsbeispielen
nach 2 und 4 ist das Deckelelement 21a eben
und plattenförmig
dargestellt, wobei mehrere Schichten vorhanden sein können. Es
ist jedoch auch denkbar, dass das Deckelelement eine komplexere
Form aufweist. So können
z. B. Linsen oder Linsenarrays, Prismen oder andere optische Elemente
eingesetzt werden.
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In 3 ist
ein Wafer 19 dargestellt, wobei aus diesem Wafer in bekannter
Weise die in den 1, 2 und 4 dargestellten
Substratstrukturen mit auslenkbarem Element und Elektroden bzw.
Kontaktierungen, die mit dem Bezugszeichen 23 versehen,
hergestellt werden. Diese Substratstrukturen 23 sind unvereinzelt
auf dem Wafer 19 vorgesehen, wobei auf einige Deckel 20 aufgebracht sind.
Die einzelnen Substratstrukturen 23 oder auch Chips wurden
vorab getestet. Deckel 20 wurde nur auf die Chips aufgesetzt,
welche voll funktionsfähig sind
und damit weiter verarbeitet werden sollen bzw. können. Nach
dem Test und dem Aufbringen der Deckel 20 werden die einzelnen
Substratstrukturen 23 bzw. Chips aus dem Waferverbund herausgetrennt und
bilden dann die jeweiligen mikromechanischen Sensor- oder Aktorbauelemente.
Die Trennung findet dabei entlang der horizontalen und vertikalen
Linien, den so genannten Sägelinien
statt.
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Wie
schon weiter oben ausgeführt,
können die
mikromechanischen Bauelemente für
die unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt werden. Als Scannerspiegel
können
sie in Bildprojektoren verwendet werden. Sie können dabei als ein- oder zweidimensionale
Scanner ausgebildet sein, die auch für eine Bildaufnahme ge eignet
sein können.
Ein Einsatz ist auch für
die konfokale Mikroskopie, z. B. als Transaktionsspiegel oder OCT
möglich.
Solche Scannerspiegel können
auch zur Speckelreduzierung genutzt werden.
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Die
erfindungsgemäßen Bauelemente
können
mit Gittern auch in Spektrometern eingesetzt werden.
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Es
ist ebenfalls ein Wellenlängentuning
von Lasern oder ein Spectrales Imaging möglich.
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Eine
Ausbildung mit Fabry-Perot-Filtern kann mit der Erfindung ebenso
realisiert sein, wie Mikrospiegelarrays für die Lithographie oder für Projektionen.
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Es
können
auch diffraktive ein- oder zweidimensionale Arrays ausgebildet sein
(PCB, Masken, Displays.
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Bauelemente
mit Gittern, Spiegeln oder Platten können statisch oder resonant
ausgelenkt werden.
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Es
können
auch andere diffraktive optische Elemente vorhanden sein.