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Die
Erfindung betrifft einen Elektrodenkamm für ein mikromechanisches Bauteil.
Zusätzlich
betrifft die Erfindung ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren
betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen
Elektrodenkamm und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
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Stand der Technik
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Ein
Mikrospiegel mit einem elektrostatischen Antrieb wird häufig zum
Ablenken optischer Strahlen, beispielsweise in Barcode-Scannern
und in Projektionssystemen, oder zum Schalten optischer Datenverbindungen
eingesetzt. Zum Verstellen des Mikrospiegels kann der Mikrospiegel
in Schwingungen mit seiner Eigenfrequenz versetzt werden. Man bezeichnet
dies als resonante Betriebsart des Mikrospiegels. Für die resonante
Betriebsart wird meistens ein elektrostatischer Antrieb mit zwei
in einer Ebene angeordneten Elektrodenstrukturen verwendet.
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Die
resonante Betriebsart des Mikrospiegels ermöglicht hohe Auslenkungen des
Mikrospiegels bei einer vergleichsweise geringen Energieeinkopplung,
allerdings nur mittels einer sinus-ähnlichen Schwingung mit einer
Frequenz gleich der Eigenfrequenz des Mikrospiegels. Ein Reflexionsstrahl
des mit seiner Eigenfrequenz schwingenden Mikrospiegels scannt eine
Bildmitte sehr schnell und einen Rand des Bildes vergleichsweise
langsam ab, was zu Problemen bei der Signalauswertung führen kann. Des
Weiteren ist ein Verstellen eines Mikrospiegels in zwei Raumrichtungen
mittels der resonanten Betriebsart, insbesondere um eine Projektion
in Zeilen zu ermöglichen,
nur schwer ausführbar
und mit einer schlechten Bildauflösung verbunden. Insbesondere aufgrund
der Lissajous-Figur wirkt ein mittels der resonanten Betriebsart
aufgebautes Bild auf einen Betrachter häufig unscharf.
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Um
diese Probleme zu umgehen, verwendet man bei der zeilenweisen Projektion
von Videobildern häufig
einen Mikrospiegel, der in mindestens einer Raumrichtung mittels
einer quasistatischen Betriebsart verstellbar ist. Der elektrostatische
Antrieb weist dabei oft zwei zueinander parallel versetzte, übereinander
liegende Elektrodenkämme,
sogenannte OOP-Elektrodenkämme
(Out-Of-Plane) auf. Als Alternative zu den OOP-Elektrodenkämmen kann der
elektrostatische Antrieb auch zueinander geneigt angeordnete Elektrodenkämme aufweisen,
welche häufig
als AVC-Elektrodenkämme
(Angular Vertical Combs) bezeichnet werden. Bei zwei AVC-Elektrodenkämmen ist
der Stator-Elektrodenkamm
aus seiner Anbringebene herausgedreht, so dass auch ohne eine zwischen
den Elektrodenkämmen
angelegte Spannung die Elektrodenfinger des Stator-Elektrodenkamms
in die Elektroden-Zwischenräume
des Aktor-Elektrodenkamms hineinragen. Die geneigte Anordnung der
beiden Elektrodenkämme
zueinander wird beispielsweise über
eine mechanische Einflussnahme, vorzugsweise beim Verpacken der
beiden Elektrodenkämme,
oder durch einen Verformungsschritt realisiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung schafft einen Elektrodenkamm mit den Merkmalen des Anspruchs
1, ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs
3, ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs
8, ein Herstellungsverfahren für
einen Elektrodenkamm mit den Merkmalen des Anspruchs 9, ein Herstellungsverfahren
für ein mikromechanisches
Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und ein Herstellungsverfahren
für ein mikromechanisches
Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
ein mikromechanisches Bauteil, welches die speziellen Vorteile zweier
zueinander parallel versetzter Elektrodenkämme (OOP-Elektrodenkämme) und
zweier zueinander geneigt angeordneter Elektrodenkämme (AVC-Elektrodenkämme) miteinander
vereint.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung des Elektrodenkamms, weist dieser
mehr als zwei Untereinheiten mit verschiedenen Neigungswinkeln auf.
In diesem Fall ist mindestens eine dritte Elektrodenfinger-Untereinheit mindestens
eines Elektrodenfingers mit einer dritten Mittellängsachse
definierbar, welche gegenüber
der ersten Mittellängsachse
und gegenüber
der zweiten Mittellangsachse jeweils um einen Knickwinkel ungleich
0° und ungleich
180° geneigt ist.
Dies verbessert die Vorteile des Elektrodenkamms im Zusammenwirken
mit einem anderen Elektrodenkamm gegenüber einem OOP-Elektrodenkamm
oder einem AVC-Elektrodenkamm. Dieser Vorteil ergibt sich auch,
wenn zwei erfindungsgemäße Elektrodenkämme zusammenwirken.
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauteil
kann als Ergänzung
noch mindestens einen dritten Aktor-Elektrodenkamm und mindestens
einen dritte Stator-Elektrodenkamm umfassen, wobei zwischen jedem
zusätzlichen
Aktor-Elektrodenkamm und einem zugeordneten zusätzlichen Stator-Elektrodenkamm eine
Spannung anlegbar ist. Die beiden Elektrodenkämme, zwischen denen eine Spannung anlegbar
ist, können
dabei ohne eine angelegte Spannung in mindestens einem dritten Nei gungswinkel
zueinander angeordnet sein, wobei der dritte Neigungswinkel ungleich
dem ersten Neigungswinkel und ungleich dem zweiten Neigungswinkel
sein kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das mikromechanische Bauteil ein Stellelement, welches durch
ein Verstellen des ersten Aktor-Elektrodenkamms gegenüber dem
ersten Stator-Elektrodenkamm
und/oder ein Verstellen des zweiten Aktor-Elektrodenkamms gegenüber dem zweiten
Stator-Elektrodenkamm verstellbar ist. Somit besteht die Möglichkeit,
die Einzeldrehmomente des ersten und des zweiten Elektrodenkammpaar
zu einem Gesamtdrehmoment zu überlagern.
Dies ist für einen
Verstellwinkel vorteilhaft, bei welchem die beiden Einzeldrehmomente
selbst keinen konstanten Verlauf über den Verstellwinkel aufweisen,
sich jedoch zu einem nahezu konstanten Gesamtdrehmoment addieren
lassen. Ebenso ist es möglich,
die beiden Elektrodenkammpaare getrennt voneinander anzusteuern.
Soll das Stellmoment um einen Verstellwinkel verstellt werden, bei
welchem das erste oder das zweite Elektrodenkammpaar ein konstantes
Einzeldrehmoment aufweist, so wird gezielt nur dieses Elektrodenkammpaar
angesteuert. Das gemeinsame Ansteuern und das getrennte Ansteuern
der beiden Kammelektrodenpaare sind über den gesamten Bereich von
möglichen
Verstellwinkeln dabei einfach ausführbar.
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Beispielsweise
ist das Stellelement eine Mikrospiegelplatte oder eine Mikropinzette.
Das mikromechanische Bauteil hat damit viele Anwendungsmöglichkeiten.
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Vorzugsweise
ist das Stellelement in einem quasistatischen Betrieb verstellbar
ist. Der eingestellte Auslenkwinkel des Stellelements ist in diesem
Fall innerhalb eines beschränkten
Verstellwinkelbereiches proportional zu dem Quadrat der angelegten Spannung.
Nichtlinearitäten
außerhalb
dieses Bereiches können
durch eine kombinierte Ansteuerung der beiden Kammelektrodenpaare
ausgeglichen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der erste Aktor-Elektrodenkamm in seiner Ausgangsposition parallel
versetzt zu dem ersten Stator-Elektrodenkamm angeordnet. Das erste
Elektrodekammpaar ist somit für
kleine Neigungswinkel optimiert. Vorzugsweise werden in diesem Fall
der erste Aktor-Elektrodenkamm
und der erste Stator-Elektrodenkamm zum Einstellen kleiner Auslenkwinkel
verwendet, ohne dass die geneigt zueinander angeordneten Elektrodenkämme genützt werden
müssen.
So kann das aus dem zweiten Stator-Elektrodenkamm und dem zweiten
Aktor-Elektrodenkamm zusammengesetzte Elektrodenkammpaar speziell
für ein
hohes Drehmomente bei großen
Verstellwinkeln ausgelegt werden. Der zweite Aktor-Elektrodenkamm
und der zweite Stator-Elektrodenkamm dienen dann insbesondere zum
Einstellen großer
Auslenkwinkel ohne eine Verwendung des ersten Aktor-Elektrodenkamms und
des ersten Stator-Elektrodenkamms.
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Die
verschiedenen Aktor-Elektrodenkämme und
Stator-Elektrodenkämme
sind nebeneinander entlang der Drehachse des Stellelements oder
verschachtelt radial um eine Drehachse des Stellelements platziert.
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Die
in den oberen Absätzen
beschriebenen Vorteile sind auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren
gewährleistet.
Aufgrund der unterschiedlichen Anordnung der verschiedenen Stator-Elektrodenkämme und
Aktor-Elektrodenkämme zueinander,
lassen sich die die Kammstrukturen der Elektrodenkämme aus
einer dünneren
Schicht herstellen, als dies bei einem elektrostatischen Antrieb ausschließlich parallel
versetzten Elektrodenkämmen
möglich
ist. Dies ermöglicht
feinere Gaps und folglich eine Reduktion der Elektrodenzahl.
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Auch
ein mikromechanisches Bauteil mit mindestens zwei OOP-Elektrodenkämmen weist
den Vorteil auf, das der erste Abstand und der zweite Abstand so
gewählt
sein können,
dass ein vorteilhafter Drehmomentverlauf für einen vergrößerten Bereich eines
Verstellwinkels eines verstellbaren Stellelement gewährleistet
ist. Beispielsweise kann über
ein gezieltes Ansteuern der ersten OOP-Elektrodenkämme und/oder der zweiten OOP-Elektrodenkämme ein nahezu
konstantes Drehmoment über
einen weiten Verstellwinkelbereich realisiert werden.
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Die
Stator-Elektrodenkämme
und die Aktor-Elektrodenkämme
können
aufgrund der dünnen Nutzschicht
mittels eines Standardverfahrens aus einfachen Standardsubstraten
hergestellt werden. Auf die Verwendung teurer Spezialwafer, beispielsweise
SOI, kann dabei verzichtet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
anhand der Figuren erläutert.
Es zeigen:
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1A und 1B zwei
schematische Darstellungen zum Veranschaulichen einer Funktionsweise
zweier herkömmlicher
OOP-Elektrodenkämme;
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2 ein
Koordinatensystem zum Veranschaulichen einer Beziehung zwischen
einem Verstellwinkel und einem Drehmoment bei den OOP-Elektrodenkämmen der 1A und 1B;
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3A und 3B zwei
schematische Darstellungen zum Veranschaulichen einer Funktionsweise
zweier herkömmlicher
AVC-Elektrodenkämme;
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4 ein
Koordinatensystem zum Veranschaulichen einer Beziehung zwischen
einem Verstellwinkel und einem Drehmoment bei den AVC-Elektrodenkämmen der 3A und 3B;
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5A und 5B eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils;
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6 ein
Koordinatensystem zum Veranschaulichen einer Beziehung zwischen
einem Verstellwinkel und einem Gesamtdrehmoment bei der Ausführungsform
der 5A und 5B; und
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7A und 7B eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform des Elektrodenkamms.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die
in den folgenden Absätzen
beschriebenen Ausführungsformen
des mikromechanischen Bauteils und des Elektrodenkamms sind beispielsweise
in einem Head-Up-Display im Kraftfahrzeugbereich, in einem Miniprojektor
im Consumer-Bereich, in einem Oberflächenscanner oder als Schaltspiegel in
optischen Netzwerken verwendbar.
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1A und 1B zeigen
zwei schematische Darstellungen zum Veranschaulichen einer Funktionsweise
zweier herkömmlicher
OOP-Elektrodenkämme.
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Die
beiden dargestellten Elektrodenkämme 10 und 12 sind
als Aktor-Elektrodenkamm 10 und als Stator-Elektrodenkamm 12 ausgebildet.
Der Stator-Elektrodenkamm 12 ist fest in einem (nicht skizzierten)
Gehäuse
befestigt. Demgegenüber
ist der Aktor-Elektrodenkamm 10 so in dem Gehäuse angeordnet,
dass er sich um eine Drehachse 14 drehen kann. Mittels
einer (nicht dargestellten) Steuervorrichtung und Kontaktelementen 16 kann
eine Spannung U zwischen den beiden Elektrodenkämmen 10 und 12 angelegt
werden.
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In 1A liegt
keine Spannung U zwischen den beiden Elektrodenkämmen 10 und 12 an.
Der Aktor-Elektrodenkamm 10 befindet
sich deshalb in 1A in seiner Ausgangsposition.
In seiner Ausgangsposition ist der Aktor-Elektrodenkamm 10 parallel
versetzt zum Stator-Elektrodenkamm 12 angeordnet. Man kann
die beiden Elektrodenkämme 10 und 12 deshalb
als Out-Of-Plane-Elektrodenkämme (OOP-Elektrodenkämme) oder
als OOP-Antriebskammpaar bezeichnen. Der Neigungswinkel der beiden
Elektrodenkämme 10 und 12 zueinander
beträgt 0° oder 180°.
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Eine
Mittellängsachse 10a des
sich in seiner Ausgangsposition befindenden Aktor-Elektrodenkamms 10 verläuft parallel
versetzt zu der Mittellängsachse 12a des
Stator-Elektrodenkamms 12. Auch die Oberseite 10b und
die Unterseite 10c des Aktor-Elektrodenkamms 10 sind
parallel zu der Oberseite 12b und der Unterseite 12c des
Stator-Elektrodenkamms 12 ausgerichtet. In ihren Ausgangspositionen
befinden sich die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 10 außerhalb
der Elektrodenfinger-Zwischenräume des
Stator-Elektrodenkamms 12. Vorzugsweise weisen die beiden
Elektrodenkämme 10 und 12 über ihrer
gesamten Ausdehnung einen konstanten Abstand zueinander auf.
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In 1B liegt
eine Spannung U ungleich Null zwischen den beiden Elektrodenkämmen 10 und 12 an.
Aufgrund der angelegten Spannung U wirkt auf den Aktor-Elektrodenkamm 10 ein
Drehmoment M in Richtung auf den Stator-Elektrodenkamm 12. Der
Aktor-Elektrodenkamm 10 wird aus seiner in 1A gezeigten
Ausgangslage um einen Verstellwinkel α gedreht.
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Die
Oberseite 10b des Aktor-Elektrodenkamms 10 ist
in 1B gegenüber
ihrer (gestrichelt wiedergegebenen) Ausgangsposition um den Verstellwinkel α geneigt.
Auch die Längsachsen 10a und 12a der
Elektrodenkamme 10 und 12 sind zueinander um den
Verstellwinkel α geneigt.
Die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 10 ragen
bei dem gezeigten Verstellwinkel α in
die Elektrodenfinger-Zwischenräume des
Stator-Elektrodenkamms 12 hinein. Die in die Elektrodenfinger-Zwischenräume des
Stator-Elektrodenkamms 12 hineinragenden Flächen der
Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 10 werden
häufig
als Überlappflächen bezeichnet.
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Bei
geringen Verstellwinkeln α steigt
der Betrag der Überlappflächen mit
zunehmendem Verstellwinkel α an.
Der Betrag der Überlappflächen nimmt bis
zum Erreichen eines Grenzwinkels α0
nahezu proportional zum Verstellwinkel α zu. Damit ist das auf den Aktor-Elektrodenkamm 10 wirkende
Drehmoment nahezu konstant.
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Ist
der Verstellwinkel α gleich
dem Grenzwinkel α0,
so sind die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 10 an ihren äußeren Enden
vollständig in
die Elektrodenfinger-Zwischenräume
des Stator-Elektrodenkamms 12 eingetaucht. Wird der Verstellwinkel α größer als
der Grenzwinkel α0,
so ragen die äußeren Enden
der Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 10 aus den
Elektrodenfinger-Zwischenräumen
des Stator-Elektrodenkamms 12 heraus. Ab dem Grenzwinkel α0 sinkt deshalb
die Zunahme der Überlappflächen mit
zunehmendem Verstellwinkel α.
Dies ist mit einer Reduktion des auf den Aktor-Elektrodenkamm 10 wirkenden
Drehmoments verbunden.
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2 zeigt
ein Koordinatensystem zum Veranschaulichen einer Beziehung zwischen
einem Verstellwinkel und einem Drehmoment bei den OOP-Elektrodenkämmen der 1A und 1B. Die
Abszisse des Koordinatensystems entspricht einem Wertebereich für den oben
schon definierten Verstellwinkel α.
Die Ordinate des Koordinatensystems gibt das zugehörige, auf
den Aktor-Elektrodenkamm wirkende Drehmoment M wieder.
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Bei
einem Verstellwinkel α zwischen
0° und dem
Grenzwinkel α0
weist das Drehmoment M konstant einen vergleichsweise hohen Wert
auf. Der Verlauf des Drehmoments M ist somit innerhalb des Wertebereichs
des Verstellwinkels α zwischen
0° und dem
Grenzwinkel α0
stabil. Ab dem Grenzwinkel α0 fällt das
auf den Aktor-Elektrodenkamm ausgeübte Drehmoment M jedoch signifikant
ab.
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Der
Grenzwinkel α0
ist durch eine Länge
und eine Höhe
der beiden Elektrodenkämme 10 und 12 definiert.
Weisen die beiden Elektrodenkämme 10 und 12 eine
vergleichsweise große
Höhe auf,
so lässt sich
der Grenzwinkel α0
steigern. Allerdings sind Elektrodenkämme 10 und 12 mit
großen
Höhen schwieriger
zu fertigen als Elektrodenkämme 10 und 12 mit
einer geringen Höhe,
insbesondere mittels eines Herstellungsverfahren mit einem Trench-Prozess.
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Ein
Ausbilden von Elektrodenkämmen 10 und 12 mit
langen Elektrodenfingern steigert das Drehmoment M bei einem Verstellwinkel α zwischen 0° und dem
Grenzwinkel α0.
Allerdings weisen Elektrodenkämme 10 und 12 mit
langen Elektrodenfingern einen vergleichsweise kleinen Grenzwinkel α0 auf.
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Zusammenfassend
lässt sich
damit feststellen, dass OOP-Elektrodenkämme 10 und 12 nur
für ein
Verstellen eines Stellelements um einen vergleichsweise kleinen
Verstellwinkel α geeignet
sind. Überschreitet
der Verstellwinkel α den
Grenzwinkel α0,
so wird die Bewegung des Stellelements deutlich verlangsamt oder
zum Stillstand gebracht.
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3A und 3B zeigen
zwei schematische Darstellungen zum Veranschaulichen einer Funktionsweise
zweier herkömmlicher
AVC-Elektrodenkämme.
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Dargestellt
sind ein Aktor-Elektrodenkamm 20 und ein Stator-Elektrodenkamm 22.
Während
der Stator-Elektrodenkamm 22 fest fixiert ist, kann sich der
Aktor-Elektrodenkamm 20 bei einer mittels der Kontaktelemente 26 zwischen
den Elektrodenkämmen 20 und 22 angelegten
Spannung U um eine Drehachse 24 in Richtung des Stator-Elektrodenkamms 22 drehen.
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In 3A liegt
keine Spannung U zwischen den beiden Elektrodenkämmen 20 und 22 an.
Der Aktor-Elektrodenkamm 20 befindet
sich somit in seiner Ausgangsstellung, in welcher er um einen Neigungswinkel β geneigt
zum Stator-Elektrodenkamm 22 ausgerichtet ist. Die Mittellängsachsen 20a und 22a der
Elektrodenfinger der Elektrodenkämme 20 und 22 schließen den
Neigungswinkel β ein.
Auch die Oberseite 20b und die Unterseite 20c des
Aktor-Elektrodenkamms 20 sind gegenüber der Oberseite 22b und
die Unterseite 22c des Stator-Elektrodenkamms 22 um
den Neigungswinkel β geneigt ausgerichtet.
Die beiden Elektrodenkämme 20 und 22 können deshalb
als AVC-Elektrodenkämme 20 und 22 (Angular
Vertical Combs) bezeichnet werden.
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Schon
bei einer angelegten Spannung U gleich Null ragen die Elektrodenfinger
des Aktor-Elektrodenkamms 20 an
ihren inneren Enden in die Elektrodenfinger-Zwischenräume des
Stator-Elektrodenkamms 22 hinein.
Allerdings ist die Zunahme der oben definierten Überlappflächen mit einer Verstellwinkeländerung
aus dieser Position heraus relativ niedrig.
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3B zeigt
die Elektrodenkämme
der 3A nach einem Anlegen einer Spannung U ungleich
Null zwischen den Elektrodenkämmen 20 und 22.
Aufgrund der angelegten Spannung U erfährt der Aktor-Elektrodenkamm 20 ein
Drehmoment M in Richtung des Stator-Elektrodenkamms 22.
Der Elektrodenkamms 20 wird somit um einen Verstellwinkel γ gegenüber seiner
in 3A gezeigten Ausgangsposition verstellt. Durch
die Drehung des Aktor-Elektrodenkamms 20 um die Drehachse 24 in
Richtung des Drehmoments M wird der Betrag der Überlappflächen vergrößert. Allerdings weist die
Zunahme der Überlappflächen bis
zu einem Grenzwinkel γ0
vergleichsweise kleine Werte auf.
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4 zeigt
ein Koordinatensystem zum Veranschaulichen einer Beziehung zwischen
einem Verstellwinkel und einem Drehmoment bei den AVC-Elektrodenkämmen der 3A und 3B. Die
Abszisse des Koordinatensystems ein Wertebereich des Verstellwinkels γ. Die Ordinate
des Koordinatensystems gibt das zugehörige, auf den Aktor-Elektrodenkamm
wirkende Drehmoment M wieder.
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Bei
einem Verstellwinkel γ zwischen
0° und dem
Grenzwinkel γ0
ist das Drehmoment M vergleichsweise klein, nimmt jedoch mit steigendem Verstellwinkel γ zu. Dieses
Ansteigen des Drehmoments M hält
an, bis ein Überlapp
zwischen den beiden Elektrodenkämmen
auf der gesamten Länge
der Elektrodenfinger erreicht ist. Ab dem Grenzwinkel γ0 wird bei
steigendem Verstellwinkel γ ein
konstantes Drehmoment M eingehalten. Das Drehmoment M für einen
Verstellwinkel γ zwischen
dem Grenzwinkel γ0 und
einem maximal möglichen
Verstellwinkel γ hat
einen vergleichsweise großen
Betrag. Unterhalb des Grenzwinkels γ0 liegt ein instabiler Bereich 30,
bei welchem das Drehmoment M mit zunehmendem Verstellwinkel γ stark ansteigt.
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Anhand
des Koordinatensystems der 4 lassen
sich die Nachteile zweier AVC-Elektrodenkämme erläutern. Bei einem Verstellwinkel γ innerhalb
des instabilen Bereichs 30 kommt es aufgrund der großen Steigung
des Drehmoments M häufig
zu einem Pull-In-Verhalten des Aktor-Elektrodenkamms. Die Stellung des Aktor-Elektrodenkamms bei
einem Verstellwinkel γ innerhalb
des instabilen Bereichs 30 ist somit instabil und quasistatisch
kaum ansteuerbar.
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Die
Breite des instabilen Bereichs 30 steigt mit Zunahme der
Elektrodenfinger der Elektrodenkämme.
Allerdings gewährleisten
nur vergleichsweise lange Elektrodenfinger der Elektrodenkämme ein ausreichendes
maximales Drehmoments M ab dem Grenzwinkel γ0.
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Gegenüber den
OOP-Elektrodenkämmen weisen
AVC-Elektrodenkämme
jedoch den Vorteil auf, dass das Drehmoment M bei größeren Verstellwinkel γ zwischen
dem Grenzwinkel γ0
und einem maximal möglichen
Verstellwinkel γ einen
ausreichend hohen Wert aufweist. Damit eignen sich AVC-Elektrodenkämme insbesondere
zum Verstellen eines Stellelements um einen großen Verstellwinkel γ.
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5A und 5B zeigen
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils.
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Die
dargestellte Ausführungsform
weist eine aus einem leitfähigen
Material gebildete Verstellkomponente 50 auf. Die Verstellkomponente 50 umfasst eine
Spiegelplatte 52, zwei in entgegen gesetzten Richtungen
von der Spiegelplatte 52 abstehende Stegelementen 54 und
acht seitlich von den Stegelementen 54 abstehende Elektrodenkämme 56 und 58. Die
Elektrodenfinger der Elektrodenkämme 56 und 58 verlaufen
parallel zueinander in eine Richtung senkrecht zu den Längsrichtungen
der beiden Stegelemente 54. Jedes Stegelement 54 weist
dabei auf jeder Seite je zwei Elektrodenkämme 56 und 58 auf. Die
Elektrodenkämme 56 und 58 sind
so aus dem Material der Verstellkomponente 50 geformt,
dass sie in einer Ebene mit der Spiegelplatte 52 und den
Stegelementen 54 liegen. Die Verstellkomponente 50 wird
beispielsweise aus einer leitfähigen
Schicht herausgeätzt.
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Die
Spiegelplatte 52 ist direkt oder kardanisch mittels der
Stegelemente 54 aufgehängt.
Die vier Elektrodenkämme 56 sind
auf den der Spiegelplatte 52 zugewandten Seiten der Stegelemente 54 angeordnet.
Die jeweils drei Elektrodenfinger der Elektrodenkämme 56 haben
eine Länge
L1. Die vier, ebenfalls mit drei Elektrodenfingern ausgestatteten Elektrodenkämme 58 sind
auf den von der Spiegelplatte 52 abgewandten Seiten der
Stegelement 54 angebracht. Die Länge L2 der Elektrodenfinger
der Elektrodenkämme 58 liegt
deutlich unter der Länge L1
der Elektrodenfinger der Elektrodenkämme 56.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Ausführungsform
nicht auf eine bestimmte Anzahl von Elektrodenfinger für die Elektrodenkämme 56 und 58 festgelegt.
Ebenso kann anstelle der Spiegelplatte 52 ein anderes Stellelement,
beispielsweise ein aktives Element einer Mikropinzette, an der Verstellkomponente 50 ausgebildet
ein.
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Den
Elektrodenkämmen 56 und 58 ist
jeweils ein Stator-Elektrodenkamm 60 oder 62 zugeordnet. Jeder
der vier Stator-Elektrodenkämme 60 ist
einem Elektrodenkamm 56 zugeordnet. Entsprechend ist an jedem
Elektrodenkamm 58 einer von vier Stator-Elektrodenkämmen 62 angebracht.
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Mittels
(nicht dargestellter) Kontaktelemente und einer Steuervorrichtung
kann eine Spannung U zwischen mindestens einem der Elektrodenkämme 56 und 58 der
Verstellkomponente 50 und mindesteins einem der Stator-Elektrodenkämmen 60 und/oder 62 angelegt
werden. Dabei ist die Steuervorrichtung so ausgelegt, dass zumindest
das Ansteuern eines jeden Stator-Elektrodenkamms 60 oder 62 getrennt
von den anderen Stator-Elektrodenkämmen 60 und 62 erfolgen
kann.
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In 5A liegt
keine Spannung U zwischen einem der Elektrodenkämme 56 und 58 der
Verstellkomponente 50 und einem der Stator-Elektrodenkämme 60 oder 62 an.
Die Verstellkomponente 50 befindet sich deshalb in ihrer
Ausgangsposition.
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In
der Ausgangsposition der Verstellkomponente 50 ist jeder
Stator-Elektrodenkamm 60 in einer geneigten Stellung zum
zugehörigen
Elektrodenkamm 56 befestigt. Der mittels der Mittellängsachsen der
Elektrodenfinger (oder der Oberseiten) der Elektrodenkämme 56 und 60 definierbare
Neigungswinkel β ist
ungleich 0° oder
180°. Die
beiden Elektrodenkämme 56 und 60 können somit
als AVC-Elektrodenkämme bezeichnet
werden.
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Demgegenüber ist
jeder Stator-Elektrodenkamm 62 parallel versetzt zu seinem
zugehörigen Elektrodenkamm 58 befestigt.
Der Neigungswinkel zwischen zwei zusammenwirkenden Elektrodenkämmen 58 und 62 ist
damit gleich 0° oder
180°. Die
Mittellängsachsen
der Elektrodenfinger der Elektrodenkämme 58 und 62 verlaufen
beabstandet parallel zueinander. Zwei beieinander angeordnete Elektrodenkämme 58 und 62 können deshalb
als OOP-Elektrodenkämme
bezeichnet werden.
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5B zeigt
das mikromechanische Bauteil nach einem Anlegen einer Spannung U
ungleich Null zwischen mindestens einem der Elektrodenkämme 56 und 58 der
Verstellkomponente 50 und mindestens einem Stator-Elektrodenkamm 60 und 62.
Aufgrund der angelegten Spannung U wird die Verstellkomponente 50 um
eine Achse entlang der Mittellängsachsen
der beiden Stegelemente 54 um einen Verstellwinkel α gedreht.
Auf diese Weise kann der Mikrospiegel 52 in eine gewünschte Stellung
gebracht werden.
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Selbstverständlich kann
die beschriebene Ausführungsform
modifiziert werden, indem die AVC-Elektrodenkämme 58 und 62 an
den von der Spiegelplatte 52 abgewandten Enden der Stegelemente 54 und
die OOP-Elektrodenkämme 56 und 60 an
den der Spiegelplatte 52 benachbarten Enden der Stegelemente 54 angeordnet
werden. Ebenso können
anstelle der OOP-Elektrodenkämme 56 und 60 auch
weitere AVC-Elektrodenkämme
mit unterschiedlichen Neigungswinkeln zueinander angeordnet werden.
Zusätzlich
können
die Längen
der Elektrodenfinger und/oder die Positionen der Drehachsen an den
Aktor-Elektrodenkämmen 56 und 58 variiert werden.
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Selbstverständlich ist
auch eine Ausführungsform
des anhand der 5A und B erläuterten mikromechanischen Bauteils
möglich,
welche mindestens zwei OOP-Elektrodenkämme aufweist, wobei die Mittellängsachsen
zweier Elektrodenkämme, zwischen
denen eine Spannung anlegbar ist, ohne eine angelegte Spannung mindestens
zwei verschiedene Abstände
zueinander aufweisen.
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6 zeigt
ein Koordinatensystem zum Veranschaulichen einer Beziehung zwischen
einem Verstellwinkel und einem Gesamtdrehmoment bei der Ausführungsform
der 5A und 5B. Die
Abszisse des Koordinatensystems ist ein Wertebereich des Verstellwinkels α. Die Ordinate
des Koordinatensystems entspricht dem auf die Verstellkomponente wirkenden
Gesamtdrehmoment M.
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Das
Gesamtdrehmoment M ergibt sich aus einer additiven Überlagerung
der Einzeldrehmomente der verschiedenen Elektrodenkämme. Das
Gesamtdrehmoment M umfasst somit die aus den 2 und 4 bekannten
Drehmomente der AVC-Elektrodenkämme
(gestrichelte Linie) und der OOP-Elektrodenkämme (gepunktete
Linie).
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Bei
einem Verstellwinkel α innerhalb
des Winkelbereichs 70 kann das Gesamtdrehmoment M durch
eine kombinierte Ansteuerung der AVC-Elektrodenkämme und der OOP-Elektrodenkämme konstant
gehalten werden. Über
ein gemeinsames Ansteuern der verschiedenen Elektrodenkämme ist
es somit möglich,
in dem Winkelbereich 70, in welchem die Einzeldrehmomente
der OOP-Elektrodenkämme und
der AVC-Elektrodenkämme
keinen konstanten Verlauf aufweisen, die Spiegelplatte verlässlich über einen
quasistatischen Betrieb zu verstellen.
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Bei
einem Verstellwinkel α unterhalb
des Winkelbereichs 70 nimmt das Drehmoment der AVC-Elektrodenkämme mit
steigendem Verstellwinkel α zu.
Das Gesamtdrehmoment M kann bei dem Verstellwinkel α unterhalb
des Winkelbereichs 70 aus den Einzeldrehmomenten der OOP-Elektrodenkämme erzeugt
werden. Bei größeren Verstellwinkeln α oberhalb
des Winkelbereichs 70 ist hingegen die Wirkung der AVC-Elektrodenkämme konstant,
während die
Wirkung der OOP-Elektrodenkämme vernachlässigbar
ist. Das Gesamtdrehmoment M kann bei einem Verstellwinkel α oberhalb
des Winkelbereichs 70 aus den Einzeldrehmomenten der AVC-Elektrodenkämme erzeugt
werden.
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Es
ist deshalb vorteilhaft, die Spiegelplatte um einen kleinen Verstellwinkel α unterhalb
des Winkelbereichs 70 zu verstellen, indem nur die OOP-Elektrodenkämme angesteuert
werden. Entsprechend wird die Spiegelplatte um einen Verstellwinkel α oberhalb
des Winkelbereichs 70 verstellt, indem nur die AVC-Elektrodenkämme angesteuert werden.
So kann ein konstantes Gesamtdrehmoment über einen größeren Verstellwinkelbereich
erreicht werden, als unter Verwendung nur einer Elektrodenkammart,
d. h. ausschließlich
OOP-Elektrodenkämmen
oder ausschließlich
AVC-Elektrodenkämmen.
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Die
oben beschriebene Ausführungsform des
mikromechanischen Bauelements ermöglicht somit mittels eines
gemeinsamen Ansteuerns der OOP-Elektrodenkämme und der AVC-Elektrodenkämme oder
mittels eines spezifischen Ansteuerns der OOP-Elektrodenkämme oder
der AVC-Elektrodenkämme
ein verlässliches
Einstellen eines gewünschten
Verstellwinkels α.
Sowohl für
kleine Verstellwinkel α als
auch für
große
Verstellwinkel α kann auf
diese Weise ein optimaler Verlauf des Gesamtdrehmoments M erreicht
werden.
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7A und 7B zeigen
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Elektrodenkamms.
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Dargestellt
sind ein Aktor-Elektrodenkamm 80 mit einer Oberseite 80b und
ein Stator-Elektrodenkamm 82.
Während
der Stator-Elektrodenkamm 82 in einem (nicht skizzierten)
mikromechanischen Bauteil fest fixiert ist, kann der Aktor-Elektrodenkamm 80 durch
Anlegen einer Spannung mittels der Kontaktelemente 86 um
eine Drehachse 84 in Richtung des Stator-Elektrodenkamms 82 gedreht
werden.
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Die
Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 80 zeigen gerade
in eine Richtung. Für
die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 80 ist somit
eine Mittellängsachse 80a definierbar.
Demgegenüber
weisen die Elektrodenfinger des Stator-Elektrodenkamms 82 einen
Knick auf. Für
jeden Elektrodenfinger des Stator-Elektrodenkamms 82 sind
somit zwei Untereinheiten 88 und 90 definierbar, welche
verschiedene Mittellängsachsen 88a und 90a aufweisen.
Die Mittellängsachsen 88a und 90a sind um
einen Knickwinkel δ geneigt
zueinander angeordnet.
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Das
aus den beiden Elektrodenkämmen 80 und 82 gebildete
Elektrodenkammpaar lässt
sich als eine Kombination aus OOP-Elektrodenkämmen und AVC-Elektrodenkämmen bezeichnen.
Der Betrieb der beiden Elektrodenkämme 80 und 82 bietet
dabei die Vorteile der Kombination aus OOP-Elektrodenkämmen und AVC-Elektrodenkämmen.
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In 7A liegt
keine Spannung U zwischen dem Aktor-Elektrodenkamm 80 und
dem Stator-Elektrodenkamm 82 an
und der Aktor-Elektrodenkamm 80 befindet sich in seiner
Ausgangsposition.
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7B zeigt
die beiden Elektrodenkämme 80 und 82 nach
einem Anlegen einer Spannung ungleich Null. Durch das erzeugte Drehmoment
M wird der Aktor-Elektrodenkamm 80 aus seiner Ausgangsposition
um einen Verstellwinkel α in
Richtung auf den Stator-Elektrodenkamm 82 verstellt. Durch
die Formung der Elektrodenfinger des Stator-Elektrodenkamms 82 mit
einem geeignet gewählten
Knick winkel δ wird
beim Verstellen der beiden Elektrodenkämme 80 und 82 zueinander
eine große
Zunahme der Überlappflächen, und
damit ein vorteilhaftes Drehmoment M, für einen gewünschten Bereich des Verstellwinkels α erreicht.
Insbesondere kann bei einem geeignet gewählten Knickwinkel δ für einen
mittleren Winkelbereich des Verstellwinkels α ein konstantes Drehmoment M
gewährleistet
werden.
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Die
oben beschriebene Form des Stator-Elektrodenkamms 82 ist
auch auf den Aktor-Elektrodenkamm 80 übertragbar. Ein weiterer Vorteil
eines derart ausgebildeten Stator-Elektrodenkamms 82 und/oder
eines entsprechenden Aktor-Elektrodenkamms 80 liegt darin,
dass die Elektrodenkämme 80 und 82 weniger
Platz entlang einer Drehachse eines Stellelements benötigen. Dies
wiegt den größeren Aufwand
bei der Herstellung der Elektrodenkämme 80 und 82 auf.