DE102008001232A1 - Elektrodenkamm, mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für einen Elektrodenkamm und für ein mikromechanisches Bauteil - Google Patents

Elektrodenkamm, mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für einen Elektrodenkamm und für ein mikromechanisches Bauteil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektrodenkamm (52, 54) für ein mikromechanisches Bauteil, welcher so ausgebildet ist, dass mindestens zwei Elektrodenfinger (52a, 54a) an einem ersten Ende an einem ersten Befestigungsteil (52b, 54b) befestigt sind und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende an einem zweiten Befestigungsteil (52b, 54b) befestigt sind. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein mikromechanisches Bauteil mit einem Stator-Elektrodenkamm (54) und einem Aktor-Elektrodenkamm (52), zwischen denen eine Spannung (U) anlegbar ist, wobei durch Anlegen der Spannung (U) zwischen dem Stator-Elektrodenkamm (54) und dem Aktor-Elektrodenkamm (52) der Aktor-Elektrodenkamm (52) um eine Drehachse (56) des Aktors-Elektrodenkamms (52) drehbar ist und wobei die Drehachse (56) des Aktor-Elektrodenkamms (52) mindestens eine Oberfläche eines Elektrodenfingers (54a) des Stator-Elektrodenkamms (44, 54) senkrecht durchsticht. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen Elektrodenkamm (52, 54) und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

  • 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.
  • STAND DER TECHNIK
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Mechanismen zum Verstellen eines Stellelements eines mikromechanischen Bauteils, beispielsweise eines Mikrospiegels, bekannt. Das Verstellen des Stellelements kann beispielsweise mittels einer durch ein Magnetfeld externer Hartmagnete bewirkte Lorentzkraft, piezoelektrisch oder thermomechanisch geschehen. Als Ergänzung oder als Alternative dazu lässt sich ein Verstellelement eines mikromechanischen Bauteils auch mittels eines elektrostatischen Plattenantriebs und/oder mittels eines elektrostatischen Fingerantriebs verstellen.
  • 1A bis C zeigen Querschnitte zum Darstellen eines ersten herkömmlichen elektrostatischen Antriebs.
  • Der dargestellte elektrostatische Antrieb 10 umfasst einen Aktor-Elektrodenkamm 12 und einen Stator-Elektrodenkamm 14. Der Aktor-Elektrodenkamm 12 ist mittels einer (nicht skizzierten) Feder um eine Drehachse 16 drehbar angeordnet. Die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 12 weisen einen maximalen Abstand d1 zu der Drehachse 16 auf. Die beiden Elektrodenkämme 12 und 14 sind so ausgebildet, dass zwischen ihren Elektrodenfingern eine Spannung U anlegbar ist.
  • 1A zeigt einen Querschnitt durch den elektrostatischen Antrieb 10 ohne eine zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 12 und 14 angelegte Spannung U. Der Aktor-Elektrodenkamm 12 befindet sich deshalb in seiner Ausgangsstellung, in welcher der Aktor-Elektrodenkamm 12 versetzt parallel zum Stator-Elektrodenkamm 14 angeordnet ist. Somit befindet sich der Aktor- Elektrodenkamm 12 vollständig in einer Ebene oberhalb der Ebene des Stator-Elektrodenkamms 14 und die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 12 ragen nicht in die Elektrodenfinger-Zwischenräume des Stator-Elektrodenkamms 14 hinein.
  • 1B und C zeigen Querschnitte durch den elektrostatischen Antrieb 10 bei einer zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 12 und 14 angelegten Spannung U ungleich 0. Aufgrund der zwischen den Elektrodenkämmen 12 und 14 angelegten Spannung U ungleich 0 wirkt ein Drehmoment M1 in Richtung des Stator-Elektrodenkamms 14 auf den Aktor-Elektrodenkamm 12. Der Aktor-Elektrodenkamm 12 wird somit aus seiner Ausgangsstellung um einen Verstellwinkel α um die Drehachse 16 gedreht.
  • Bei einem elektrostatischen Fingerantrieb ergibt sich jedoch ein Problem, wenn mittels der elektrostatischen Kräfte ein ausreichend großes Drehmoment M1 auf den Aktor-Elektrodenkamm 12 ausgeübt werden soll, da der Aktor-Elektrodenkamm 12 sich nur bis zu einem maximalen Verstellwinkel α, bei welchem eine maximale Flächenüberlagerung zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 12 und 14 vorliegt, drehen lässt.
  • 2A und B zeigen Querschnitte zum Darstellen eines zweiten herkömmlichen elektrostatischen Antriebs.
  • Der elektrostatische Antrieb 20 weist wie der vorher beschriebene elektrostatische Antrieb einen um eine Drehachse 26 drehbar gelagerten Aktor-Elektrodenkamm 22 und einen Stator-Elektrodenkamm 24 auf, wobei zwischen den beiden Elektrodenkämmen 22 und 24 eine Spannung U anlegbar ist.
  • Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen herkömmlichen elektrostatischen Antrieb weisen die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 22 jedoch einen größeren maximalen Abstand d2 zu der Drehachse 26 auf. Durch die Vergrößerung des maximalen Abstands d2 der Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 22 zu der Drehachse 26 bewirkt das Anlegen der gleichen Spannung U ungleich 0 ein größeres Drehmoment M2 auf den Aktor-Elektrodenkamm 22.
  • Allerdings führt die Vergrößerung des maximalen Abstands d2 der Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 22 zu der Drehachse 26 auch dazu, dass die Flächenüberlagerung zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 22 und 24 schon bei einem vergleichsweise kleinen Verstellwinkel β einen maximalen Wert annimmt. Durch die Vergrößerung des maximalen Abstands d2 wird somit der Wertebereich für den Verstellwinkel β eingeschränkt.
  • Ein weiterer Nachteil der Elektrodenkämme 22 und 24 mit einem vergleichsweise großen maximalen Abstand d2 der Elektrodenfinger zu der Drehachse 26 liegt darin, dass die Elektrodenfinger aufgrund ihrer Länge eine vergleichsweise geringe Biegesteifigkeit haben. Bei einem Aktor-Elektrodenkamm 22, bei welchem die Elektrodenfinger bereits an der Drehachse 26 beginnen und eine vergleichsweise große Länge, ist zwar ein hohes Drehmoment M2 gewährleistet. Jedoch nimmt mit zunehmender Fingerlänge die mechanische Stabilität der Elektrodenfinger mit der vierten Potenz ab.
  • In der US 2005/0117235 A1 , der US 2004/0263938 A1 und in der US 6,806,992 B2 werden elektrostatische Antriebe beschrieben, bei welchen die Elektrodenfinger an den Außenseiten eines Rahmens angeordnet sind. Auf diese Weise ist es möglich, die Elektrodenfinger in einem vergleichsweise großen Abstand von den Drehachsen der Aktor-Elektrodenkämme anzuordnen. Die in der US 2005/0117235 A1 , der US 2004/0263938 A1 und der US 6,806,992 B2 beschriebenen elektrostatischen Antriebe sind jedoch nur durch vergleichsweise aufwendige Herstellungsverfahren und damit relativ teuer herstellbar. Zusätzlich weisen die elektrostatischen Antriebe einen vergleichsweise kleinen maximalen Verstellwinkel auf.
  • Es ist deshalb wünschenswert, über eine Möglichkeit zu verfügen, um auf einen stabilen Aktor-Elektrodenkamm ein vergleichsweise großes Drehmoment über einen ausreichend weiten Wertebereich für einen möglichen Verstellwinkel auszuüben.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung schafft einen Elektrodenkamm mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 6, ein Herstellungsverfahren für einen Elektrodenkamm mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass beidseitig eingespannte Elektrodenfinger gegenüber einseitig eingespannten Elektrodenfingern eine deutlich höhere laterale Stabilität besitzen. Bei einem Elektrodenkamm mit beidseitig eingespannten Elektrodenfingern ist deshalb eine ausreichende mechanische Stabilität der Elektrodenfinger auch bei einer größeren Länge und/oder bei einer reduzierten Breite der Elektrodenfinger gewährleistet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die mindestens zwei Elektrodenfinger parallel zueinander ausgerichtet, wobei das erste Befestigungsteil und/oder das zweite Befestigungsteil senkrecht zu den mindestens zwei Elektrodenfingern ausgerichtet sind. Vorzugsweise sind die mindestens zwei Elektrodenfinger einstückig mit dem Befestigungsteil und/oder mit dem zweiten Befestigungsteil ausgebil det. Dies steigert die mechanische Stabilität des Elektrodenkamms und vereinfacht gleichzeitig das Herstellungsverfahren für einen derartigen Elektrodenkamm. Beispielsweise sind die mindestens zwei Elektrodenfinger, das erste Befestigungsteil und das zweite Befestigungsteil aus einer Platte eines Halbleitermaterials oder eines leitfähigen Materials gebildet.
  • Insbesondere kann jeder der mindestens zwei Elektrodenfinger eine Länge von mindestens 250 μm und eine senkrecht zu der Länge ausgerichtete Breite unter 10 μm aufweisen. Aufgrund der Länge von mindestens 250 μm ist bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenkamm mit den beidseitig eingespannten Elektrodenfingern und einen weiteren Elektrodenkamm ein vergleichsweise großes Drehmoment gewährleistet. Zusätzlich lassen sich die relativ dünnen zweiseitig eingespannten Elektrodenfinger in einem geringen Abstand zueinander anordnen. Dies dient ebenfalls zur Maximierung der elektrostatischen Kraft. Aufgrund der beidseitigen Einspannung der mindestens zwei Elektrodenfinger mittels des ersten Befestigungsteils und des zweiten Befestigungsteils weisen die beiden Elektrodenfinger trotz ihrer vergleichsweise großen Länge und ihrer niedrigen Breite eine ausreichende mechanische Stabilität auf. Die Gefahr eines lateralen Pull-ins liegt in diesem Fall nicht vor.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind eine erste Ebene und eine die erste Ebene nicht überschneidende benachbarte zweite Ebene definierbar, wobei die mindestens zwei Elektrodenfinger in der ersten Ebene und das erste Befestigungsteil und/oder das zweite Befestigungsteil in der zweiten Ebene angeordnet sind. Die zweilagige Ausbildung des Elektrodenkamms ist beispielsweise herstellbar, indem eine Opferschicht auf einem Silizium-Substrat gebildet wird. Anschließend wird vorzugsweise eine Epipoly-Schicht auf die Opferschicht aufgebracht. Über ein zweistufiges Ätzverfahren kann die untere Lage des Elektrodenkamms aus dem Substrat und die obere Lage des Elektrodenkamms aus der Epipoly-Schicht herausgeätzt werden. Somit lässt sich die hier beschriebene Ausführungsform auf einfache und kostengünstige Weise herstellen.
  • Die Erfindung basiert auch auf der Erkenntnis, dass ein maximaler Verstellwinkel eines Aktor-Elektrodenkamms und das bei einem großen Verstellwinkel auf einen Aktor-Elektrodenkamm ausgeübte Drehmoment gesteigert werden, indem die Drehachse des Aktor-Elektrodenkamms durch mindestens eine Oberfläche eines Elektrodenfingers des Stator-Elektrodenkamms verläuft. Der Aktor-Elektrodenkamm dreht sich in diesem Fall bei Anlegen der Spannung in die Drehrichtung, in welche der Stator-Elektrodenkamm angeordnet ist. Durch ein mechanisches Vorverkippen des Stator-Elektrodenkamms können die Drehrichtung und der maximale Verstellwinkel festgelegt werden.
  • Insbesondere nehmen die Überlappfläche der Elektrodenfinger der Elektrodenkämme und somit das auf den Aktor-Elektrodenkamm wirkende Drehmoment mit steigendem Verstellwinkel zu. Damit ist gewährleistet, dass trotz der mit steigendem Verstellwinkel ansteigenden Federkraft, welche der Ver stellbewegung des Aktor-Elektrodenkamms entgegengerichtet ist, ein zum Verstellen ausreichendes Drehmoment auf den Aktor-Elektrodenkamm ausgeübt wird.
  • Bevorzugt sind der Stator-Elektrodenkamm und der Aktor-Elektrodenkamm ohne eine angelegte Spannung in einem ersten Neigungswinkel ungleich 0° und ungleich 180° zueinander angeordnet, wobei, durch Anlegen der Spannung zwischen dem Stator-Elektrodenkamm und dem Aktor-Elektrodenkamm, der Aktor-Elektrodenkamm in mindestens eine Stellung mit einem zweiten Neigungswinkel zu dem Stator-Elektrodenkamm drehbar ist, und wobei der zweite Neigungswinkel kleiner als der erste Neigungswinkel ist. Über die Drehbewegung des Aktor-Elektrodenkamms kann ein angekoppeltes Stellelement verstellt werden. Das Stellelement kann ein Mikrospiegel sein, welcher von den beiden Elektrodenkämmen nur in eine Drehrichtung aus seiner Ausgangsstellung gedreht wird. Der Mikrospiegel kann deshalb so angeordnet werden, dass er in keiner Stellung planparallel zu einer ebenen Glasoberfläche liegt, die oberhalb des Mikrospiegels im Lichtweg angeordnet ist. Dies verhindert das Auftreten eines störenden Nebenreflexes von der Glasplatte im Lichtweg des Mikrospiegels.
  • In einer Weiterbildung umfasst der Aktor-Elektrodenkamm und/oder der Stator-Elektrodenkamm mindestens zwei Elektrodenfinger, ein erstes Befestigungsteil und ein zweites Befestigungsteil, und ist so ausgebildet, dass jeder der mindestens zwei Elektrodenfinger an einem ersten Ende des Elektrodenfingers an dem ersten Befestigungsteil befestigt ist und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Elektrodenfingers an dem zweiten Befestigungsteil befestigt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms als auch die Elektrodenfinger des Stator-Elektrodenkamms beidseitig eingespannt. Somit ist auch bei einer Länge der Elektrodenfinger von über 1 mm und/oder bei einer Breite der Elektrodenfinger von unter 10 μm eine ausreichende mechanische Stabilität der Elektrodenfinger gewährleistet.
  • Vorzugsweise liegt die Drehachse des Aktor-Elektrodenkamms auf einer Mittelachse des Aktor-Elektrodenkamms. Dies gewährleistet ein maximales Drehmoment beim maximalen Verstellwinkel des Aktor-Elektrodenkamms. Durch eine asymmetrische Anordnung kann gegebenenfalls eine gleichmäßigere Ansteuerung des Verstellwinkels erreicht werden.
  • Die oben beschriebenen Vorteile ergeben sich auch bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren für einen Elektrodenkamm und einem derartigen Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
  • 1A bis C Querschnitte zum Darstellen eines ersten herkömmlichen elektrostatischen Antriebs;
  • 2A und B Querschnitte zum Darstellen eines zweiten herkömmlichen elektrostatischen Antriebs;
  • 3 eine Draufsicht auf einen Elektrodenfinger zum Darstellen einer Ausführungsform des Elektrodenkamms;
  • 4A und B Querschnitte zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
  • 5 eine Draufsicht zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
  • 6 eine Draufsicht zum Darstellen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
  • 7A–D Querschnitte zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
  • AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • 3 zeigt eine Draufsicht auf einen Elektrodenfinger zum Darstellen einer Ausführungsform des Elektrodenkamms.
  • Der dargestellte Elektrodenfinger 30 ist mit einem Ende an einem ersten Befestigungsteil 32a angeordnet. Das andere Ende des Elektrofingers 30 ist an einem zweiten Befestigungsteil 32b befestigt. Vorzugsweise können die beiden Befestigungsteile 32a und 32b parallel zueinander ausgebildet sein. Der Elektrodenfinger 30 kann senkrecht zu den Seitenflächen der Befestigungsteile 32a und 32b verlaufen.
  • Ein anhand des Elektrodenfingers 30 dargestellter Elektrodenkamm weist mindestens noch einen weiteren Elektrodenfinger auf, welcher gleich dem Elektrodenfingers 30 zwischen den beiden Befestigungsteilen 32a und 32b angeordnet ist. Mindestens zwei Elektrodenfinger 30 des Elektrodenkamms können parallel zueinander verlaufen. Bevorzugterweise sind die Elektrodenfinger 30 und die beiden Befestigungsteile 32a und 32b einstückig ausgebildet. Beispielsweise wird der Elektrodenkamm mit den Elektrodenfingern 30 und den Befestigungsteilen 32a und 32b aus einer Platte eines Halbleitermaterials oder eines leitfähigen Materials hergestellt. Dies kann beispielsweise über ein entsprechendes Ätzverfahren erfolgen.
  • Der Elektrodenfinger 30 kann eine Länge l von mehr als 200 μm haben. Beispielsweise weist der Elektrodenfinger 30 eine Länge l von über 1 mm auf. Demgegenüber sind die Breiten b des Elektrodenfingers 30 senkrecht zur Länge l vorzugsweise kleiner als 10 μm. Beispielsweise kann eine Breite b des Elektrodenfingers 30 5 μm betragen.
  • Aufgrund der beidseitigen Einspannung des Elektrodenfingers 30 mittels der Befestigungsteile 32a und 32b kann der Elektrodenfinger 30 einer vergleichsweise großen Flächenlast 34 ohne eine signifikante Verformung standhalten. Die Flächenlast 34 kann sich beispielsweise aus einem Druck, einer Beschleunigung und/oder einer elektrostatischen Anziehung ergeben. Aufgrund der hohen Stabilität des Elektrodenfingers 30 gegenüber der Flächenlast 34 ist das Risiko einen Pull-ins vernachlässigbar.
  • 4A und B zeigen Querschnitte zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Der dargestellte elektrostatische Antrieb 40 weist einen Aktor-Elektrodenkamm 42 und einen Stator-Elektrodenkamm 44 auf. Die Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 42 und/oder des Stator-Elektrodenkamms 44 können beidseitig eingespannt sein. Der Aktor-Elektrodenkamm 42 ist um eine Drehachse 46 drehbar angeordnet. Die beiden Elektrodenkämme 42 und 44 sind so ausgebildet, dass zwischen ihnen eine Spannung U anlegbar ist.
  • 4A zeigt einen Querschnitt durch den elektrostatischen Antrieb 40 ohne eine zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 42 und 44 angelegte Spannung U. Der Aktor-Elektrodenkamm 42 befindet sich deshalb in seiner Ausgangsstellung, in welcher der Aktor-Elektrodenkamm 42 um einen Ausgangs-Neigungswinkel φ ungleich 0° und ungleich 180° geneigt zum Stator-Elektrodenkamm 44 ausgerichtet ist. Der Winkel zwischen den Mittellängsachsen der Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 42 und den Mittellängsachsen der Elektrodenfinger des Stator-Elektrodenkamms 44 ist damit gleich dem Ausgangs-Neigungswinkel φ. Auch die Ober- und Unterseiten des Aktor-Elektrodenkamms 42 können gegenüber den Ober- und Unterseiten des Stator-Elektrodenkamms 44 um den Ausgangs-Neigungswinkel φ gedreht angeordnet sein. Man kann die Anordnung der beiden Elektrodenkämme 42 und 44 zueinander auch als Vorverkippen des Stator-Elektrodenkamms 44 bezeichnen.
  • Zusätzlich sind die beiden Elektrodenkämme 42 und 44 so zueinander angeordnet, dass die Drehachse 46 mindestens eine Oberfläche eines Elektrodenfingers des Aktor-Elektrodenkamms 42 durchsticht. Vorzugsweise wird eine einem benachbarten Elektrodenfinger zugewandte Seitenfläche des Elektrodenfingers senkrecht durchstochen. Die Drehachse 46 verläuft somit durch ein von mindestens zwei Elektrodenfingern des Stator-Elektrodenkamms 44 aufgespanntes Volumen. Mindestens ein Elektrodenfinger des Aktor-Elektrodenkamms 42 verläuft durch einen Elektrodenfinger-Zwischenraum des Stator-Elektrodenkamms 44 hindurch, wobei die beiden Enden des Elektrodenfingers aus dem Elektrodenfinger-Zwischenraum jeweils an einer Oberseite oder einer Unterseite des Stator-Elektrodenkamms 44 herausragen.
  • 4B zeigt einen Querschnitt durch den elektrostatischen Antrieb 40 mit einer zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 42 und 44 angelegten Spannung U ungleich 0. Aufgrund der zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 42 und 44 angelegten Spannung U ungleich 0 wirkt ein Drehmoment M3 in Richtung des Stator-Elektrodenkamms 44 auf den Aktor-Elektrodenkamm 42. Durch dieses Drehmoment M3 wird der Aktor-Elektrodenkamm 42 so gedreht, dass er zu dem Stator-Elektrodenkamm 42 einen Neigungswinkel aufweist, welcher kleiner als der Ausgangs-Neigungswinkel φ ist.
  • Die Drehachse 46 kann durch die Mittelpunkte der Mittellängsachsen von mindestens zwei Elektrodenfingern des Aktor-Elektrodenkamms 42 verlaufen. Vorzugsweise entspricht die Drehachse 46 einer Symmetrieachse des Aktor-Elektrodenkamms 42. Der Aktor-Elektrodenkamm 42 ist bei Anlegen einer Spannung U ungleich 0 zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 42 und 44 in nur eine Drehrichtung 48 drehbar. Die Drehrichtung 48 kann durch die Vorverkippung des Stator-Elektrodenkamms 44 festgelegt sein.
  • Mit der Abnahme des Neigungswinkels zwischen den beiden Elektrodenkämmen 42 und 44 nimmt die Flächenüberlappung zwischen den Elektrodenfingern der Elektrodenkämme 42 und 44 zu. Dadurch erhöhen sich auch die elektrostatische Kraft und das auf den Aktor-Elektrodenkamm 42 ausgeübte Drehmoment M3.
  • Der Drehung des Aktor-Elektrodenkamms 42 aus seiner Ausgangsstellung wirkt eine Federkraft einer beispielsweise parallel zur Drehachse 46 verlaufenden Feder entgegen. Mit Abnahme des Neigungswinkels zwischen den Elektrodenkämmen 42 und 44 nimmt die der Drehung entgegenwirkende Fe derkraft zu. Allerdings erhöhen sich mit Abnahme des Neigungswinkels die auf den Aktor-Elektrodenkamm 42 ausgeübte elektrostatische Kraft und das Drehmoment M3. Damit ist auch bei einem Verstellen des Aktor-Elektrodenkamms 42 aus seiner Ausgangsstellung um einen vergleichsweise großen Verstellwinkel gewährleistet, dass die Federkraft durch das Drehmoment M3 kompensiert wird.
  • Der maximale Verstellwinkel liegt vor, wenn der Aktor-Elektrodenkamm 42 parallel zum Stator-Elektrodenkamm 44 verläuft. Der maximale Verstellwinkel ist deshalb gleich dem Ausgangs-Neigungswinkel φ.
  • Durch das Vorverkippen des Statur-Elektrodenkamms 44 gegenüber dem Aktor-Elektrodenkamm 42 kann somit der maximale Verstellwinkel erhöht werden. Zusätzlich ist bei dem Vorverkippen des Stator-Elektrodenkamms 44 gewährleistet, dass auch bei einem großen Verstellwinkel noch ein ausreichendes Drehmoment M3 auf den Aktor-Elektrodenkamm 42 ausgeübt wird.
  • 5 zeigt eine Draufsicht zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Der dargestellte elektrostatische Antrieb 50 umfasst einen Aktor-Elektrodenkamm 52 und einen Stator-Elektrodenkamm 54. Die Elektrodenfinger 52a und 54a der Elektrodenkämme 52 und 54 sind beidseitig eingespannt. Dazu weist jeder der zwei Elektrodenkämme 52 und 54 zwei Befestigungsteile 52b und 54b auf, an welchen die zugehörigen Enden der Elektrodenfinger 52a und 54a befestigt sind. Die Elektrodenfinger 52a und 54a eines Elektrodenkamms 52 oder 54 verlaufen parallel zueinander in einer ersten Ebene. Demgegenüber sind die senkrecht zu den Elektrodenfingern 52a und 54a angeordneten Befestigungsteile 52b und 54b in einer zweiten Ebene unterhalb der ersten Ebene gebildet. Bevorzugt sind die Elektrodenfinger 52a und 54a einstückig mit ihren zugehörigen Befestigungsteilen 52b und 54b ausgebildet.
  • Durch die beidseitige Einspannung der Elektrodenfinger 52a und 54a der Elektrodenkämme 52 und 54 haben die Elektrodenfinger 52a und 54a trotz ihrer vergleichsweise großen Länge eine hohe Biegesteifigkeit. Dies reduziert selbst bei einer Länge der Elektrodenfinger 52a und 54a von über 1 mm und einer Breite der Elektrodenfinger 52a und 54a unter 10 μm das Risiko eines lateralen Pull-ins.
  • Liegt eine Spannung zwischen den Elektrodenfingern 52a und 54a der Elektrodenkämme 52 und 54 an, so wird der Aktor-Elektrodenkamm 52 um eine Drehachse 56 in eine Drehrichtung 57 gedreht. Dabei gewährleistet die durch die beidseitige Einspannung ermöglichte relativ große Länge der Elektrodenfinger 52a und 54a ein vergleichsweise hohes Drehmoment. Die Drehachse 56 verläuft durch mindestens ein von zwei Elektrodenfingern 54a des Stator-Elektrodenkamms 54 aufgespanntes Volumen. Dabei durchsticht die Drehachse 56 mindestens eine Oberfläche eines Elektrodenfingers 54a des Stator-Elektrodenkamms 54. Insbesondere durchsticht die Drehachse 56 eine einem benachbarten Elektrodenfinger 54a zugewandte Seitenfläche des Elektrodenfingers senkrecht. Vorzugsweise durchsticht die Drehachse 56 auch die Mittelpunkte der Mittellängsachsen der Elektrodenfinger 52a des Aktor-Elektrodenkamms 52. Insbesondere kann die Drehachse 56 auf einer Symmetrieachse des Aktor-Elektrodenkamms 52 liegen.
  • Die beiden Elektrodenkämme 52 und 54 sind auch ohne eine zwischen ihnen angelegte Spannung U so zueinander angeordnet, dass mehrere Elektrodenfinger 52a des Aktor-Elektrodenkamms 52 durch Elektrodenfinger-Zwischenräume des Stator-Elektrodenkamms 54 verlaufen. Ein erstes Ende der betreffenden Elektrodenfinger 52a des Aktor-Elektrodenkamms 52 ragt auf einer Oberseite des Stator-Elektrodenkamms 54 heraus. Das gegenüberliegende Ende der jeweiligen Elektrodenfinger 52a des Aktor-Elektrodenkamms 52 steht auf einer Unterseite des Stator-Elektrodenkamms 54 hervor. Das Ineinandergreifen de Elektrodenkämme 52 und 54 ist möglich durch die Anordnung der Elektrodenfinger 52a und 54a in einer ersten Ebene und der Befestigungsteile 52b und 54b in einer benachbarten zweiten Ebene.
  • Der Stator-Elektrodenkamm 54 kann vor einer Inbetriebnahme des elektrostatischen Antriebs 50 vorausgelenkt werden. Dazu wird der Stator-Elektrodenkamm 54 aus einer ersten Stellung zu einem nicht gezeigten Grundsubstrat, in welcher der Stator-Elektrodenkamm hergestellt wird, in eine zweite Stellung zu dem Grundsubstrat verstellt. Das Verstellen des Stator-Elektrodenkamms 54 aus der ersten Stellung in die zweite Stellung kann ein Drehen des Stator-Elektrodenkamms 54 um eine (nicht dargestellte) Drehachse des Stator-Elektrodenkamms 54 sein. Zum Verstellen des Stator-Elektrodenkamms 54 ist dieser mit mindestens einer Feder 58 an einer (nicht skizzierten) Rahmenhalterung angeordnet. In dem dargestellten Beispiel der 5 weist der Stator-Elektrodenkamm 54 an zwei gegenüberliegenden Seiten jeweils zwei Federn 58 auf. Die insgesamt vier Federn 58 sind dabei so ausgebildet, dass der Stator-Elektrodenkamm 54 nach der Vorauslenkung auch bei Anlegen einer relativ hohen Spannung zwischen den beiden Elektrodenkämmen 52 und 54 kaum gegenüber der Rahmenhalterung verstellt wird.
  • Demgegenüber weist der Aktor-Elektrodenkamm 52 an seinen zwei Enden je eine Torsionsfeder 60 auf, welche beispielsweise parallel zur Drehachse 56 verläuft. Die Torsionsfedern 60 können aber auch gewunden oder quer zu der Drehachse 56 ausgeführt sein. Vorzugsweise haben die Torsionsfedern 60 eine deutlich kleinere Federsteifigkeit als die Federn 58. Somit ist gewährleistet, dass bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenkämmen 52 und 54 hauptsächlich der Aktor-Elektrodenkamm 52 gegenüber der (nicht dargestellten) Rahmenhalterung verstellt wird.
  • 6 zeigt eine Draufsicht zum Darstellen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
  • Der gezeigte elektrostatische Antrieb 70 umfasst zwei Aktor-Elektrodenkämme 52 und zwei Stator-Elektrodenkämme 54. Die Elektrodenkämme 52 und 54 sind dabei so ausgebildet und so zueinander angeordnet, wie dies für die vorhergehende Ausführungsform beschrieben ist.
  • Jeder der beiden Aktor-Elektrodenkämme 52 dient zum Verstellen einer Spiegelplatte 72. An der Spiegelplatte 72 sind zwei Stegelemente 74 angeordnet, welche in zwei entgegen gesetzten Richtungen von der Spiegelplatte 72 abstehen. An jedem der beiden Stegelemente 74 ist ein Aktor-Elektrodenkamm 52 befestigt. Vorzugsweise sind die Spiegelplatte 72, die Stegelemente 74 und die Aktor-Elektrodenkämme 52 einstückig ausgebildet.
  • Die Aktor-Elektrodenkämme 52 weisen an ihren von den Stegelementen 74 abgewandten Seiten die schon beschriebenen Torsionsfedern 60 auf. Über die Torsionsfedern 60 sind die Aktor-Elektrodenkämme 52 und die Spiegelplatte 72 mit einer (nicht dargestellten) Rahmenhalterung verbunden. Dabei sind die Torsionsfedern 60 so ausgebildet, dass die Aktor-Elektrodenkämme 52 und die Spiegelplatte 72 bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektrodenkämmen 52 und 54 um die Drehachse 56 gegenüber der Rahmenhalterung gedreht werden.
  • Die Aktor-Elektrodenkämme 52 und die Spiegelplatte 72 können nur in die Drehrichtung 57 gedreht werden. Allerdings nimmt die Überlappfläche der Elektrodenkämme 52 und 54 mit Zunahme des (nicht eingezeichneten) Verstellwinkels zu. Somit erhöht sich auch das auf die Aktor-Elektrodenkämme 52 und die Spiegelplatte 72 ausgeübte Drehmoment mit Zunahme des Verstellwinkels. Auf diese Weise kann die steigende Federkraft der Torsionsfedern 60, welche der Drehung der Aktor-Elektrodenkämme 52 und der Spiegelplatte 72 entgegen wirkt, auch bei einem vergleichsweise großen Verstellwinkel noch kompensiert werden.
  • Die Drehrichtung 57 ist durch die Vorauslenkung, bzw. die Vorverkippung der Stator-Elektrodenkämme 54 mittels der Federn 58 festgelegt. Die Federn 58 sind dabei so ausgebildet, dass nach einem Verstellen der Stator-Elektrodenkämme 54 aus einer ersten Stellung, in welcher die Stator-Elektrodenkämme 54 hergestellt werden, in die dargestellte zweite Stellung, die Stator-Elektrodenkämme 54 auch bei Anlegen einer vergleichsweise hohen Spannung zwischen den Elektrodenkämmen 52 und 54 kaum gegenüber der Rahmenhalterung verstellt werden.
  • Die beidseitig eingespannten Elektrodenfinger 52a und 54a der Elektrodenkämme 52 und 54 weisen auch bei einer Länge von über 1 mm und einer Breite unter 10 μm noch eine hohe Biegesteifigkeit auf.
  • Somit lässt sich über ein Ausbilden der Elektrodenkämme 52 und 54 mit vergleichsweise langen Elektrodenfingern 52a und 54a das auf die Aktor-Elektrodenkämme 52 und die Spiegelplatte 72 ausgeübte Drehmoment steigern, ohne dass gleichzeitig das Risiko einer ungewollten Verformung der Elektrodenfinger 52a und 54a und/oder eines Pull-ins erhöht wird. Zusätzlich ist durch das Vorverstellen der Stator-Elektrodenkämme 54 um einen Neigungswinkel ein vergleichsweise hoher maximaler Verstellwinkel gewährleistet.
  • 7A–D zeigen Querschnitte zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
  • In einem ersten Schritt des Verfahrens wird auf einer Oberfläche eines Substrats 100, beispielsweise eines Siliziumsubstrats, eine Opferschicht 102 gebildet. Bevorzugt ist die Opferschicht 102 eine Oxidschicht, welche mittels einer thermischen Oxidierung gebildet wird. Anschließend werden Aussparungen 104 in der Opferschicht 102 ausgebildet. Vorzugsweise werden die Aussparungen 104 unter Verwendung einer auf die Opferschicht 102 aufgebrachten (nicht gezeigten) Maske geätzt. Die zum Ätzen der Aussparungen 104 verwendete Maske wird anschließend entfernt. Die Aussparungen 104 definieren die Enden der später gebildeten Elektrodenkämme, an welchen eine Verbindung zwischen den Elektrodenkämmen und dem darunterliegenden Substrat 100 für das fertig hergestellte mikromechanische Bauteil bevorzugt wird.
  • In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Elektroden-Material-Schicht 106 auf der Opferschicht 102 abgeschieden. Dabei werden auch die Aussparungen 104 vollständig mit dem Material der Elektroden-Material-Schicht 106 gerillt. Die Elektroden-Material-Schicht 106 kann ein Metall oder Silizium enthalten. Beispielsweise ist die Elektroden-Material-Schicht 106 eine Epipoly-Schicht. 7A zeigt das Substrat 100 nach dem Ausbringen der Elektroden-Material-Schicht 106.
  • Anschließend wird eine (nicht dargestellte) Maske, beispielsweise eine Lackmaske, auf eine der Opferschicht 102 entgegen gerichtete Seite des Substrats 100 aufgebracht. Die Maske kann über ein lithographisches Verfahren strukturiert werden. In einem nachfolgenden Ätzschritt wird ein Hohlraum 108 in das Substrat 100 geätzt. Die Ätzzeit ist dabei so gewählt, dass die maximale Tiefe des Hohlraums 108 kleiner als die Mindestschichtdicke des Substrats 100 ist. Die Maske kann anschließend entfernt werden. 7B zeigt das Substrat 100 nach dem Ätzen des Hohlraums 108.
  • Danach wird eine weitere Maske auf dem Boden des Hohlraums 108 aufgebracht. Diese ebenfalls nicht gezeigte Maske kann, wie oben beschrieben, so strukturiert werden, dass in einen weiteren Ätzschritt Trenngräben 110 in das Substrat 100 geätzt werden, welche die Umrisse der unteren Lage der Elektrodenkämme festlegen. Auch die Umrisse der Federn und der Torsionsfedern können bei diesem Ätzschritt festgelegt werden. Bevorzugterweise unterteilt der Ätzschritt das Substrat 100 so, dass die Befestigungsteile zum Befestigen der später hergestellten Elektrodenfinger, die Federn und die Torsionsfedern aus dem Material des Substrats 100 hergestellt werden. Die Ätzzeit ist so gewählt, dass die sich die Trenngräben 110 bis zu der Opferschicht 102 erstrecken, wie in 7C zu erkennen ist. Die Opferschicht 102 dient dabei als Ätzstopp. Entsprechend wird bei diesem Ätzschritt ein Ätzmaterial verwendet, welches die Opferschicht 102 kaum angreift.
  • Zum Herstellen der Elektrodenfinger der beiden Elektrodenkämme wird eine weitere (nicht skizzierte) Maske, beispielsweise eine Lackmaske, auf die Oberseite der Elektroden-Material-Schicht 106 aufgebracht. Die Maske wird, beispielsweise über ein lithographisches Verfahren, so strukturiert, dass die gewünschten Umrisse der später aus der Elektroden-Material-Schicht 106 gebildeten oberen Lage der Elektrodenkämme, beispielsweise der Elektrodenfinger, festgelegt sind. Dann wird eine weitere Ätzung zum Ausbilden weiterer Trenngräben 112 in der Elektroden-Material-Schicht 106 ausgeführt. Die Trenngräben 112 legen die Umrisse der oberen Lage der Elektrodenkämme fest. Durch die zweilagige Ausbildung der Elektrodenkämme ist es möglich, Elektrodenkämme mit zweiseitig eingespannten Elektrodenfingern zu bilden, wobei die Elektrodenfinger eines Elektrodenkamms durch die Elektrodenfinger-Zwischenräume des anderen Elektrodenkamms hindurch ragen.
  • Wie in 7D zu erkennen ist, kann mindestens ein Elektrodenkamm auch vollständig aus der Elektroden-Material-Schicht 106 hergestellt werden. Auch die Federn und die Torsionsfeder können, sofern dies gewünscht wird, aus der Elektroden-Material-Schicht 106 gebildet werden. Mittels eines HF-Gasphasen-Ätzens können die fertigen Elektrodenkämme anschließend von dem darunter liegenden Substrat 100 gelöst werden. An den Positionen der Aussparungen 104 bleibt jedoch eine feste Verbindung zwischen den Resten der Elektroden-Material-Schicht 106 und dem Substrat 100 erhalten. Jede dieser festen Verbindungen bildet einen elektrischen Kontakt. Zusätzlich können auch mechanische Verbindungen ohne einen elektrischen Kontakt realisiert werden, indem die Kontaktstellen so breit ausgelegt werden, dass sie während des Gasphasen-Ätzens nicht gänzlich entfernt werden.
  • Das in den oberen Absätzen beschriebene Herstellungsverfahren beinhaltet Standardschritte eines Halbleiterprozesses, bzw. eines Mikromechanikprozesses. Es lässt sich somit einfach ausführen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (10)

  1. Elektrodenkamm (52,54) für ein mikromechanisches Bauteil mit mindestens zwei Elektrodenfingern (30, 52a, 54a); einem ersten Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b); und einem zweiten Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b); wobei der Elektrodenkamm (52, 54) so ausgebildet ist, dass jeder der mindestens zwei Elektrodenfinger (30, 52a, 54a) an einem ersten Ende des Elektrodenfingers (30, 52a, 54a) an dem ersten Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) befestigt ist und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Elektrodenfingers (30, 52a, 54a) an dem zweiten Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) befestigt ist.
  2. Elektrodenkamm (52, 54) nach Anspruch 1, wobei die mindestens zwei Elektrodenfinger (30, 52a, 54a) parallel zueinander ausgerichtet sind, und wobei das erste Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) und/oder das zweite Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) senkrecht zu den mindestens zwei Elektrodenfingern (30, 52a, 54a) ausgerichtet sind.
  3. Elektrodenkamm (52, 54) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens zwei Elektrodenfinger (30, 52a, 54a) einstückig mit dem ersten Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) und/oder mit dem zweiten Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) ausgebildet sind.
  4. Elektrodenkamm (52, 54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder der mindestens zwei Elektrodenfinger (30, 52a, 54a) eine Länge von mindestens 250 μm und eine senkrecht zu der Länge ausgerichtete Breite unter 10 μm aufweist.
  5. Elektrodenkamm (52, 54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste Ebene und eine die erste Ebene nicht überschneidende benachbarte zweite Ebene definierbar sind, und wobei die mindestens zwei Elektrodenfinger (30, 52a, 54a) in der ersten Ebene und das erste Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) und/oder das zweite Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) in der zweiten Ebene angeordnet sind.
  6. Mikromechanisches Bauteil mit einem Stator-Elektrodenkamm (44, 54) und einem Aktor-Elektrodenkamm (42, 52), welche so ausgebildet sind, dass eine Spannung (U) zwischen dem Stator-Elektrodenkamm (44, 54) und dem Aktor-Elektrodenkamm (42, 52) anlegbar ist, wobei, durch Anlegen der Spannung (U) zwischen dem Stator-Elektrodenkamm (44, 54) und dem Aktor-Elektrodenkamm (42, 52), der Aktor-Elektrodenkamm (42, 52) um eine Drehachse (46, 56) des Aktor-Elektrodenkamms (42, 52) drehbar ist, und wobei die Drehachse (46, 56) des Aktor-Elektrodenkamms (42,52) mindestens eine Oberfläche eines Elektrodenfingers (54a) des Stator-Elektrodenkamms (44, 54) senkrecht durchsticht.
  7. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 6, wobei der Stator-Elektrodenkamm (44, 54) und der Aktor-Elektrodenkamm (42, 52) ohne eine angelegte Spannung in einem ersten Neigungswinkel (φ) ungleich 0° und ungleich 180° zueinander angeordnet sind, wobei, durch Anlegen der Spannung (U) zwischen dem Stator-Elektrodenkamm (44, 54) und dem Aktor-Elektrodenkamm (42, 52), der Aktor-Elektrodenkamm (42, 52) in mindestens eine Stellung mit einem zweiten Neigungswinkel zu dem Stator-Elektrodenkamm (44, 54) drehbar ist, und wobei der zweite Neigungswinkel kleiner als der erste Neigungswinkel (φ) ist.
  8. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Aktor-Elektrodenkamm (52) und/oder der Stator-Elektrodenkamm (54) mindestens zwei Elektrodenfinger (52a, 54a), ein erstes Befestigungsteil (52b, 54b) und ein zweites Befestigungsteil (52b, 54b) umfasst, und so ausgebildet ist, dass jeder der mindestens zwei Elektrodenfinger (52a, 54a) an einem ersten Ende des Elektrodenfingers (52a, 54a) an dem ersten Befestigungsteil (52b, 54b) befestigt ist und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Elektrodenfingers (52a, 54a) an dem zweiten Befestigungsteil (52b, 54b) befestigt ist.
  9. Herstellungsverfahren für einen Elektrodenkamm (52, 54) mit dem Schritt: Bilden mindestens zweier Elektrodenfinger (30, 52a, 54a), eines ersten Befestigungsteils (32a, 32b, 52b, 54b) und eines zweiten Befestigungsteils (32a, 32b, 52b, 54b), wobei jeder der mindestens zwei Elektrodenfinger (30, 52a, 54a) an einem ersten Ende des Elektrodenfingers (30, 52a, 54a) an dem ersten Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) befestigt ist und an einem dem ersten Ende gegenüberliegenden zweiten Ende des Elektrodenfingers (30, 52a, 54a) an dem zweiten Befestigungsteil (32a, 32b, 52b, 54b) befestigt ist.
  10. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit einem Stator-Elektrodenkamm (44, 54) und einem Aktor-Elektrodenkamm (42, 52), welche so ausgebildet sind, dass eine Spannung (U) zwischen dem Stator-Elektrodenkamm (44, 54) und dem Aktor-Elektrodenkamm (42, 52) anlegbar ist und, durch Anlegen der Spannung (U) zwischen dem Stator-Elektrodenkamm (44, 54) und dem Aktor-Elektrodenkamm (42, 52), der Aktor-Elektrodenkamm (42, 52) um eine Drehachse (46, 56) des Aktor-Elektrodenkamms (42, 52) drehbar ist, mit dem Schritt: Anordnen des Stator-Elektrodenkamms (44, 54) und des Aktor-Elektrodenkamms (42, 52) so, die Drehachse (46, 56) des Aktor-Elektrodenkamms (42, 52) mindestens eine Oberfläche eines Elektrodenfingers (54a) des Stator-Elektrodenkamms (44, 54) senkrecht durchsticht.
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