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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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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.
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1A bis
C zeigen Querschnitte zum Darstellen eines ersten herkömmlichen
elektrostatischen Antriebs.
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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.
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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.
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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.
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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.
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2A und
B zeigen Querschnitte zum Darstellen eines zweiten herkömmlichen
elektrostatischen Antriebs.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
oben beschriebenen Vorteile ergeben sich auch bei einem entsprechenden
Herstellungsverfahren für einen Elektrodenkamm und einem
derartigen Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches
Bauteil.
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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 bis
C Querschnitte zum Darstellen eines ersten herkömmlichen
elektrostatischen Antriebs;
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2A und
B Querschnitte zum Darstellen eines zweiten herkömmlichen
elektrostatischen Antriebs;
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3 eine
Draufsicht auf einen Elektrodenfinger zum Darstellen einer Ausführungsform
des Elektrodenkamms;
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4A und
B Querschnitte zum Darstellen einer ersten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils;
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5 eine
Draufsicht zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils;
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6 eine
Draufsicht zum Darstellen einer dritten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils; und
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7A–D
Querschnitte zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens
für ein mikromechanisches Bauteil.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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3 zeigt
eine Draufsicht auf einen Elektrodenfinger zum Darstellen einer
Ausführungsform des Elektrodenkamms.
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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.
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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.
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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.
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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.
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4A und
B zeigen Querschnitte zum Darstellen einer ersten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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5 zeigt
eine Draufsicht zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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6 zeigt
eine Draufsicht zum Darstellen einer dritten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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7A–D
zeigen Querschnitte zum Darstellen einer Ausführungsform
des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das
in den oberen Absätzen beschriebene Herstellungsverfahren
beinhaltet Standardschritte eines Halbleiterprozesses, bzw. eines
Mikromechanikprozesses. Es lässt sich somit einfach ausführen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0117235
A1 [0013, 0013]
- - US 2004/0263938 A1 [0013, 0013]
- - US 6806992 B2 [0013, 0013]