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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen mikromechanischen
Bauteils und ein Herstellungsverfahren für ein entsprechendes mikromechanisches
Bauteil.
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Stand der Technik
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Ein
mikromechanisches Bauteil weist häufig ein um eine Drehachse
drehbares Stellelement auf. Beispielsweise werden Mikrospiegel mit
drehbaren Spiegelplatten für
die Ablenkung von Lichtstrahlen, insbesondere in Projektoren oder
Scannern, eingesetzt. Das Verstellen der Spiegelplatte kann zum
Beispiel über
einen elektrostatischen Antrieb erfolgen. Dazu wird die Spiegelplatte
an einem Torsionskörper mit
Aktorelektroden befestigt. Zum Verstellen des Torsionskörpers mit
der Spiegelplatte wird eine Spannung zwischen den Aktorelektroden
und den benachbarten Statorelektroden, welche außerhalb der von den Aktorelektroden
aufgespannten Ebene fest in dem mikromechanischen Bauteil angeordnet sind,
angelegt. Liegt eine Spannung ungleich Null zwischen den Aktorelektroden
und den in einer darüber
oder darunter liegenden Statorelektroden an, so wirkt ein Drehmoment
auf den Torsionskörper,
welches den Torsionskörper
aus seiner Ausgangsstellung um einen Verstellwinkel dreht.
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Vorzugsweise
soll das mikromechanische Bauteil eine niedrige Empfindlichkeit
gegenüber äußeren Störungen,
eine kurze Rücklaufzeit
des aus seiner Ausgangsstellung verstellten Torsionskörpers, eine
hohe Schockfestigkeit, eine hohe Festigkeit gegenüber einem
elektrostatischen Kollaps und/oder eine hohe Festigkeit gegenüber ungewollten
Schwingungsmoden haben. Dazu ist eine Federaufhängung des Torsionskörpers mit
einer vergleichsweise hohen Federsteifigkeit vorteilhaft. Allerdings
muss bei einer hohen Federsteifigkeit der Federaufhängung ein
vergleichsweise großes
Drehmoment erzeugt werden, um den Torsionskörper trotz der höhen Federsteifigkeit
zu verstellen. Herkömmlicherweise
erfolgt eine Steigerung des erzeugbaren Drehmoments bei einem elektrostatischen
Antrieb über
eine Erhöhung der
Anzahl der Aktorelektroden auf dem Torsionskörper. Dies erfordert jedoch
eine Verlängerung
des Torsionskörpers.
Ein vergleichsweise langer Torsionskörper fuhrt jedoch zu erhöhter Stoßempfindlichkeit und
zu ungewollten Schwingungsmoden.
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Es
kann bei manchen mikromechanischen Bauteilen vorteilhaft sein, wenn
das mikromechanische Bauteil ein Verstellen des Stellelements um
einen möglichst
großen
Verstellwinkel gewährleistet. Bei
anderen mikromechanischen Bauteilen wird hingegen eine geringe Schrittweite
beim Drehen des Stellelements zum genauen Einstellen eines gewünschten
Verstellens bevorzugt. Die Steigerung des maximalen Verstellwinkels
oder die Minimierung der Schrittweite ist jedoch herkömmlicherweise
bei einem elektrostatischen Antrieb oder bei einem magnetischen
Antrieb schwer zu realisieren.
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Ein
weiteres Problem eines herkömmlichen mikromechanischen
Bauteils liegt darin, dass für
den Antrieb und für
die Lagedetektion des Stellelements elektrische Zuleitungen zu dem
beweglichen Stellelement erforderlich sind. Häufig müssen diese Zuleitungen über Federn
geführt
werden. Dies erfordert die Ausführung
sehr schmaler Zuleitungen und beschränkt zusätzlich die Anzahl der Zuleitungen.
Da Zuleitungen aus Metall duktile Eigenschaften haben, reduzieren
sie die Schwingungsgüte
der Feder. Zusätzlich
unterliegen sie bei einer Verformung der Feder mechanischen Zerrüttungen.
Nichtmetallische Zuleitungen, beispielsweise mit epitaktischem Polysilizium,
sind nicht duktil. Die nichtmetallischen Zuleitungen jedoch häufig sehr
anfällig
gegenüber
geometrischen Änderungen,
die zu hohen Widerständen führen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1, ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen
Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Herstellungsverfahren
für ein
mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein indirekt über ein
Hebelelement verstellbares Stellelement gegenüber einem Stellelement, welches
von der Antriebeinrichtung direkt gedreht wird, keine Elemente der
Antriebeinrichtung aufweisen muss. Beispielsweise kann somit bei
einem magnetischen Antrieb auf das Anbringen einer Spule an dem
Stellelement selbst verzichtet werden. Die benötigte Spule kann stattdessen
an dem Hebelelement befestigt werden. Entsprechend ist es bei einem
elektrostatischen Antrieb nicht mehr notwendig, eine Mindestanzahl
von Aktorelektroden an dem Stellelement anzubringen. Es ist ausreichend,
lediglich an dem Hebelelement die Aktorelektroden anzuordnen.
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Erfindungsgemäß wird das
Stellelement somit nicht über
eine direkte Krafteinwirkung durch die Antriebeinrichtung, sondern über ein
Verstellen des mindestens einen Hebelelements gedreht. Das Stellelement
wird dabei über
eine Drehung des Hebelelements mitgedreht.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
bei einem magnetischen Antrieb die Windungszahl der mindestens einen
Spule oder bei einem elektrostatischen Antrieb die Anzahl der Aktorelektroden
zu steigern, ohne dass dazu die Größe oder die Form des Stellelements
selbst verändert
wird. Somit lässt
sich ein hohes Drehmoment zum Verstellen des Stellelements auch
bei einem relativ kleinen Stellelement realisieren. Dies ermöglicht eine
Minimierung des Stellelements und führt deshalb zu einer niedrigeren Stoßempfindlich,
beziehungsweise einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber störenden Schwingungsmoden.
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Aufgrund
des vergleichsweise hohen erzeugbaren Drehmoments sind steife Torsionsfedern einsetzbar.
Dies gewährleistet
eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störungen, eine vergleichsweise
kurze Rücklaufzeit
des verstellten Stellelements in seine Ausgangsstellung, eine hohe Schockfestigkeit,
eine hohe Festigkeit gegenüber
einem elektrostatischen Kollaps und/oder eine geringe Empfindlichkeit
gegenüber
ungewollten Schwingungsmoden.
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Ein
weiterer Vorteil eines Stellelements ohne eine Spule oder einer
Aktorelektrode besteht darin, dass es nicht notwendig ist, Leitungen, über welche ein
Strom durch die Spule geleitet wird oder eine Spannung an die Aktorelektrode
angelegt wird, zu dem Stellelement selbst zu führen. Dies reduziert die Anzahl
der notwendigen Leitung und erleichtert damit das Anordnen der Leitungen
an dem mikromechanischen Bauteil.
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Das
Stellelement, beispielsweise eine Spiegelplatte, kann in einer besonderen
Ausführungsform um
zwei zueinander senkrecht stehende Drehachsen verstellbar sein.
Beispielsweise ist das Stellelement dazu doppelt kardanisch an Torsionsfedern
aufgehängt.
Vorzugsweise wird das Stellelement um eine erste Drehachse über einen
quasi statischen Betrieb gedreht, während das Drehen des Stellelements
um die andere Drehachse resonant, das heißt mit einer deutlich höheren Ablenkfrequenz,
erfolgt.
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Vorzugsweise
ist ein Ende des Hebelelements mit der Rahmenhalterung über ein
Federelement verbunden. Das andere Ende des Hebelelements kann mit
dem als Torsionskörper
ausgebildeten Stellelement mittels der Feder verbunden sein. Insbesondere
ermöglicht
dies die Führung
mehrerer elektrischer Zuleitungen auf das Stellelement ohne eine
Verwendung von metallischen Leiterbahnen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist ein erster Abstand zwischen der Feder und der ersten Drehachse
ungleich einem zweiten Abstand zwischen der Feder und der zweiten
Drehachse. Somit ist es möglich,
das Stellelement mittels der Feder so an das Hebelelement zu koppeln,
dass, falls das Hebelement um einen ersten Verstellwinkel um die
erste Drehachse gedreht wird, das Stellelement um einen zweiten
Verstellwinkel ungleich dem ersten Verstellwinkel um die zweite
Drehachse gedreht wird. Abhängig
von dem Verhältnis
zwischen dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand ist der zweite
Verstellwinkel kleiner oder größer als
der erste Verstellwinkel. Dies gewährleistet ein einfach ausführbares Steigern
des maximalen Verstellwinkels des Stellelements oder eine vorteilhafte
Reduzierung der minimalen Schrittweite beim Verstellen des Stellelements.
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Beispielsweise
ist der zweite Abstand kleiner als der erste Abstand. Der zweite
Verstellwinkel ist in diesem Fall größer als der erste Verstellwinkel.
Somit kann ein maximaler Verstellwinkel des Stellelements auf einfache
Weise gesteigert werden. Zusätzlich
ist auf diese Weise eine vergleichsweise große Auslenkungen des Stellelements
bereits bei einer relativ niedrigen angelegten Spannung oder bei
einer schwachen magnetischen Wechselwirkung möglich.
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Vorzugsweise
ist der zweite Abstand mindestens um einen Faktor 2 kleiner als
der erste Abstand. Insbesondere kann der zweite Abstand mindestens
um einen Faktor 5 kleiner als der erste Abstand sein. Dies gewährleistet
eine signifikante Steigerung des maximalen Verstellwinkels des Stellelements.
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Als
Alternative dazu kann erste Abstand kleiner als der zweite Abstand
sein. In diesem Fall ist der zweite Verstellwinkel kleiner als der
erste Verstellwinkel. Somit ist es auf einfache Weise möglich, die Schrittweite
der möglichen
Verstellwinkel des Stellelements zu minimieren.
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Insbesondere
kann der zweite Abstand mindestens um einen Faktor 2 größer als
der erste Abstand sein. Dies gewährleistet
eine vorteilhafte Übersetzung
von Kräften.
Vor allem ist somit eine Steigerung des auf das Stellelement ausgeübten Drehmoments
möglich.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das mikromechanische Bauteil
ein weiteres durch die Antriebeinrichtung drehbares Hebelelement,
wobei das Stellelement mittels der Feder so an das Hebelelement
und mittels einer weiteren Feder so an das weitere Hebelelement
gekoppelt ist, dass das Stellelement mittels eines Drehers des Hebelelements
in eine erste Drehrichtung und eines gleichzeitigen Drehens des
weiteren Hebelelements in eine der ersten Drehrichtung entgegen
gerichtete zweite Drehrichtung verstellbar ist. Damit gewährleistet
diese Weiterbildung ein zusätzlich
erhöhtes
Drehmoment und einen zusätzlich
gesteigerten maximalen Verstellwinkel des Stellelements bei einer
ver gleichsweise niedrigen Energie. Aufgrund der entgegen gesetzten Drehrichtungen
der Hebelelemente wirken nur rotatorische Kräfte auf das Stellelement. Dies
fuhrt zu einer großen
mechanischen Stabilität
des Stellelements. Insbesondere können das Hebelelement und das
weitere Hebelelement symmetrisch zu der zweiten Drehachse des Stellelements
ausgebildet sein. Dies erleichtert das Ansteuern der Antriebeinrichtung.
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Vorzugsweise
ist die Feder und/oder die weitere Feder eine Scharnier-Torsionsfeder.
Eine Scharnier-Torsionsfeder
gewährleistet
eine vorteilhafte Kopplung zwischen dem mindestens einen Hebelelement
und dem Stellelement. Zusätzlich
können über die
mindestens eine Torsionsfeder elektrische Zuleitungen geführt werden,
ohne dass die Verwendung von metallischen Leiterbahnen notwendig
ist. Dies minimiert die Dämpfung.
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Beispielsweise
umfasst die Antriebeinrichtung einen elektrostatischen Antrieb und/oder
einen magnetischen Antrieb. Das in den oberen Absätzen beschriebene
mikromechanische Bauteil umfasst sowohl bei Verwendung des elektrostatischen
Antriebs als auch bei Verwendung des magnetischen Antriebs die beschriebenen
signifikanten Vorteile.
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Die
in den oberen Absätzen
beschriebenen Vorteile gelten auch für ein entsprechendes Verfahren
zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils und für ein derartiges
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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1 eine
Draufsicht auf ein mittels zweier Hebelelemente verstellbares Stellelement
zum Darstellen einer ersten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils;
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2 einen
Querschnitt zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils; und
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3A und 3B Querschnitte
zum Darstellen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
den folgenden Absätzen
wird die Erfindung anhand eines als Mikrospiegel ausgebildeten mikromechanischen
Bauteils erläutert.
Das als Mikrospiegel ausgebildete mikromechanische Bauteil kann
beispielsweise ein Head-up-Display in einem Kraftfahrzeug, ein Bildprojektor
oder ein 2-D-Scanner sein. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf Mikrospiegel beschränkt ist.
Anstelle einer Spiegelplatte können auch
andere Stellelemente verstellbar sein.
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1 zeigt
eine Draufsicht auf ein mittels zweier Hebelelemente verstellbares
Stellelement zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils.
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Das
dargestellte Stellelement 10 umfasst eine Spiegelplatte 12 und
einen Torsionskörper 14. Der
Torsionskörper 14 ist
fest an der Spiegelplatte 12 angeordnet und steht in y-Richtung
von der Spiegelplatte 12 ab. Beispielsweise ist der Torsionskörper 14 einstückig mit
der Spiegelplatte 12 ausgebildet. Mittels einer Torsionsfeder 16 ist
der Torsionsköper 14 so
mit einer nicht gezeigten Rahmenhalterung verbunden, dass der Torsionskörper 14 mit
der daran befestigten Spiegelplatte 12 um eine durch eine
Mittellängsachse
des Torsionskörpers 14 verlaufende Drehachse 18 drehbar
ist.
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Wie
weiter unten noch genauer beschrieben wird, dient der Torsionskörper 14 dazu,
ein Torsionsmoment auf die Spiegelplatte 12 zu übertragen.
Dazu weist der Torsionskörper 14 senkrecht
zu der Drehachse 18 eine maximale Breite auf, die deutlich
unter der maximalen Breite der Spiegelplatte 12 senkrecht zu
der Drehachse 18 liegt.
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An
zwei gegenüberliegenden,
parallel zur Drehachse 18 ausgebildeten Seiten des Torsionskörpers 14 ist
je eine Feder 20a und 20b befestigt. Vorzugsweise
sind die Federn 20a und 20b Scharnier-Torsionsfedern. Jede
der beiden Federn 20a und 20b verbindet den Torsionskörper 14 mit
einem Hebelelement 22a oder 22b. Die beiden Hebelelemente 22a und 22b erstrecken
sich in zwei entgegen gesetzte Richtungen senkrecht von der Drehachse 18 des
Stellelements 10 weg.
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Die
den Federn 20a und 20b entgegen gerichteten Enden
der Hebelelemente 22a und 22b sind über je ein
Federelement 24a und 24b an der (nicht skizzierten)
Rahmenhalterung befestigt. Mittels einer (nicht gezeigten) Antriebeinrichtung
kann das Hebelelement 22a um eine durch das Federelement 24a verlaufende
Hebelachse des Hebelelements 22a gedreht werden. Entsprechend
lasst sich auch das Hebelelement 22b mittels der Antriebeinrichtung
um eine durch das Federelement 24b verlaufende Hebelachse
des Hebelelements 22b drehen. Die Hebelachsen der Hebelelemente 22a und 22b liegen
pa rallel zu der Drehachse 18 des Stellelements 10.
Entsprechend sind die Hebelachsen der Hebelelemente 22a und 22b senkrecht
zu den Längsachsen
der Hebelelemente 22a und 22b ausgerichtet.
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Die
Antriebeinrichtung kann beispielsweise ein elektrostatischer Antrieb
oder ein magnetischer Antrieb sein. Entsprechend können auch
die Hebelelemente 22a und 22b an die verwendete
Antreibeinrichtung angepasst sein. Beispiele für die Hebelelemente 22a und 22b bei
einem elektrostatischen Antrieb oder bei einem magnetischen Antrieb
werden weiter unten noch genauer beschrieben.
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In
einem inaktivierten Zustand der Antriebeinrichtung liegen die Mittellängsachsen
der Hebelelemente 22a und 22b auf einer Geraden.
Damit üben
die Hebelelemente 22a und 22b im inaktiven Zustand
der Antriebeinrichtung kein Drehmoment bzw. kein Torsionsmoment
auf den Torsionskörper 14 aus.
Die an dem Torsionskörper 14 befestigte
Spiegelplatte 12 befindet sich in diesem Fall in ihrer
Ausgangsstellung, welche beispielsweise parallel zur xy-Ebene ausgerichtet
ist.
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Die
Antriebeinrichtung ist dazu ausgelegt, die Hebelelemente 22a und 22b gleichzeitig
zu verstellen, wobei jedes der beiden Hebelelemente 22a und 22b in
eine andere Drehrichtung 26a oder 26b gedreht
wird. Beispielsweise dreht die Antriebeinrichtung das Hebelelement 22a um
seine Hebelachse in die Drehrichtung 26a und gleichzeitig
das Hebelelement 22b um seine Hebelachse in die Drehrichtung 26b.
Die Drehrichtung 26b ist dabei der Drehrichtung 26a entgegen
gerichtet. Jedes der beiden Hebelelemente 22a und 22b wird
dabei um einen ersten Verstellwinkel α1 gedreht.
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Durch
das Verstellen des Hebelelements 22a in die Drehrichtung 26a und
das gleichzeitige Drehen des Hebelelements 22b in die Drehrichtung 26b üben die
beiden Hebelelemente 22a und 22b ein Drehmoment,
bzw. ein Torsionsmoment auf den Torsionskörper 14 aus. Dies
bewirkt ein Drehen des Torsionskörpers 14 um
die Drehachse 18 um einen zweiten Verstellwinkel α2. Dadurch
wird auch die an dem Torsionsköper 14 befestigte
Spiegelplatte 12 aus ihrer Ausgangsstellung um den zweiten
Verstellwinkel α2
gedreht.
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In
dem Beispiel der 1 sind die beiden Hebelelemente 22a und 22b gleich
lang und symmetrisch zur Drehachse 18 des Stellelements 10 angeordnet.
Der Abstand d1 zwischen der Hebelachse des Hebelelements 22a und
der Feder 20a ist damit gleich dem Abstand d1 zwischen
der Hebelachse des Hebelelements 22b und der Feder 20b.
Näherungsweise
ist der Abstand d1 gleich der Länge
der Hebelelemente 22a und 22b. Demgegenüber weisen
die Federn 20a und 20b einen Abstand d2 zu der
Drehachse 18 des Stellelements 10 auf, welcher
deutlich kleiner als der Abstand d1 ist.
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Für die Abstände d1 und
d2 und die Verstellwinkel α1
und α2 gilt
die Gleichung (GL1): D2·sinα2 = D1·sinα1
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Da
in der gezeigten Ausführungsform
der Abstand d1 deutlich größer als
der Abstand d2 ist, ist der Verstellwinkel α2 der Spiegelplatte 12 signifikant größer als
der Verstellwinkel α1
der Hebelelemente 22a und 22b. Somit bewirkt eine
vergleichsweise kleine Verstellung der Hebelelemente 22a und 22b eine
relativ große
Verstellung der Spiegelplatte 12. Das Verhältnis zwischen
den Verstellwinkeln α1
und α2 kann über den
Abstand der Federn 20a und 20b von der Drehachse 18,
bzw. über
die Form des Torsionsköpers 14 und/oder über die
Länge der
Hebelelemente 22a und 22b eingestellt und optimiert
werden. Der Vorteil der Verwendung des Torsionskörpers 14 anstelle
eines direkten Befestigen der Federn 20a und 20b an
der Spiegelplatte 12 liegt darin, dass auf diese Weise
auch bei einer vergleichsweise großen maximalen Breite der Spiegelplatte 12 senkrecht
zu der Drehachse 18 der Abstand d2 zwischen der Drehachse 18 und
den Feder 20a und 20b relativ klein ist.
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Das
gleichzeitige Auslenken der Hebelelemente 22a und 22b in
zwei entgegen gesetzte Drehrichtungen 26a und 26b gewährleistet,
dass nur ein Torsionsmoment auf den Torsionskörper 14 ausgeübt wird.
Dies ist zur Vermeidung von ungewollt angeregten Schwingungsmoden
von Vorteil.
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2 zeigt
einen Querschnitt zum Darstellen einer zweiten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils.
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Das
dargestellte mikromechanische Bauteil 50 ist in zwei Raumrichtungen
spiegelsymmetrisch ausgebildet. Die zwei Mittelebenen des mikromechanischen
Bauteils 50 sind somit Spiegelsymmetrieebenen. Aufgrund
der zweidimensionalen Spiegelsymmetrie des mikromechanischen Bauteils 50 zeigt 2 nur
einen Ausschnitt eines Querschnitts durch das mikromechanische Bauteil 50 entlang
seiner Mittelhöhenebene.
Dabei wurde auf ein schematisches Darstellen der Komponenten außerhalb
des durch die Symmetrieachsen 52 und 54 begrenzten
Viertels verzichtet.
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Das
mikromechanische Bauteil 50 weist als Stellelement eine
Spiegelplatte 66 auf, welche um die Symmetrieachsen 52 und 54 drehbar
ist. Auf den Mechanismus zum Drehen der Spiegelplatte 66 um
die Symmetrieachse 54 wird hier nicht eingegangen. Das
Drehen der Spiegelplatte 66 um die Symmetrieachse 52 erfolgt
indirekt mittels einer als magnetischer Antrieb ausgebildeten Antriebeinrichtung.
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Der
magnetische Antrieb umfasst eine (nicht dargestellte) externe Spule,
welche so angeordnet ist, dass bei einem Stromfluss durch die Spule
ein Grundmagnetfeld 56 mit magnetischen Feldlinien pa rallel
zu der Symmetrieachse 54 aufgebaut wird. Selbstverständlich kann
der magnetische Antrieb anstelle oder zusätzlich zu der externen Spule
auch einen Permanentmagneten umfassen.
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Die
Feldlinien des Grundmagnetfelds 56 verlaufen auch durch
das Innere einer Rahmenhalterung 58. Im Inneren der Rahmenhalterung 58 sind
die beiden Hebelelemente 60 angeordnet. An jedem der beiden
Hebelelemente 60 ist eine Spule 62 ausgebildet.
Beispielsweise werden in einem Halbleitermaterial Metallschichten
auf einem Hebelelement 60 abgeschieden und anschließend entsprechend
strukturiert.
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Über Zuleitungen 64,
welche über
die Federelemente 63 geführt sind, kann ein Strom durch
die Spulen 62 der Hebelelemente 60 geleitet werden,
um weitere Magnetfelder zu erzeugen, welche als Hebelmagnetfelder
bezeichnet werden. Selbstverständlich können dazu
auch mehrere stromführende
Spulen 62 auf jedem der Hebelelemente 60 angebracht
sein.
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Die
Hebelelemente 60 sind mittels der Federelemente 63 drehbar
innerhalb der Rahmenhalterung 58 angeordnet. Die Wechselwirkung
eines Spulenmagnetfelds mit dem Grundmagnetfeld 56 bewirkt somit
ein Drehen des zugeordneten Hebelelements 60 um eine Hebelachse 61.
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Die
Spiegelplatte 66 des mikromechanischen Bauteils 50 ist
mittels zweier entlang der Symmetrieachse 54 verlaufender
Torsionsfedern 68 mit einem Torsionskörper 70 verbunden
ist. Der Torsionskörper 70 umfasst
einen Rahmen 72 und zwei in zwei entgegen gesetzten Richtungen
von dem Rahmen 72 abstehende Stegelemente 74,
welche entlang der Symmetrieachse 52 verlaufen. Der Rahmen 72 und
die Stegelemente 74 können
einstückig
ausgebildet sein. Jedes der beiden Stegelemente 74 weist
an zwei entgegen gerichteten, parallel zur Symmetrieachse 52 verlaufenden
Seiten eine Feder 76 auf. Vorzugsweise können die
vier Federn 76 Scharnier-Torsionsfedern sein. Dabei kann
eine Scharnier-Torsionsfeder
anstelle der gezeigten zwei Schenkel nur einen Schenkel aufweisen.
Auf diese Weise lässt
sich die Federsteifigkeit der Federn 76 reduzieren. Je
zwei an einer Seite der Symmetrieachse 52 angeordnete Federn 76 verbinden
den Torsionskörper 70 mit
dem benachbarten Hebelelement 60. Zusätzlich sind die der Spiegelplatte 66 entgegen gerichteten
Enden der Stegelemente 74 mittels je einer Torsionsfeder 78 mit
der Rahmenhalterung 58 verbunden.
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Durch
die Bereitstellung von Hebelelementen 60, welche nicht
einstückig
mit dem Torsionskörper 70 ausgebildet
sind, steht genug Anbringfläche zum
Anbringen der Spulen 62 zur Verfügung, ohne dass dazu eine Ausdehnung
des Torsionskörpers 70 vergrößert werden
muss. Der Torsionskörper 70 mit der
Spiegelplatte 66 ist somit verstellbar, ohne dass an dem
Torsionskörper 70 selbst
eine Spule 62 angebracht ist.
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Die
Bestromung der Spulen 62 der Hebelelemente 60 kann
so erfolgen, dass auf die beiden Hebelelemente 60 Drehmomente
wirken, welche jedes der beiden Hebelelemente 60 in eine
andere Drehrichtung drehen. Während
das erste Hebelelement 60 in eine erste Drehrichtung um
seine Hebelachse 61 verstellt wird, wird das zweite Hebelelement 60 gleichzeitig
in eine entgegen gerichtete zweite Drehrichtung gedreht. Vorzugsweise
werden dabei beide Hebelelemente 60 um den gleichen ersten
Verstellwinkel gedreht.
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Dies
bewirkt ein Torsionsmoment auf den Torsionskörper 70, welches den
Torsionskörper 70 um
einen zweiten Verstellwinkel um die Symmetrieachse 52 verkippt.
Die Spiegelplatte 66 wird dabei mit dem Torsionskörper 70 um
den zweiten Verstellwinkel gedreht. Je näher die Hebelachsen 61 an
der Symmetrieachse 52 liegen, umso größer ist das auf den Torsionskörper 70 und
die Spiegelplatte 66 ausgeübte Drehmoment, bzw. Torsionsmoment.
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In
der gezeigten Ausführungsform
weisen die Hebelachsen 61 einen Abstand d1 zu den Federn 76 auf,
welcher deutlich größer als
ein Abstand d2 zwischen den Federn 76 und der Symmetrieachse 52 ist.
Da für
die Abstände
d1 und d2 und die Verstellwinkel der Hebelelemente 60 und
des Torsionskörpers 70 die
oben schon angegebene Gleichung (GL1) gilt, bewirkt somit ein Verstellen
der beiden Hebelelemente 60 um einen vergleichsweise kleinen Verstellwinkel
die Torsion des Torsionskörpers 70 um einen
relativ großen
Verstellwinkel. Damit gewährleistet
auch die anhand der 2 beschriebene Ausführungsform
eine Steigerung des maximalen Verstellwinkels der Spiegelplatte 66 auf
einfache Weise. Die Form des Torsionskörpers 70, insbesondere
die Breite der Stegelemente 74 senkrecht zu der Symmetrieachse 52,
ist so gewählt,
dass bei einem vergleichsweise kleinen Abstand zwischen den Hebelachsen 61 und
der Symmetrieachse 52 ein gewünschtes Verhältnis zwischen
den Abständen
d1 und d2 vorliegt. Vorzugsweise ist dabei der Abstand d1 deutlich
größer als
der Abstand d2. Somit können die
Lage der Hebelachse 61 und die Abstände d1 und d2 entsprechend
dem gewünschten
Drehmoment und in Hinblick auf den bevorzugten maximalen Verstellwinkel
der Spiegelplatte 66 durch eine geeignete Form des Torsionskörpers 70 optimiert
werden.
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Zum
Detektieren der aktuellen Stellung der Spiegelplatte 66,
bzw. des Torsionskörpers 70,
kann auf der Spiegelplatte 66 und/oder dem Torsionsköper 70 ein
(nicht dargestellter) Sensor angeordnet werden. Über die Zuleitungen 80 kann
der Sensor mit Strom versorgt werden. Zusätzlich können über die Zuleitungen 80 Signale
des Sensors an eine externe Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden.
Die Zuleitungen 80 können
auch Steuersignale zum Drehen der Spiegelplatte 66 um die
Symmetrieachse 54 an den dazu verwendeten, hier nicht beschriebenen
Mechanismus weiterleiten.
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Insgesamt
können über die
Federelemente 63, die Federn 76 und die Torsionsfedern 78 Zuleitungen 64 und 80 geführt werden. Über die
zwei Federn 76 sind dabei vier Zuleitungen 80 pro
Hebelelement 60 auf den Torsionskörper 70 realisierbar.
Zusätzlich kann über jede
der beiden Torsionsfedern 78 mindestens eine Zuleitung 80 auf
den Torsionskörper 70 geführt werden.
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3A und 3B zeigen
Querschnitte zum Darstellen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils.
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Auch
bei dem mikromechanischen Bauteil 100 sind die Mittelebenen
als Spiegelsymmetrieebenen ausgebildet. 3A zeigt
deshalb nur ein durch die Symmetrieachsen 102 und 104 begrenztes
Viertel eines Querschnitts entlang einer Mittelhöhenebene des mikromechanischen
Bauteils 100.
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Das
mikromechanische Bauteil 100 weist als Stellelement die
Spiegelplatte 66 mit den Torsionsfedern 68 und
dem Torsionskörper 70 auf.
Die Spiegelplatte 66 ist mittels eines nicht weiter beschriebenen Mechanismus
um die Symmetrieachse 104 verstellbar. Zum Drehen der Spiegelplatte 66 um
die Symmetrieachse 102 dient indirekt eine als elektrostatischer
Antrieb ausgebildete Antriebeinrichtung.
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Bei
dem mikromechanischen Bauteil 100 mit einem elektrostatischen
Antrieb sind an den Innenwänden
einer Rahmenhalterung 106 Statorelektroden 108 angeordnet.
Um eine möglichst
große
Anzahl von Statorelektroden 108 zu gewährleisten, weist die Rahmenhalterung 106 Querbalken 109 auf, welche
in das Innere der Rahmenhalterung 106 hineinragen und ebenfalls
Statorelektroden 108 aufweisen.
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Zusätzlich umfasst
das mikromechanische Bauteil 100 aus mehreren Balken zusammengesetzte
Hebelelemente 110, welche mit Aktorelektroden 112 ausgestattet
sind. Die Aktorelektroden 112 sind benachbart zu den Statorelektroden 108 angeordnet, wobei
die Aktorelektroden 112 in einer ersten Ebene und die Statorelektroden 108 in
einer darüber und/oder
darunter liegenden zweiten Ebene angeordnet sind. Mittels der Zuleitungen 114,
welche über die
Torsionsfedern 116 von der Rahmenhalterung 106 zu
den Hebelelementen 110 geführt werden, kann eine Spannung
zwischen den Statorelektroden 108 und den Aktorelektroden 112 angelegt
werden.
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Die
parallel zur Symmetrieachse 102 verlaufenden Torsionsfedern 116 verbinden
die Hebelelemente 110 mit der Rahmenhalterung 106.
Die Biegesteifigkeit der Torsionsfedern 116 ist dabei so
gewählt,
dass die Hebelelemente 110 um eine durch die zugehörigen Torsionsfedern 116 verlaufende
Hebelachse 118 drehbar sind. Wird eine Spannung zwischen
den Statorelektroden 108 und den Aktorelektroden 112 angelegt,
so wirkt ein Drehmoment in Richtung der Statorelektroden 108 auf
ein Hebelelement 110, welches das Hebelelement 110 um
seine Hebelachse 118 dreht.
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Der
Torsionskörper 70 ist,
wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform, über die
Torsionsfedern 78 mit dem Rahmengehäuse 106 verbunden. Zusätzlich verbinden
die Federn 76 die Stegelemente 74 mit den Hebelelementen 110.
Vorzugsweise sind die Federn 76 als Scharnier-Torsionsfedern
ausgebildet. Insbesondere können
die Federn 76 einschenklige Scharnier-Torsionsfedern mit
einer reduzierten Federsteifigkeit sein. Der Abstand d1 zwischen
den Hebelachsen 118 und den Federn 76 ist dabei
deutlich größer als
der Abstand d2 zwischen der Symmetrieachse 102 und den
Federn 76.
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An
dem Torsionsköper 70 selbst
sind keine Aktorelektroden 112 angebracht. Stattdessen
dienen die Hebelelemente 110 als Anbringelemente für die Aktorelektroden 112.
Damit führt
eine Steigerung der Anzahl der Aktorelektroden 112 zum
Steigern der Aktorelektroden-Gesamtfläche nicht zu einer Vergrößerung des
Torsionskörpers 70.
Auf diese Weise lasst sich die erzeugbare elektrostatische Kraft
zum Verstellen der Spiegelplatte 66 maximieren und gleichzeitig
die maximale Ausdehnung des Torsionskörpers 70 minimieren.
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Für die Stromversorgung
des Mechanismus zum Verstellen der Spiegelplatte 66 um
die Symmetrieachse 104 und/oder eines Sensors zum Ermitteln einer
Stellung der Spiegelplatte 66 können weitere Zuleitungen 119 über die
Federn 76 und/oder über die
Torsionsfedern 78 geführt
werden. Die Zuleitungen 119 können dabei als Ergänzungen
zu den über die
Torsionsfedern 116 geführten
Zuleitungen 114 dienen. Beispielsweise sind über die
zwei als Scharnier-Torsionsfedern ausgeführten Federn 76 eines
jeden Hebelelements 110 vier elektrische Zuleitungen 119 realisierbar.
Auch über
jede der Torsionsfedern 78 kann mindestens eine Zuleitung 119 gelegt
werden. Über
die Zuleitungen 119 können
auch Signale zwischen einer extern Steuer- und Auswerteeinrichtung,
dem Mechanismus und/oder dem Sensor weitergeleitet werden.
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3B zeigt
einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der 3A.
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In 3B sind
die mittels der Torsionsfedern 116 an der Rahmenhalterung 106 befestigten
Hebelelemente 110a und 110b aus ihren Ausgangspositionen
verstellt. Das erste Hebelelement 110a ist dabei mittels
des elektrostatischen Antriebs um einen ersten Verstellwinkel α1 in eine
Drehrichtung 120a verstellt. Entsprechend ist auch das
zweite Hebelelement 110b in eine der ersten Drehrichtung 120a entgegen
gerichtete zweite Drehrichtung 120b um den ersten Verstellwinkel α1 gedreht.
Der maximale erste Verstellwinkel α1 der Hebelelemente 110a und 110b in
die Drehrichtungen 120a oder 120b sind durch die Schichtdicke
der Aktorelektroden 112 und der Statorelektroden 108 bestimmt.
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Das
gegenseitige Verstellen der Hebelelemente 110a und 110b bewirkt
ein Torsionsmoment 122 auf den Torsionsköper 70.
Die an dem Torsionskörper 70 befestigte
Spiegelplatte 66 wird somit zusammen mit dem Torsionskörper 70 um
die senkrecht durch die Zeichenebene verlaufende Symmetrieachse 102 gedreht.
Dies bewirkt ein Verstellen der Spiegelplatte 66 um einen
zweiten Verstellwinkel α2.
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Für die Abstände d1 und
d2 und die Verstellwinkel α1
und α2 gilt
die oben angegebene Gleichung (GL1). Da der Abstand d1 signifikant
größer als
der Abstand d2 ist, bewirkt ein Drehen der Hebelelemente 110a und 110b um
den vergleichsweise kleinen Verstellwinkel α1 ein Verstellen der Spiegelplatte 66 um
einen relativ großen
Verstellwinkel α2. Die
Hebelelemente 110a und 110b können beispielsweise eine Länge von
1 mm aufweisen. Der Abstand d1 beträgt damit 1 mm. Demgegenüber weist
die Spiegelplatte 66 vorzugsweise einen Durchmesser 1 bis
2 mm auf. Dies bewirkt einen Abstand d2 von etwa 200 μm. Bei diesen
Werten für
die Abstände
d1 und d2 bewirkt ein Verstellen der Hebelelemente 110a und 110b um
einen ersten Verstellwinkel α1
= 2,9° eine
Drehung der Spiegelplatte 66 um einen zweiten Verstellwinkel α2 = 14°. Damit bietet
auch das mikromechanische Bauteil 100 eine einfach ausführbare Möglichkeit
zum Steigern eines maximalen Verstellwinkels α2 der Spiegelplatte 66.
Das auf die Spiegelplatte 66 ausgeübte Drehmoment kann über die
Anzahl der auf den Hebelelementen 110a und 110b angeordneten
Aktorelektroden 112 unabhängig von der Länge oder
Breite des Torsionskörpers 70 gesteigert
werden.
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Selbstverständlich ist
auch ein mikromechanisches Bauteil realisierbar, welches nur ein
Hebelelement aufweist. Ein derartiges mikromechanisches Bauteil
besteht beispielsweise aus nur zwei Quadranten der mikromechanischen
Bauteile 50 oder 100.