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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Zusätzlich betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen
Bauteils. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren
für ein
entsprechendes mikromechanisches Bauteil.
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Stand der Technik
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Für ein verlässliches
Ansteuern eines mikromechanischen Bauteils mit einem verstellbaren
Stellelement, beispielsweise einem Mikrospiegel, ist häufig ein
Ermitteln einer aktuellen Stellung des Stellelements vorteilhaft.
Herkömmlicherweise
wird dazu oft ein Lichtstrahl auf eine reflektierende Oberfläche des Stellelements
gerichtet. Abhängig
von der aktuellen Stellung des Stellelements wird der Lichtstrahl
von der reflektierenden Oberfläche
auf einen anderen ermittelbaren Auftreffpunkt eines Detektionssystems, beispielsweise
einer CCD-Kamera abgelenkt. Ein Ausführen dieses optischen Verfahrens
erfordert jedoch eine geeignete Lichtquelle zum Aussenden des Lichtstrahls
und das Detektionssystem und ist damit relativ teuer und bauraumintensiv.
Zusätzlich
ist das Ausführen
des optischen Verfahrens vergleichsweise umständlich.
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Eine
weitere Möglichkeit
zum Ermitteln der aktuellen Stellung des Stellelements besteht im
Messen einer Kapazität
zwischen einer am Stellelement angebrachten Elektrode und einer,
vorzugsweise fest in dem mikromechanischen Bauteil angeordneten Gegenelektrode.
Bei einer Bewegung des Stellelements ändert sich die Kapazität, sofern
aufgrund der Bewegung der mittlere Abstand zwischen den beiden Elektroden
zu- oder abnimmt und/oder die Stellung der beiden Elektroden zueinander
verändert
wird. Das Stellelement selbst kann dabei bei einer vorteilhaften
Ausführungsform
als Elektrode verwendbar sein. Derartige kapazitive Verfahren werden
in der Inertialsensorik beispielsweise zur Lageerkennung verwendet.
Allerdings erfordert das kapazitive Verfahren eine aufwendige Elektronik,
welche dazu ausgelegt ist, Störsignale
zu eliminieren. Ein Ausführen
des kapazitiven Verfahrens zum Ermitteln der aktuellen Stellung
des Stellelements ist aufgrund der Entstörung relativ teuer.
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Als
Alternative oder als Ergänzung
zu den beiden in den oberen Absätzen
beschriebenen Verfahren kann auch ein piezoresistives Sensorelement verwendet
werden, um die aktuelle Stellung des Stellelements innerhalb des
mikromechanischen Bauteils zu ermitteln. Herkömmlicherweise wird das piezoresistive
Sensorelement, beispielsweise eine Wheatstone-Brücke oder ein X-Ducer, dabei
auf einer Oberfläche
oder innerhalb eines Volumens eines Federelements, welches das verstellbare
Stellelement mit einer unverstellbaren Halterung des mikromechanischen
Bauteils verbindet, angebracht. Durch das piezoresistive Sensorelement
kann anschließend
ein Strom mit einer bestimmten Stromstärke geleitet werden. Bei einem
Biegen des Federelements verändert
sich der Widerstand des piezoresistiven Sensorelements. Diese Änderung
des Widerstands lässt
sich ermitteln und anschließend
bezüglich
einer wahrscheinlichen aktuellen Stellung des Stellelements auswerten.
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Vorzugsweise
sollte ein Federelement, welches ein Stellelement mit einer ortsfesten
Halterung eines mikromechanischen Bauteils verbindet, so ausgebildet
sein, dass es eine vergleichsweise geringe Biegesteifigkeit aufweist.
Das Anbringen einer Wheatstone-Brücke auf der Oberfläche oder
innerhalb des Volumens des Federelements sowie das Anordnung von
Leitungselementen zum Leiten des Stroms durch die Wheatstone-Brücke erhöht jedoch die
Biegesteifigkeit des Federelements signifikant.
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Es
ist deshalb wünschenswert, über eine kostengünstige,
einfach ausführbare
und/oder eine Biegesteifigkeit eines Federelements kaum beeinflussende
Möglichkeit
zum Erkennen eines Verstellens eines Stellelements eines mikromechanischen Bauteils
zu verfügen.
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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 12 und ein Herstellungsverfahren
für ein
mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem
Biegen eines Federelements, welches ein verstellbares Stellelement
mit einer ortsfesten Halterung eines mikromechanischen Bauteils
verbindet, eine mechanische Spannung innerhalb eines Verankerungsbereichs
des Stellelements und/oder der Halterung, an welchem ein Ende des
Federelements befestigt ist, erzeugt wird. Man spricht dabei auch
von Scherspannungen, welche innerhalb mindestens eines Verankerungsbereichs
des Federelements auftreten. Der Verankerungsbereich ist damit ein
Festland, an welchem ein Ende des Federelements befestigt ist. Der
Verankerungsbereich weist dabei vorzugsweise eine Biegesteifigkeit
auf, welche deutlich über
der mittleren Biegesteifigkeit des Federelements liegt. Senkrecht
zur Längsrichtung
des Federelements ist der Verankerungsbereich durch eine Ausdehnung
gekennzeich net, welche signifikant über der Ausdehnung des Federelements senkrecht
zur Längsrichtung
des Federelements liegt.
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Der
Verankerungsbereich, an welchem ein Ende des Federelements angebracht
ist, kann auch als Berührungsbereich
des Federelements innerhalb der Halterung und/oder innerhalb des
Stellelements bezeichnet werden. Man spricht bei einem Verankerungsbereich
auch von einem Angriffsbereich, in welchem ein Biegen der Feder
eine mechanische Spannung erzeugt, ohne dass die Form des Angriffsbereichs
signifikant geändert
wird. Der Verankerungsbereich ist ein Bereich der Halterung und/oder
des Stellelements mit einer Ausdehnung, die vorzugsweise unter 500 μm liegt.
Insbesondere kann die Ausdehnung des Verankerungsbereichs kleiner
gleich 100 μm
sein. Die Ausdehnung des Verankerungsbereichs kann beispielsweise
bei 30 μm
liegen.
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Ein
Problem beim Design des elektrostatisch verstellbaren Stellelements
besteht darin, dass die Kräfte
zum Verstellen des Stellelements vergleichsweise gering sein sollen.
Um dies zu erreichen, müssen
Federelemente eine relativ niedrige Biegesteifigkeit aufweisen.
Damit dies gewährleistet
ist, betragen die Ausdehnungen der Federelemente senkrecht zu den
Längsrichtungen
der Federelemente häufig
weniger als 50 μm,
beispielsweise weniger als 10 μm.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Sensor- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, falls eine Änderung
des Widerstands des piezoresistiven Elements festgestellt wird,
festzustellen, dass das Federelement verformt ist und ein entsprechendes
Signal auszugeben. Somit kann auf einfache Weise eine Verformung
des Federelements verlässlich
erkannt werden.
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Vorzugsweise
ist das Stellelement aus einer Ausgangsstellung in mindestens eine
Endstellung drehbar, wobei die Sensor- und Auswerteeinrichtung zusätzlich dazu
ausgelegt ist, anhand der abgegriffenen Spannung einen Verstellwinkel
zwischen der Ausgangsstellung und der mindestens einen Endstellung
zu ermitteln. Dies gewährleistet
ein verlässliches
Ansteuern des mikromechanischen Bauteils zum Verstellen des Stellelements
in eine gewünschte Stellung.
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Das
Stellelement kann kardanisch mittels zweier Federelemente an der
Halterung angeordnet sein. Dies ermöglicht ein Drehen des Stellelements um
eine Achse parallel zur Langsachse der beiden Federelemente. Der
Verstellwinkel kann dabei einen vergleichsweise großen Wert
annehmen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das mindestens eine Federelement eine doppelsträngige Feder.
Doppelsträngige
Federn weisen eine vergleichsweise hohe Steifigkeit gegen ein laterales
Biegen auf. Demgegenüber
ist die Torsionssteifigkeit der doppelsträngigen Federn relativ niedrig.
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Dies
gewährleistet,
dass die doppelsträngige Feder
so verbiegbar ist, wie es für
das gewünschte Verstellen
des Stellelements vorteilhaft ist.
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Dabei
kann die mindestens eine doppelsträngige Feder V-förmig geformt
sein. V-förmige
Federn verursachen bei einer Torsion in ihrem Verankerungsbereich
Scherspannungen, die mindestens 20 μm weit in das Festland reichen.
Beispielsweise reichen die Scherspannungen an die 100 μm in das Festland.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils umfasst
das piezoresistive Element X-Ducer, der aus einem Element besteht, über dem
eine elektrische Spannung beim Auftreten mechanischer Scherspannungen
erfasst wird. Vorzugsweise umfasst der erste Verankerungsbereich und/oder
der zweite Verankerungsbereich einen äußeren Bereich mit einer Dotierung
von einem ersten Dotierungstyp, wobei in dem äußeren Bereich ein innerer Bereich
angeordnet ist, welcher eine Dotierung von einem von dem ersten
Dotierungstyp abweichenden zweiten Dotierungstyp aufweist.
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Bei
einem alternativen piezoresistiven Element in Form einer Wheatstone-Brücke, welche
auf einer Oberfläche
eines Verankerungsbereichs oder innerhalb eines Volumens des Verankerungsbereichs
angeordnet ist, bewirkt eine mechanische Spannung eine Widerstandsänderung. Über ein
Abgreifen der Spannung ist es damit möglich, die Widerstandsänderung
des piezoresistiven Sensorelements nachzuweisen.
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Während eine
Wheatstone-Brücke
eine Mindestbreite von 50 μm
und eine Mindestlänge
von 150 μm
erfordert, ist das in dem oberen Absatz piezoresistive Sensorelement
in Form eines X-Ducers auch dazu geeignet, auf einer Oberfläche und/oder
innerhalb eines Volumens eines Verankerungsbereichs mit einer Ausdehnung
von etwa 20 μm × 20 μm angeordnet
zu werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der erste Verankerungsbereich und/oder der zweite Verankerungsbereich
einen äußeren Bereich
mit einer Dotierung von einem ersten Dotierungstyp auf, wobei in
dem äußeren Bereich
ein innerer Bereich angeordnet ist, welcher eine Dotierung von einem von
dem ersten Dotierungstyp abweichenden zweiten Dotierungstyp aufweist.
Der äußere Bereich deckt
vorzugsweise eine Fläche
ab, die kleiner als 100 μm × 100 μm ist. Insbesondere
deckt der äußere Bereich
eine Fläche
von etwa 20 μm × 20 μm ab. Die hier
beschriebene Ausführungsform
ist damit auch für
mikromechanische Bauteile geeignet, bei welchem die Verankerungsbereiche,
innerhalb welcher bei einem Biegen eines Federelements mechanische Spannungen
auftreten, zu klein sind, um eine Wheatstone-Brücke zu implementieren. Da das
hier beschriebene piezoresistive Sensorelement ein vergleichsweise
kleines Anbringvolumen benötigt,
ist es geeignet, innerhalb eines kleinen Veranke rungsbereichs die
beim Biegen des mindestens einen Federelements auftretende mechanische
Spannung zu detektieren.
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Die
in den oberen Absätzen
beschriebenen Vorteile sind auch bei einem derartigen Verfahren zum
Betreiben eines mikromechanischen Bauteils und bei einem entsprechenden
Herstellungsverfahren für
ein mikromechanisches Bauteil gewährleistet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der
Figuren erläutert. Es
zeigen:
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1 und 2 eine
Draufsicht und eine Seitenansicht auf eine Oberseite eines Stellelements zum
Darstellen einer Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils; und
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3 einen
vergrößerten Ausschnitt
der 1.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 und 2 zeigen
eine Draufsicht und eine Seitenansicht auf eine Oberseite eines
Stellelements zum Darstellen einer Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils.
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Das
Stellelement 10 umfasst eine Spiegelplatte 12 und
zwei an gegenüberliegenden
Seiten der Spiegelplatte 12 angeordnete Stegelemente 14,
welche in y-Richtung von der Spiegelplatte 12 abstehen. An
jedem von der Spiegelplatte 12 abgewandten Ende eines Stegelements 14 ist
ein Federelement 16 befestigt. Beispielsweise ist das Federelement 16 eine
doppelsträngige
Feder, insbesondere eine V-förmige Feder.
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Mittels
der beiden Federelemente 16 ist das Stellelement 10 an
einer (nicht dargestellten) Halterung des mikromechanischen Bauteils
befestigt. Vorzugsweise ist das Stellelement 10 einstückig ausgebildet.
Die beiden Federelemente 16 können ebenfalls einstückig mit
dem Stellelement 10 ausgebildet sein. Beispielsweise werden
das Stellelement 10 und die beiden Federelemente 16 aus
einer Halbleiterplatte oder aus einer Platte eines leitfähigen Materials
hergestellt. Dies kann beispielsweise durch ein Ätzen der Halbleiterplatte oder
der Platte aus leitfähigem
Material erfolgen. Des Weiteren können die Federelemente 16 einstückig mit
zumindest einem Teil der Halterung ausgebildet sein.
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Das
mikromechanische Bauteil weist einen (nicht skizzierten) Antrieb,
wie beispielsweise einen elektrostatischen Antrieb oder einen magnetischen Antrieb,
auf. Der Antrieb ist dazu ausgelegt, das Stellelement 10 gegenüber der
Halterung zu verstellen, wobei das Verstellen ein Biegen zumindest
eines der beiden Federelemente 16, beispielsweise eine
Torsion und/oder ein Verdrillen der beiden Federelemente 16,
bewirkt. Beispielsweise können
die Stegelemente 14 als Antriebskämme ausgebildet sein, wobei
Elektroden an den Stegelementen 14 angeordnet sind.
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1 zeigt
das Stellelement 10 in einer Ausgangsstellung, in welcher
die Spiegelplatte 12 parallel zur xy-Ebene liegt. Demgegenüber ist
die Spiegelplatte 12 in 2 durch
den Antrieb um einen Verstellwinkel α aus der xy-Ebene verstellt.
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Um
ein gutes Verstellen der Spiegelplatte 12 innerhalb eines
großen
Wertebereichs des Verstellwinkels α zu ermöglichen, sind die beiden Federelemente 16 so
ausgebildet, dass sie eine hohe Biegesteifigkeit in y-Richtung aufweisen,
jedoch eine vergleichsweise geringe Torsionssteifigkeit. Vorzugsweise
sind dazu die beiden Untereinheiten der V-förmigen Federelemente 16 so
geformt, dass eine maximale Breite d1 der Federelemente 16 deutlich
geringer als eine maximale Breite d2 der Stegelemente 14 ist.
Beispielsweise haben die Federelemente 16 eine maximale
Breite d1 von ca. 5 μm.
Die Torsionssteifigkeit der Federelemente 16 liegt damit
deutlich unter der Torsionssteifigkeit der Stegelemente 14.
Vorzugsweise ist das Verhältnis
zwischen der Torsionssteifigkeit der Federelemente 16 und
der Torsionssteifigkeit der Stegelemente 14 so gewählt, dass
die Stegelemente 14 bei einem Verstellen der Spiegelplatte 12 kaum
gebogen werden.
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3 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt der 1.
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Der
Bereich des gezeigten Stegelements 14, an welchem das Federelement 16 befestigt
ist, kann als Verankerungsbereich 20 des Federelements 16 an
dem Stegelement 14 bezeichnet werden, da eine Biegung des
Federelements 16, insbesondere eine Torsion einer V-förmigen Feder,
eine mechanische Spannung innerhalb des Verankerungsbereichs 20 bewirkt.
Dabei reicht auch eine maximale Breite d1 der Federelemente 16 von
etwa 5 μm
aus, um nachweisbare mechanische Spannungen innerhalb des Verankerungsbereichs 20 zu
erzeugen.
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Der
Verankerungsbereich 20 kann auch als Berührungsbereich
oder als Angriffsbereich des Federelements 16 an dem Stegelement 14 bezeichnet werden.
Vorzugsweise weist der Verankerungsbereich 20 eine Ausdehnung
auf, welche unter 500 μm liegt.
Die Ausdehnung des Verankerungsbereichs 20 ist beispielsweise
kleiner als 100 μm,
insbesondere kleiner als 50 μm.
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Vorzugsweise
ist der Verankerungsbereich 20 monokristallin ausgebildet,
so dass als piezoresistives Element ein X-Ducer 22 auf
einer Oberfläche des
Verankerungsbereichs 20 und/oder innerhalb eines Volumens
des Verankerungsbereichs 20 implementierbar ist. Der X-Ducer 22,
welcher auch als x-Ducer
bezeichenbar ist, hat einen inneren Bereich (Kern) 24 aus
einem Material von einem ersten Dotierungstyp, beispielsweise aus
einem p-dotierten Material. Der den inneren Bereich 24 umgebende äußere Bereich 26 umfasst
ein Material von einem zweiten, anderen Dotierungstyp. Ist der innere
Bereich 24 p-dotiert, so ist der äußere Bereich 26 n-dotiert.
Das Dotieren der Bereiche 24 und 26 ist leicht ausführbar. Der
X-Ducer 22 ist somit mittels eines einfach ausführbaren
Verfahrens herstellbar.
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An
dem X-Ducer 22 sind (nicht skizzierte) Kontakte und Zuleitungen
angebracht, mit welchen ein Stromfluss mit einer gewünschten
Stromstärke
I durch die Bereiche 24 und 26 leitbar ist und
eine elektrische Spannung U abgreifbar ist. Die Bereiche 24 und 26 und
die Kontakte nehmen zusammen eine Fläche von ca. 20 μm × 20 μm ein.
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Bei
einem Biegen der Federelemente 16 zum Verstellen der Spiegelplatte 12 gegenüber der festen
Halterung des mikromechanischen Bauteils 10 tritt eine
mechanische Spannung innerhalb des Verankerungsbereichs 20 auf,
welche sich über
eine Widerstandsänderung
am X-Ducer 22 nachweisen lässt. Somit kann eine (nicht
dargestellte) Sensor- und Auswerteeinrichtung durch Auswerten der
an dem X-Ducer 22 abgegriffenen
elektrischen Spannung U ein Biegen des Federelements 16 erkennen. Vorzugsweise
ist die Sensor- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, anhand der
abgegriffenen elektrischen Spannung U eine aktuelle Stellung der
Spiegelplatte 12 zu ermitteln. Damit bietet die gezeigte Ausführungsform
eine kostengünstige
Möglichkeit, um
mittels eines vergleichsweise geringen Aufwands die aktuelle Stellung
der Spiegelplatte 12 innerhalb des mikromechanischen Bauteils
zu ermitteln.
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Der
hier beschriebene X-Ducer 22 weist damit den Vorteil auf,
dass er sich leicht in das Volumen des Angriffsbereichs 20 implementieren
lässt.
Die vergleichsweise kleinen Ausdehnungen des Angriffsbereichs 20 stellen
dabei kein Hindernis für
das Anbringen des X-Ducers 22 dar. Bei einem Anbringen des
X-Ducers 22 als piezoresistives Element auf der Oberfläche und/oder
innerhalb des Volumens des Angriffsbereichs 20 müssen keine
Leiterbahnen über die
Federelemente 16 geführt
werden. Beispielsweise verlaufen die Kontaktelemente und die Zuleitungen
lediglich über
das Stellelement 10.
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Damit
wird verhindert, dass die metallischen Leiterbahnen, welche herkömmlicherweise
bei einem auf einer Oberfläche
eines Federelements 16 oder in einem Volumen des Federelements 16 angeordneten piezoresistiven
Element über
das Federelement 16 geführt
werden, eine Dämpfung
des Federelements 16 bewirken. Damit entfallen auch die
Nachteile einer aufgrund der Dämpfung
auftretenden Hysterese und/oder Nichtlinearität, welche häufig bei einem auf der Oberfläche des
Federelements 16 oder in einem Volumen des Federelements 16 angeordneten
piezoresistiven Element auftreten.
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In
den oberen Absätzen
wird die vorliegende Erfindung anhand eines als Spiegelplatte 12 ausgebildeten
Stellelements 10 beschrieben. Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung auch auf mikromechanische Bauteile mit
anderen verstellbaren Stellelementen ausführbar. Ebenso kann anstelle des
X-Ducers 22 dabei
ein anderes piezoresistives Element in Form einer Wheatstonebrücke verwendet werden.