DE102008001663A1

DE102008001663A1 - Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102008001663A1
Application number: DE102008001663A
Authority: DE
Inventors: Joerg Muchow
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: DE102008001663B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil (70) mit einem Grundsubstrat (12); einem gegenüber dem Grundsubstrat (12) verstellbaren Stellelement (14) und einer Federeinrichtung (38, 72) mit einer ersten Untereinheit mit einer ersten Eigenspannung und einer zweiten Untereinheit mit einer von der ersten Eigenspannung abweichenden zweiten Eigenspannung; wobei das Stellelement (14) über die Federeinrichtung (38, 72) mit dem Grundsubstrat (12) verbunden ist und über ein Biegen der Federeinrichtung (38, 72) aufgrund der verschiedenen Eigenspannungen der ersten Untereinheit und der zweiten Untereinheit gegenüber dem Grundsubstrat (12) verstellbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil (70).

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein derartiges mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Beispiele für einen elektrostatischen Antrieb mit zwei Kammelektroden bekannt. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Kammelektroden kann die drehbar angeordnete Aktor-Kammelektrode gegenüber der fest montierten Stator-Kammelektrode um eine vorgegebene Drehachse gedreht werden. Über das Drehen der Aktor-Kammelektrode kann ein angekoppeltes Stellelement, beispielsweise ein Mikrospiegel, verstellt werden. Dabei ist bekannt, dass das auf die Aktor-Kammelektrode ausgeübte Drehmoment bei gleichbleibender Spannung mit Zunahme des maximalen Abstands der Elektrodenfinger von der Drehachse zunimmt.
Die US 2005/0117235 A1 , die US 2004/0263938 A1 und die US 6,806,992 B2 beschreiben Mikrospiegel, bei welchen die Aktor-Elektrodenfinger zumindest teilweise an den Außenseiten eines Rahmens mit einer daran gekoppelten Spiegelplatte befestigt sind. Die zugehörigen Stator-Elektrodenfinger liegen in einer zur Ebene der Aktor-Elektrodenfinger benachbarten Ebene. Allerdings erfordert das Anordnen der Aktor-Elektrodenfinger und der in einer benachbarten Ebene darüber und/oder darunter liegenden Stator-Elektrodenfinger einen Justageprozess, der kaum zufriedenstellend zu realisieren ist.
Ein weiteres Problem herkömmlicher Mikrospiegel ist die Reflexion des einfallenden Lichtstrahls am Lichteinfallfenster. Dabei wird häufig ein Teil des Lichts von dem Lichteinfallfenster auf die Bildebene des mittels der Spiegelplatte ausgelenkten Lichtstrahls reflektiert. Dies führt zu häufig als störend empfundenen Lichtpunkten auf der Bildebene.
Die EP 1 688 776 A1 beschreibt deshalb ein Gehäuse für einen Mikrospiegel mit einem geneigten Abdeckglas. Die Herstellung eines derartigen Mikrospiegels erfordert jedoch einen vergleichsweise hohen Aufwand und ist damit relativ teuer. Zusätzlich ist die Verpackung des Mikrospiegel-Gehäuses mit dem geneigten Deckglas relativ aufwendig.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Stellelement, welches über eine Federeinrichtung an einem Grundsubstrat befestigt ist, ohne eine Fremdkrafteinwirkung in einer bevorzugten Ausgangsstellung justierbar ist, indem die Federeinrichtung aus mindestens zwei Untereinheiten mit verschiedenen Eigenspannungen so ausgebildet wird, dass ein nach oder gleichzeitig mit der Herstellung des mikromechanischen Bauteils ausgeführtes Biegen der Federeinrichtung aufgrund der verschiedenen Eigenspannungen das Stellelement in die bevorzugten Ausgangsstellung überführt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Stellelement über das Biegen der Federeinrichtung aufgrund der verschiedenen Eigenspannungen der ersten Untereinheit und der zweiten Untereinheit in eine Ausgangstellung verstellbar, in welcher es um einen Ausgangs-Neigungswinkel ungleich 0° und ungleich 180° zu dem Grundsubstrat geneigt angeordnet ist. Auf diese Weise lässt sich das Stellelement in einen gewünschten Neigungswinkel zu dem Grundsubstrat und/oder einem fest daran angeordneten Lichteinfallfenster verstellen, ohne dass dazu eine weitere aufwendige Justage ausgeführt werden muss. Beispielsweise kann der Ausgangs-Neigungswinkel dabei so gewählt sein, dass ein an dem Lichteinfallfenster reflektierter Lichtstrahl nicht auf eine Bildebene des als Mikrospiegel ausgebildeten mikromechanischen Bauteils fällt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit einem elektrostatischen und/oder magnetischen Antrieb ist der elektrostatische und/oder magnetische Antrieb dazu ausgelegt, einer Federkraft der Federeinrichtung entgegen zu wirken und das Stellelement bezüglich des Grundsubstrats aus der Ausgangsstellung in mindestens eine Endstellung zu verstellen. Beispielsweise umfasst der elektrostatische und/oder magnetische Antrieb eine fest an dem Grundsubstrat angeordnete Stator-Elektrodeneinheit und eine mittels der Federeinrichtung verstellbar mit dem Grundsubstrat verbundene Aktor-Elektrodeneinheit. Vorzugsweise kann die Aktor-Elektrodeneinheit an das Stellelement gekoppelt sein. Die Justage der zwei Elektrodeneinheiten zueinander entfällt in diesem Fall. Beispielsweise wird mindestens eine der beiden Elektrodeneinheiten aus einer Elektroden-Material-Schicht hergestellt und anschließend mittels der mindestens einen Federeinrichtungen um eine Drehachse aus der Ebene der Elektroden-Material-Schicht herausgedreht. Auf diese Weise lässt sich die herausgedrehte Elektrodeneinheit leicht in einen bestimmten Neigungswinkel zu der anderen Elektrodeneinheit anordnen.
Insbesondere können die Aktor-Elektrodeneinheit und das Stellelement an einem Rahmen angeordnet sein. Der gesamte Rahmen des mikromechanischen Bauteils kann über die mindestens eine Federeinrichtung um eine Drehachse gedreht werden. Die Auslenkung des Rahmens bestimmt die Auslenkung des Spiegels mittels des quasi statisch betriebenen elektrostatischen Antriebs. Der Rahmen wird so weit ausgelenkt, dass der Auslenkwinkel oberhalb eines für eine gute Bildqualität erforderlichen optischen Winkels von 15° liegt. Der Auslenkwinkel des Rahmens ist somit immer größer als Null. Dadurch, dass der Rahmen immer Winkel größer Null aufweist, wird der Reflex an der Glasscheibe aus dem Bild geschoben. Die mindestens eine Federeinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass sie ein Verstellen des Stellelements durch Betreiben des elektrostatischen und/oder magnetischen Antriebs erlaubt.
Zusätzlich zu der Vermeidung des Reflexes an der Glasoberfläche bietet das Ausbilden des Stellelements und der Aktor-Elektrodeneinheit an dem Rahmen eine ausreichende Biegesteifigkeit, um Beschleunigungen bis zu 2500 g auszuhalten. Die In-Plane-Steifigkeit des elektrostatischen Antriebs ist somit ausreichend, um ein Pull-in zu vermeiden.
Außerdem wird durch den vergleichsweise großen Abstand der Elektrodeneinheiten von der Drehachse auch bei einer kleinen angelegten Spannung ein vergleichsweise großes Drehmoment erzielt. Der elektrostatische Antrieb ist somit mit einer Betriebsspannung unter 80 Volt leicht betreibbar. Damit ist es möglich, die elektronische Regelung in BCD-Technologie zu realisieren.
Durch eine geneigte Anordnung der beiden Elektrodeneinheiten zueinander wird eine vergleichsweise geringe Gesamtfläche für die beiden Elektrodeneinheiten, das Stellelement und die beiden Federeinrichtungen benötigt. Somit ist ein Scanner realisierbar, dessen Fläche kleiner als 4 × 6 mm ist.
Beispielsweise sind die erste Eigenspannung der ersten Untereinheit und/oder die zweite Eigenspannung der zweiten Untereinheit eine extrinsische Eigenspannung und/oder eine intrinsische Eigenspannung.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Federeinrichtung eine erste Feder und eine zweite Feder, welche zweischenklig zueinander angeordnet sind, wobei die Federeinrichtung so gebogen ist, dass die erste Feder eine Wölbung auf einer dem Grundsubstrat zugewandten Unterseite der ersten Feder aufweist und die zweite Feder eine Wölbung auf einer von dem Grundsubstrat abgewandten Oberseite der zweiten Feder aufweist. Das bringt der Vorteil einer Drehung um die Mittenachse.
Beispielsweise ist eine Beschichtung der Unterseite der ersten Feder mit einem Material mit einer Druckspannung und/oder eine Beschichtung der Oberseite der zweite Feder mit einem Material mit einer Druckspannung vorgesehen. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann eine Beschichtung einer Oberseite der ersten Feder mit einem Material mit einer Zugspannung und/oder eine Beschichtung einer Unterseite der zweiten Feder mit einem Material mit einer Zugspannung vorgesehen werden.
Vorzugsweise ist das Stellelement mittels zweier Federeinrichtungen aufgehängt. Die beiden Federeinrichtungen gewährleisten eine hohe Biegesteifigkeit bei gleichzeitig geringer Torsionssteifigkeit. Somit ist gewährleistet, dass sich das Stellelement bei Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektrodeneinheiten auf einer gewünschten Verstellbahn bewegt.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen Merkmale sind als Bauteil durch ein entsprechendes mikromechanisches Herstellungsverfahren realisierbar. Durch die Strukturierung der Kämme in einer Ebene ist keine Justage von Wafern mit einer Genauigkeit von unter 10 μm notwendig. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil ist somit in Großserie fertigbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1A bis 1C eine Draufsicht, einen Querschnitt und eine Seitenansicht zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
2 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3A und 3B Draufsichten zum Darstellen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
4A bis 4D dreidimensionale Ansichten der prinzipiellen Struktur einer weiteren Ausführungsform;
5 einen Querschnitt durch ein vollständiges Gesamtsystem;
6A bis 6N Querschnitte durch ein Substrat zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens; und
7 eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Elektrodeneinheit des mikromechanischen Bauteils.
Ausführungsformen der Erfindung
1A bis 1C zeigen eine Draufsicht, einen Querschnitt und eine Seitenansicht zum Darstellen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 1A in Draufsicht dargestellte mikromechanische Bauteil 10 weist als Stellelement eine gegenüber einem Grundsubstrat 12 verstellbare Spiegelplatte 14 auf. Anstelle der Spiegelplatte 14 kann das mikromechanische Bauteil 10 jedoch auch ein anderes Stellelement aufweisen. Vorzugsweise ist eine Oberseite der Spiegelplatte 14 mit einer reflektierenden Schicht zumindest teilweise abgedeckt. Die Spiegelplatte 14 ist mittels zweier Torsionsfedern 16 mit einem inneren Rahmen 18 verbunden. Die beiden Torsionsfedern 16 sind an zwei entgegen gerichteten Seiten der Spiegelplatte 14 befestigt. Die Mittellängsachsen der beiden Torsionsfedern 16 liegen auf einer ersten Drehachse 20, um welche die Spiegelplatte 14 mittels eines hier nicht beschriebenen Mechanismus verstellbar ist.
Der innere Rahmen 18 ist fest mit einem äußeren Rahmen 22 verbunden. Innerhalb des äußeren Rahmens 22 ist eine Vielzahl von Aktor-Elektrodenfingern 24 ausgebildet. Die Aktor-Elektrodenfinger 24 sind parallel zueinander ausgerichtet. Zusätzlich verlaufen die Aktor-Elektrodenfinger 24 parallel zur ersten Drehachse 20. Vorzugsweise sind die Aktor-Elektrodenfinger 24 äquidistant zueinander angeordnet.
Die Aktor-Elektrodenfinger 24 sind beidseitig eingespannt. Dabei sind die Aktor-Elektrodenfinger 24 mit einem ersten Ende an einem Befestigungssteg 18a des inneren Rahmens 18 oder an einem Befestigungssteg 22a des äußeren Rahmens 22 befestigt. Auch das dem ersten Ende entgegen gerichtete zweite Ende der Elektrodenfinger 24 ist fest an einem der Befestigungsstege 18a oder 22a angeordnet. Vorzugsweise verlaufen die Befestigungsstege 18a und/oder 22a senkrecht zu der ersten Drehachse 20. Zur Erhöhung der Stabilität der Rahmen 18 und 22 sind an den Enden der beiden Befestigungsstege 18a und 22a Stützstege 18b und 22b angebracht. Die Breite der Stützstege 18b und 22b kann deutlich größer sein als die Breite der Aktor-Elektrodenfinger 24.
Jedem der Aktor-Elektrodenfinger 24 ist ein Stator-Elektrodenfinger 26 zugeordnet. Die Stator-Elektrodenfinger 26 und die Aktor-Elektrodenfinger 24 sind so ausgelegt, dass eine Spannung ungleich Null zwischen den Elektrodenfingern 24 und 26 anlegbar ist. Liegt eine Spannung ungleich Null zwischen den Elektrodenfingern 24 und 26 an, so werden die Aktor-Elektrodenfinger 24 um eine zweite Drehachse 28 in Richtung der Stator-Elektrodenfinger 26 gedreht. Über diese Verstellbewegung der Aktor-Elektrodenfinger 26 ist die Stellung der Spiegelplatte 14 gegenüber dem Grundsubstrat 12 veränderbar. Die Stator-Elektrodenfinger 26 sind fest auf dem Grundsubstrat 12 angeordnet, so dass eine Verstellbewegung der Aktor-Elektrodenfinger 24 die Stellung der Stator-Elektrodenfinger 26 zu dem Grundsubstrat 12 nicht verändert.
Bei dem dargestellten mikromechanischen Bauteil 10 ist die zweite Drehachse 28 senkrecht zu der ersten Drehachse 20 ausgerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die zweite Drehachse 28 mittig zu den Aktor-Elektrodenfingern 24. In diesem Fall liegt mindestens ein Mittelpunkt einer Mittellängsachse der Aktor-Elektrodenfinger 24 auf der zweiten Drehachse 28.
1B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der 1A. Die Linie A-A' verläuft dabei parallel zu der ersten Drehachse 20 und senkrecht zu der zweiten Drehachse 28.
Bei dem dargestellten Beispiel der 1B liegt keine Spannung zwischen den Aktor-Elektrodenfingern 24 und den Stator-Elektrodenfingern 26 an. Die Aktor-Elektrodenfinger 24 befinden sich deshalb in ihrer Ausgangsstellung zu dem Grundsubstrat 12. In der Ausgangsstellung sind die Aktor-Elektrodenfinger 24 um einen Ausgangs-Neigungswinkel α geneigt zu dem Stator-Elektrodenfinger 26 angeordnet. Der Winkel zwischen den Mittellängsachsen der Aktor-Elektrodenfinger 24 und der Stator-Elektrodenfinger 26 ist damit gleich dem Ausgangs-Neigungswinkel α.
Bei der Herstellung des mikromechanischen Bauteils 10 werden die Spiegelplatte 14, die Torsionsfedern 16, die Rahmen 18 und 22 und die Elektrodenfinger 24 und 26 vorzugsweise aus einer auf das Grundsubstrat 12 aufgebrachten Elektroden-Material-Schicht hergestellt. Anschließend oder gleichzeitig werden die einstückig ausgebildeten Komponenten 14, 16, 18, 22 und 24 um den Ausgangs-Neigungswinkel α gegenüber den Längsachsen der Stator-Elektrodenfinger 26 und dem Grundsubstrat 12 verstellt. Auf eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für das mikromechanische Bauteil 10 wird unten noch genauer eingegangen.
Wird eine Spannung ungleich Null zwischen den Elektrodenfingern 24 und 26 angelegt, so werden die Aktor-Elektrodenfinger 24 in eine Drehrichtung 30 gedreht. Die Drehrichtung 30 ist dabei durch die Lage der Stator-Elektrodenfinger 26 zu den Aktor-Elektrodenfingern 24 festgelegt. Durch die Drehbewegung werden die Aktor-Elektrodenfinger 24 aus ihrer Ausgangsstellung in eine Stellung verstellt, in welcher sie einen Neigungswinkel zu den Stator-Elektrodenfingern 26 aufweisen, welcher kleiner als der Ausgangs-Neigungswinkel α ist. Befinden sich die Aktor-Elektrodenfinger 24 in einer Stellung parallel zu den Stator-Elektrodenfingern 26, so ist der maximale Verstellwinkel erreicht. Ein Weiterverstellen der Aktor-Elektrodenfinger 24 aus dieser Stellung ist nicht mehr möglich. Damit definiert der Ausgangs-Neigungswinkel α den maximalen Verstellwinkel der Aktor-Elektrodenfinger 24, bzw. der Spiegelplatte 14.
Die Stator-Elektrodenfinger 26 sind jeweils an einem Ende über ein erstes Befestigungsteil 32 fest mit dem Grundsubstrat 12 verbunden. Das andere Ende der Stator-Elektrodenfinger 26 kann, beispielsweise über ein zweites Befestigungsteil 34, an einer Deckplatte 36 fest angeordnet sein. Als Alternative dazu können auch beide Enden der Stator-Elektrodenfinger 26 mittels der Befestigungsteile 32 und 34 an dem Grundsubstrat 12 befestigt sein. Somit ist gewährleistet, dass die Stator-Elektrodenfinger 26 auch bei Anlegen einer relativ hohen Spannung zwischen den Aktor-Elektrodenfingern 24 und den Stator-Elektrodenfingern 26 kaum aus ihrer Stellung zu dem Grundsubstrat 12 verstellt werden.
Vorzugsweise ist das mikromechanische Bauteil 10 so ausgebildet, dass bereits das Anlegen einer vergleichsweise geringen Spannung an die Elektrodenfinger 24 und 26 ein relativ hohes Drehmoment zum Verstellen der Spiegelplatte 14 bewirkt. Um bei Beibehaltung einer vorgegebenen Spannung das Drehmoment zu steigern, ist es vorteilhaft, die Elektrodenfinger 24 und 26 so lang wie möglich auszubilden.
Allerdings werden einseitig eingespannte Elektrodenfinger mit zunehmender Länge labiler. Herkömmlicherweise ist die Länge von einseitig eingespannten Elektrodenfingern deshalb durch das Risiko von auftretenden Schwingungen der Elektrodenfinger begrenzt. Die Auslenkung eines einseitig eingespannten Elektrodenfingers bei einer gleichmäßigen Flächen- oder Massenlast wächst mit der vierten Potenz zur Länge des Elektrodenfingers. Ein Druck, eine elektrostatische Kraft oder eine Beschleunigung kann deshalb ausreichen, um einen einseitig eingespannten Elektrodenfinger in Schwingungen zu versetzen.
Die beidseitig eingespannten Elektrodenfinger 24 und 26 weisen jedoch gegenüber einem einseitig eingespannten Elektrodenfinger den Vorteil auf, dass sie auch bei einer größeren Länge eine vorteilhafte Biegesteifigkeit aufweisen. Beispielsweise können beidseitig eingespannte Elektrodenfinger 24 und 26 einer vierfach größeren Kraft standhalten als einseitig eingespannte Elektrodenfinger gleicher Länge. Somit ist gewährleistet, dass die beidseitig eingespannten Elektrodenfinger 24 und 26 nicht durch äußere Störungen in Schwingungen versetzt werden.
Je länger die Elektrodenfinger 24 und 26 ausgebildet sind, umso größer ist das bei gleicher anliegender Spannung bewirkte Drehmoment. Die beidseitige Einspannung der Elektrodenfinger 24 und 26 gewährleistet somit den Vorteil, dass zusätzlich zu einem gesteigerten Drehmoment bei Anlegen einer Spannung gleichzeitig eine ausreichende Stabilität der Elektrodenfinger 24 und 26 gewährleistet ist. Die beidseitig eingespannten Elektrodenfinger 24 und 26 können bei gleicher Biegesteifigkeit zehnmal länger ausgebildet werden als einseitig eingespannte Elektrodenfinger. Das erzielbare Drehmoment ist somit um einen Faktor 100 steigerbar. Beispielsweise weisen die Elektrodenfinger 24 und/oder 26 bei einer Höhe von 20 μm und einer Breite von 5 μm eine Länge in einem Bereich zwischen 250 μm und 2 mm auf.
Das mikromechanische Bauteil 10 umfasst zwei Federeinrichtungen 38 (siehe 1A). Jede der beiden Federeinrichtungen 38 ist mit einem ersten Ende 40 mit dem Grundsubstrat 12 verbunden. Das andere Ende 42 der beiden Federeinrichtungen 38 ist an einer Außenfläche des äußeren Rahmens 22 befestigt. Das andere Ende 42 kann dabei auf der zweiten Drehachse 28 liegen. Die beiden Federeinrichtungen 38 halten den äußeren Rahmen 22 mit der Spiegelplatte 14 in seiner Ausgangsstellung bezüglich dem Grundsubstrat 12, sofern keine Spannung zwischen den Elektrodenfingern 24 und 26 anliegt. Vorzugsweise sind die beiden Federeinrichtungen 38 so ausgebildet, dass die Spiegelplatte 14 in ihrer Ausgangsstellung um den Ausgangs-Neigungswinkel α gegenüber dem Grundsubstrats 12 geneigt ist. Auf die Vorteile einer derartigen Anordnung des äußeren Rahmens 22 gegenüber dem Grundsubstrat 12 durch die beiden Federeinrichtungen 38 wird unten noch genauer eingegangen. Des Weiteren sind die beiden Federeinrichtungen 38 so ausgebildet, dass sie bei Anlegen der Spannung zwischen den Elektrodenfingern 24 und 26 zumindest teilweise gebogen werden. Die Biegesteifigkeit von Teilen der Federeinrichtungen 38 erlaubt damit ein Verstellen des äußeren Rahmens 22 durch Anlegen der Spannung.
Jede der beiden Federeinrichtungen 38 umfasst zwei Federn 44 und 46, welche zweischenklig zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Mittellängsachsen der beiden Federn 44 und 46 senkrecht zu der zweiten Drehachse 28 ausgerichtet. In einer bevorzugten Ausführungsform können die beiden Federn 44 und 46 über ein Verbindungsteil 48 verbunden sein, wobei beide Federn 44 und 46 mit einem Ende an dem Verbindungsteil 48 befestigt sind. Die Längsrichtung des Verbindungsteils 48 verläuft dabei vorzugsweise parallel zu der zweiten Drehachse 28. Die beiden Federn 44 und 46 können parallel zu der benachbarten Seite des äußeren Rahmens 22, beispielsweise des Stützstegs 22b, angeordnet sein.
Vorzugsweise besitzt die Schicht, aus welcher die Elektrodenkämme mit den Elektrodenfingern 24 und 26 gebildet werden, eine Dicke zwischen 60 μm und 80 μm. Beim Anlegen der Spannung werden die Elektrodenfinger 24 und 26 gegen die Kraft der Federeinrichtungen 38 in eine gemeinsame Ebene gebracht. Dabei stellt sich eine zunehmende Überlappfläche zwischen den Aktor-Elektrodenfingern 24 und den Stator-Elektrodenfingern 26 ein. Das höchste Kraftmoment wird ausgeübt, wenn die dem Verstellen der Spiegelplatte 14 entgegenwirkende Kraft der Federeinrichtungen 38 maximal ist.
1C zeigt eine Seitenansicht auf eine Federeinrichtung 38. Dabei ist zu erkennen, dass die beiden Federn 44 und 46 zu der Oberfläche des Grundsubstrats 12 unterschiedlich gebogen sind. Die Federeinrichtung 38 weist eine konvexe Feder 44 und eine konkave Feder 46 auf. Die Wölbung der konvexen Feder 44 weist von der Oberseite des Grundsubstrats 12 weg. Demgegenüber ist die Wölbung der konkaven Feder 46 auf das Grundsubstrat 12 gerichtet.
Die konvexe Feder 44 und die konkave Feder 46 können hergestellt werden, indem für jede der beiden Federn 44 und 46 eine erste Untereinheit mit einer ersten Eigenspannung und eine zweite Untereinheit mit einer von der ersten Eigenspannung abweichenden zweiten Eigenspannung zusammengefügt werden. Die Eigenspannungen der Untereinheiten können extrinsische und/oder intrinsische Spannungen sein. Beispielsweise bewirkt eine Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Untereinheiten eine extrinsische Spannung. Wird als Alternative oder zusätzlich eine epitaktische Schicht für mindestens eine der beiden Untereinheiten verwendet, so kann aufgrund der Gitterfehlanpassungen eine intrinsische Spannung auf die jeweilige Feder 44 oder 46 aufgebracht werden.
In dem dargestellten Beispiel umfasst jede der beiden Federn 44 und 46 eine Kernmaterial-Schicht als erste Untereinheit und mindestens eine auf die Kernmaterial-Schicht aufgebrachte Beschichtung als zweite Untereinheit. Die mindestens eine Beschichtung kann auf einer dem Grundsubstrat 12 zugewandten Seite und/oder auf einer von dem Grundsubstrat 12 abgewandten Seite der Federn 44 oder 46 angeordnet sein. Abhängig von dem Material der Beschichtung und der beschichteten Seite wird jede Feder 44 und 46 ohne eine Fremdkrafteinwirkung in eine festgelegte Richtung gewölbt.
Die Federn 44 und 46 können eine Federlänge von etwa 1,5 mm aufweisen. Die Breite der Federn 44 und 46 kann weniger als 500 μm, beispielsweise 250 μm, betragen. Vorzugsweise ist die Dicke der Federn 44 und 46 senkrecht zum Grundsubstrat 12 etwa 15 μm. Die Beschichtung der Federn 44 und 46, beispielsweise mit einem Oxid, kann eine Schichtdicke von etwa 1,5 μm haben. Auf diese Weise bewirkt die Beschichtung eine intrinsischen Spannung von ungefähr 350 MPa auf die beiden Federn 44 und 46.
So ergibt sich ein Bimorph-Effekt der Federn 44 und 46. Beispielsweise werden die dem Grundsubstrat 12 zugewandte Seite der Feder 44 und die von dem Grundsubstrat 12 abgewandte Seite der Feder 46 mit einer Schicht mit einer Zugspannung versehen. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann auf die von dem Grundsubstrat 12 abgewandte Seite der Feder 44 und auf die dem Grundsubstrat 12 zugewandte Seite der Feder 46 eine Schicht mit einer Druckspannung aufgebracht werden.
Für die von dem Verbindungsteil 48 abgewandten Enden der Federn 44 und 46 lassen sich Tangenten 50 und 52 definieren. Die der konvexen Feder 44 zugeordnete Tangente 50 verläuft parallel zur Oberfläche des Grundsubstrats 12. Demgegenüber ist die Tangente 52 der konkaven Feder 46 geneigt zu der Oberfläche des Grundsubstrats 12 ausgerichtet. Die beiden Tangenten 50 und 52 schneiden sich in einem Schnittpunkt 54, durch welchen die (nicht dargestellte) zweite Drehachse senkrecht zu den Tangenten 52 und 50 verläuft.
Der äußere Rahmen 22 ist so an den beiden Federeinrichtung 38 angeordnet, dass die Komponenten 14, 16, 18, 22 und 24 parallel zu der Tangente 52 verlaufen. Der Winkel zwischen den beiden Tangen ten 50 und 52 entspricht damit dem Neigungswinkel der Komponenten 14, 16, 18, 22 und 24. Liegt keine Spannung zwischen den Elektrodenfinger 24 und 26 an, so ist der Winkel zwischen den beiden Tangenten 50 und 52 gleich dem Ausgangs-Neigungswinkel α. Wird eine Spannung ungleich Null zwischen den Elektrodenfingern 24 und 26 angelegt, so werden die Federn 44 und 46 gebogen und der Winkel zwischen den Tangenten 50 und 52 wird kleiner. Auf diese Weise kann die Spiegelplatte 14 gegenüber dem Grundsubstrat 12 um die zweite Drehachse 28 verstellt werden.
Vorzugsweise sind die Federeinrichtungen 38 so ausgebildet, dass der Winkel zwischen den Tangenten 50 und 52 auch bei einer hohen Spannung größer als 15° ist. Auf den damit verbundenen Vorteil wird weiter unten noch eingegangen.
Bei der Herstellung des mikromechanischen Bauteils 10 werden die zusammenhängenden Komponenten 14, 16, 18, 22 und 24, die getrennt dazu fest angeordneten Stator-Elektrodenfinger 26 und die Federeinrichtungen 38 vorzugsweise aus einer auf das Grundsubstrat 12 aufgebrachte Schicht herausgeätzt. Über das Biegen der Federn 44 und 46 werden die zusammenhängenden Komponenten 14, 16, 18, 22 und 24 in einer bevorzugten Ausgangsstellung gegenüber dem Grundsubstrat 12 angeordnet. Dabei werden die Komponenten 14, 16, 18, 22 und 24 ohne eine Fremdkrafteinwirkung um den Ausgangs-Neigungswinkel α aus der Ebene der Stator-Elektrodenfinger 26 herausgedreht. Auf diese Weise ist es nicht mehr nötig, eine aufwendige Justage der Komponenten 14, 16, 18, 22 und 24 auszuführen.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das dargestellte mikromechanische Bauteil 60 weist die oben schon genannten Komponenten 12 bis 18, 22 bis 26 und 38 auf. Auch die Funktionsweise des mikromechanischen Bauteils 60 gleicht der oben beschriebenen Ausführungsform. Allerdings ist die Breite des inneren Rahmens 18 parallel zu der ersten Drehachse 20 gleich der Breite des äußeren Rahmens 22 parallel zu der ersten Drehachse 20. Beispielsweise beträgt die Breite der Rahmen 18 und 22 1,5 mm.
Die Länge des inneren Rahmens 18 parallel zur zweiten Drehachse 28 kann ebenfalls 1,5 mm betragen. Die Gesamtlänge des äußeren Rahmens 22 parallel zur zweiten Drehachse 28 ist beispielsweise 3,5 mm.
Das mikromechanische Bauteil 60 weist auch an den Außenflächen des äußeren Rahmens 22 Aktor-Elektrodenfinger 24 auf. Die Länge dieser äußeren Aktor-Elektrodenfinger 24 kann zwischen 0,5 mm bis zu 1 mm liegen. Diesen Aktor-Elektrodenfingern 24 sind ebenfalls Stator-Elektrodenfinger 26 auf dem Grundsubstrat 12 zugeordnet. Auf diese Weise ist es möglich, das dargestellte mikromechanische Bauteil 60 mit relativ langen Elektrodenfingern 24 und 26 vergleichsweise klein auszubilden.
Jede der beiden Federeinrichtungen 38 weist eine konvexe Feder 44 und eine konkave Feder 46 auf. Die konkaven Federn 46 sind benachbart zu dem äußeren Rahmen 22 angeordnet. Die konvexen Federn sind auf den von dem äußeren Rahmen 22 weggerichteten Seiten der Federeinrichtungen 38 ausgebildet.
3A und 3B zeigen Draufsichten zum Darstellen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 3A gezeigte mikromechanische Bauteil 70 umfasst die oben schon beschriebenen Komponenten 12 bis 18, 22 bis 26 und 38. Die Ausbildung der Rahmen 18 und 22 entspricht der Ausführungsform der 2.
Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Ausführungsform weist das mikromechanische Bauteil 70 an einer ersten Seite eine Federeinrichtung 72 auf, bei welcher die konvexe Feder 44 benachbart zu dem äußeren Rahmen 22 ausgebildet ist. Die konkave Feder 46 ist an der dem äußeren Rahmen 22 entgegen gerichteten Seite der Federeinrichtung 72 angeordnet. Zusätzlich umfasst das mikromechanische Bauteil 70 auf seiner zweiten Seite die oben schon beschrieben Federeinrichtung 38 mit einer äußeren konvexen Feder 44 und einer inneren konkaven Feder 46. Die Aufhängung des äußeren Rahmens 22 mittels der Federeinrichtungen 38 und 72 führt zu einer verbesserten Ausbalancierung des Gewichts der zusammenhängenden Komponenten 14 bis 18 und 22 bis 24 durch Kompensation der in verschiedenen Richtungen wirkenden Kräfte. Insbesondere soll auf diese Weise ein Gesamtkraftmoment in eine bestimmte Richtung verhindert werden.
3B zeigt das mikromechanische Bauteil 70 mit einigen darauf ausgebildeten Leiterbahnen 74. Die Leiterbahnen 74 können beispielsweise NiCrSi oder Aluminium enthalten. Über die Leiterbahnen 74 ist ein Kontaktieren der Aktor-Elektrodenfinger 24 möglich. Dabei können am inneren Rahmen 18 auch Aktor-Elektrodenfinger 24, welche senkrecht zu der ersten Drehachse 20 ausgerichtet sind, ausgebildet sein.
Des Weiteren können Sensorelemente 76 zum Ermitteln einer Biegung der Federn 44 oder 46 über die Leiterbahnen 74 mit Strom versorgt werden. Ebenso können Steuer- oder Sensorsignale über die Leiterbahnen 74 zwischen den Sensorelementen 76 und einer (nicht skizzierten) Auswerteeinrichtung zum Ermitteln einer aktuellen Stellung der Spiegelplatte 14 weitergeleitet werden. Auf die Funktionsweise der Sensorelemente 76 wird weiter unten noch genauer eingegangen werden.
4A bis 4D zeigen dreidimensionale Ansichten der prinzipiellen Struktur einer weiteren Ausführungsform.
Das teilweise dargestellte mikromechanische Bauteil 80 hat eine Spiegelplatte 14, Torsionsfedern 16, einen Rahmen 82 mit daran befestigten Aktor-Elektrodenfingern 24, entsprechenden Stator-Elektrodenfinger 26 und eine Federeinrichtung 38. Die Anzahl der Aktor-Elektrodenfinger 24 und der Stator-Elektrodenfinger 26 ist beliebig. Der besseren Übersichtlichkeit wegen sind in den 4A bis 4D jedoch nur wenige Elektrodenfinger 24 und 26 eingezeichnet.
Die Federeinrichtung 38 weist die konvexe Feder 44 und die konkave Feder 46 auf. Die Federn 44 und 46 sind jeweils aus mindestens zwei Untereinheiten mit unterschiedlichen Eigenspannungen aufgebaut. Die Eigenspannungen können extrinsische und/oder intrinsische Eigenspannungen sein. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenspannungen haben die Federn 44 und 46, sofern keine Kraft auf sie einwirkt, eine konvexe oder eine konkave Ausgangsform. Bei der Herstellung der Federn 44 und 46 nehmen diese die konvexe oder konkave Ausgangsform ohne eine Fremdkrafteinwirkung ein. Über eine auf die Federeinrichtung 38 ausgeübte Kraft können die Federn 44 und 46 aus ihren Ausgangsformen in eine andere Form, vorzugsweise eine ebene Form, gebogen werden.
In 4A liegt keine Spannung zwischen den Aktor-Elektrodenfingern 24 und den Stator-Elektrodenfingern 26 an. Die Spiegelplatte 14 befindet sich somit in ihrer Ausgangsstellung. In der Ausgangsstellung ist die Spiegelplatte 14 aufgrund der Auswölbungen der konvexen Feder 44 und der konkaven Feder 46 um einen Ausgangs-Neigungswinkel gegenüber dem (nicht skizzierten) Grundsubstrat geneigt. Der Vorteil einer gegenüber dem Grundsubstrat geneigten Ausgangsstellung der Spiegelplatte 14 wird weiter unten noch genauer beschrieben.
In 4B liegt eine Spannung ungleich 0 zwischen den Aktor-Elektrodenfingern 24 und den Stator-Elektrodenfingern 26 an. Aufgrund der durch die angelegte Spannung bewirkte Anziehung zwischen den Elektrodenfingern 24 und 26 wird die Spiegelplatte 14 so verstellt, dass ihr Neigungswinkel gegenüber dem Grundsubstrat abnimmt.
Die Federn 44 und 46 können hinsichtlich ihrer Biegesteifigkeiten so ausgebildet sein, dass sie sich in eine nahezu ebene Endform drücken lassen (siehe 4B). Die Spiegelplatte 14 befindet sich bei dieser Endform der Federn 44 und 46 in ihrer maximalen Verstellposition. Die Grundauslenkung der Spiegelplatte 14 durch den Bimorph-Effekt ist dabei fast vollständig aufgehoben. Als Alternative dazu können die Federsteifigkeiten der Federn 44 und 46 auch so festgelegt werden, dass die Spiegelplatte 14 immer einen Mindest-Neigungswinkel gegenüber dem Grundsubstrat aufweist. Auf die Vorteile einer derartigen Ausführungsform wird unten noch genauer eingegangen.
Wie durch einen Vergleich der 4A und 4B zu erkennen ist, werden die Federn 44 und 46 beim Verstellen der Spiegelplatte 14 insbesondere in ihren Bereichen nahe dem Verbindungsteil 48 gebogen und/oder verformt. Die zu dem Verbindungsteil 48 benachbarten Flächen der Federn 44 und/oder 46 eignen sich deshalb gut für das Anbringen eines Sensorelements 76 zum Bestimmen einer Form einer Federn 44 oder 46 und/oder zum Ermitteln einer aktuellen Stellung der Spiegelplatte 14.
4C zeigt zwei auf den Federn 44 und 46 angebrachte Sensorelemente 76. Die Sensorelemente 76 sind beispielsweise piezoresistive Widerstände, welche auf oder innerhalb der Bereiche der Federn 44 und 46, welche benachbart zu dem Verbindungsteil 48 ausgebildet sind, angeordnet sind. Vorzugsweise sind die piezoresistiven Widerstände NiCrSi-Metallisierungen, welche in dem polykristallinen Material der Federn 44 und 46 ausgebildet sind. Des Weiteren können die Sensorelemente 76 auch Wheatstone-Brücken umfassen. Zu erkennen sind in 4D über die Federn 44 und 46 geführte Leiterbahnen 74. Jeder Strang stellt ein eigenes Leiterbahnelement dar. Über den Verbindungssteg können Metallbahnen geführt werden, über welche die Sensorelemente 76 mit Strom versorgbar sind. Zusätzlich können über die Leiterbahnen 74 Sensorsignale von den Sensorelementen 76 an ein zentrales Steuer- und Auswertesystem weitergeleitet werden. Bevorzugterweise ist das Steuer- und Auswertesystem dazu ausgelegt, zum Einstellen der an die Elektrodenfinger 24 und 26 angelegten Spannung eine aktuelle Position der Spiegelplatte 14 zu ermitteln.
Selbstverständlich kann das mikromechanische Bauteil 80 noch weitere piezoresistive und/oder kapazitive Sensorelemente 76 zum Ermitteln der aktuellen Position der Spiegelplatte 14 aufweisen, welche an den Stellen des mikromechanischen Bauteils 80 ausgebildet sind, an welchem bei Verstellen der Spiegelplatte 14 eine Verformung erfolgt.
5 zeigt einen Querschnitt durch ein vollständiges Gesamtsystem.
Das mikromechanische Bauteil 90 hat die verstellbare Spiegelplatte 14, welche mittels der (nicht skizzierten) Federeinrichtungen in ihrer Ausgangsstellung gegenüber dem Grundsubstrat 12 um einen Ausgangs-Neigungswinkel α geneigt ist. Über den oben beschriebenen, hier nicht dargestellten elektrostatischen Antrieb die Spiegelplatte 14 so verstellbar, dass der Winkel zwischen der Spiegelplatte 14 und dem Grundsubstrat 12 kleiner als der Ausgangs-Neigungswinkel α ist.
Um die Stoßempfindlichkeit des mikromechanischen Bauteils 90 zu reduzieren, kann das mikromechanische Bauteil 90 in einem Gehäuse 92 angeordnet werden, welches auf einem schwingungsgedämpften Tisch 94 gelagert ist. Beispielsweise wird eine Closed-Loop-Gegenregelung ausgeführt. Dabei wird eine auf das mikromechanische Bauteil 90 wirkende Beschleunigung detektiert und über den schwingungsgedämpften Tisch 94 (mit Piezo-Steuerung) kompensiert. Komponenten 96 eines Steuer- und Auswertesystems können ebenfalls in dem Gehäuse 92 angeordnet sein.
In dem Gehäuse 92 ist auch ein Laser 97 angebracht, welcher einen Lichtstrahl 98a emittiert. Der emittierte Lichtstrahl 98a trifft auf ein Lichteinfallfenster 99 des mikromechanischen Bauteils 90 und wird teilweise reflektiert. Der transmittierte Lichtstrahl 98b fällt auf die Spiegelplatte 14 und wird über die aktuelle Stellung der Spiegelplatte 14 in eine gewünschte Richtung und/oder auf einen bevorzugten Punkt gerichtet. Der an dem Lichteinfallfenster 99 reflektierte Lichtstrahl 98c bildet ebenfalls einen häufig auch als Reflexionspunkt bezeichneten Lichtpunkt.
Um zu verhindern, dass der Reflexionspunkt des reflektierten Lichtstrahls 98c auf die Bildebene des transmittierten Lichtstrahls 98b trifft, ist das mikromechanische Bauteil 90 so ausgebildet, dass die Spiegelplatte 14 sich immer in einer geneigten Stellung zu dem Grundsubstrat 12, und damit zu dem Lichteinfallfenster 99, befindet. Vorzugsweise weist die Spiegelplatte 14 zu dem parallel zu dem Grundsubstrat 12 ausgerichteten Lichteinfallfenster 99 immer einen Mindest-Neigungswinkel auf. In diesem Fall ist die Spiegelplatte 14 im Betriebsmodus des mikromechanischen Bauteils 90 in keine Stellung verstellbar, in welcher ihr Neigungswinkel zu dem Lichteinfallfenster 99 kleiner als der Mindest-Neigungswinkel ist. Der Mindest-Neigungswinkel beträgt beispielsweise 15°.
Der störende Reflex an der Glasoberfläche wird somit ausgeblendet, indem auch bei einer planparallelen Anordnung der Glasplatte zur Chipoberfläche die Spiegelplatte 14 immer einen positiven Winkel zur Chipoberfläche besitzt.
Somit ist gewährleistet, dass der von der Spiegelplatte 14 abgelenkte Lichtstrahl 98b nicht auf eine Ebene fällt, auf welcher der an dem Lichteinfallfenster 99 reflektierter Lichtstrahl 98c auftritt. Das mittels des mikromechanischen Bauteils 90 erzeugte Bild weist somit keinen störenden Reflexionspunkt auf.
6A bis 6N zeigen Querschnitte durch ein Substrat zum Darstellen einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens.
In einem ersten Schritt des Verfahrens wird eine Oberfläche eines Grundsubstrats 100 zumindest teilweise mit einer isolierenden Schicht 102 abgedeckt. Das Grundsubstrat 100 kann ein Siliziumsubstrat sein. Vorzugsweise ist die isolierende Schicht 102 eine Siliziumoxidschicht, welche mittels einer thermischen Oxidierung des Siliziumsubstrats gebildet wird.
Auf die isolierende Schicht 102 wird eine Elektroden-Material-Schicht 104 aufgebracht. Die Elektroden-Material-Schicht 104 kann beispielsweise Silizium enthalten. Die Oberseite der Elektroden-Material-Schicht 104 wird mit einer Nitridschicht bedeckt. Anschließend wird, beispielsweise unter Verwendung einer geeigneten Maske, die Nitridschicht teilweise von der Oberseite der Elektroden- Material-Schicht 104 entfernt, so dass nur an mindestens einer Stelle, welche eine spätere Feder der Federeinrichtungen markiert, eine Nitrid-Teilschicht 106 zurückbleibt.
Die nicht von der mindestens einen Nitrid-Teilschicht 106 abgedeckten Oberflächen der Elektroden-Material-Schicht 104 werden anschließend mit einer Siliziumoxidschicht 108 bedeckt. Dies kann beispielsweise mittels einer thermischen Oxidierung der Elektroden-Material-Schicht 104 erfolgen. Die mindestens eine Nitrid-Teilschicht 106 wirkt dabei als Oxidationsbarriere.
6A zeigt das Grundsubstrat 100 nach einem Ätzen mindestens eines Grabens 110, beispielsweise unter Verwendung einer strukturierten Maske. Die Ätzzeit ist dabei so gewählt, dass die maximale Tiefe des mindestens einen Grabens 110 größer als die Gesamtdicke der Schichten 102, 104 und 108 ist. Auf die Funktion des mindestens einen Grabens 110 wird unten noch eingegangen.
In einem weiteren Verfahrensschritt werden die Nitrid-Teilschicht 106 und die Siliziumoxidschicht 108 mit einer Polysiliziumschicht 112 abgedeckt. Dabei wird auch der mindestens eine Graben 110 mit Polysilizium gefallt. Vorzugsweise ist die Polysiliziumschicht 112 eine Epi-Polysiliziumschicht.
Wie oben schon beschrieben, wird mindestens eine weitere Nitrid-Teilschicht 114 auf der Polysiliziumschicht 112 gebildet, welcher eine Oberfläche einer später hergestellten Feder der Federeinrichtung markiert. Anschließend wird mittels einer thermischen Oxidierung eine zweite Siliziumoxidschicht 116 gebildet, welche die unbedeckten Teiloberflächen der Polysiliziumschicht 112 abdeckt. Das Resultat ist in 6B dargestellt.
Auf die mindestens eine Nitrid-Teilschicht 114 und die zweite Siliziumoxidschicht 116 wird eine (nicht dargestellte) strukturierte Maske gebildet. Anschließend werden Aussparungen 118 geätzt, welche sich durch die zweite Siliziumoxidschicht 116 und die Polysiliziumschicht 112 sich erstrecken. Die Aussparungen 118 unterteilen die vorherige Polysiliziumschicht in Randbereiche 120 und in mindestens einen Federbereich 122. Die Randbereiche 120 erstrecken sich über die äußeren Ränder der ersten Siliziumoxidschicht 108. Jeder Federbereich 122 weist an seiner Oberfläche die Nitrid-Teilschicht 114 und eine aus der vorherigen zweiten Siliziumoxidschicht gebildete Siliziumoxid-Teilschicht 126 auf. Aus dem mindestens einen Federbereich 122 werden später die Federn für eine Federeinrichtung gebildet.
Wie in 6C zu erkennen ist, fungiert die erste Siliziumoxidschicht 108 beim Ätzen der Aussparungen 118 als Ätzstoppschicht. Die Maske zum Ätzen der Aussparungen 118 kann entfernt werden.
6D zeigt das Grundsubstrat 100 nach dem Aufbringen einer ersten Maske 128 und einer zweiten Maske 130 auf eine Unterseite des Grundsubstrats 100. Vorzugsweise ist mindestens eine der Masken 128 oder 130 eine Photolackmaske. Die Maske 130 wird so strukturiert, dass sie eine Aussparung unter dem Federbereich 122 aufweist. Unter Verwendung der strukturierten zweiten Maske 130 wird eine Aussparung 132 geätzt, welche sich durch die gesamte Höhe des Grundsubstrats 100 erstreckt. Die isolierende Schicht 102 kann dabei als Ätzstoppschicht fungieren.
Anschließend wird die erste isolierende Schicht 102 vom Boden der Aussparung 132 entfernt. Die erste Maske 128 wird für ein Ätzen von weiteren Trenngräben 134 strukturiert. Gleichzeitig wird die Aussparung 132 vertieft. Die Aussparung 132 erstreckt sich nun, wie in 6E zu sehen, bis an die erste Siliziumoxidschicht 108, beziehungsweise bis an die Nitrid-Teilschicht 106.
Die zweite Maske 130 wird entfernt. Das Resultat ist in 6F dargestellt.
Mittels eines HF-Ätzens werden Oxidschichten (vorzugsweise mit der ersten Maske 128) von der Unterseite des Grundsubstrats 100 entfernt. 6G zeigt das Grundsubstrat 100 nach einer anschließend ausgeführten thermischen Oxidierung der Unterseite. Die Unterseite des Grundsubstrats 100 ist mit einer Oxidschicht 136 bedeckt. Durch die thermische Oxidierung nach dem HF-Ätzen ist gewährleistet, dass identische Stressbedingungen auf der Ober- und der Unterseite des Federbereichs 122 herrschen.
Wie in 6G ebenfalls zu erkennen ist, wird eine Teiloberfläche 138 der Elektroden-Material-Schicht 104 freigelegt. Die Teilfläche 138 markiert die Spiegelfläche der in den folgenden Verfahrensschritten hergestellten verstellbaren Spiegelplatte. Diese wird mit einer reflektierenden Schicht 140, vorzugsweise mit Aluminium, abgedeckt.
Ebenso werden weitere Leiterbahnen 142 auf der ersten Siliziumoxidschicht 108, auf der Siliziumoxid-Teilschicht 126 und/oder auf der Nitrid-Teilschicht 114 gebildet. Dabei gewährleisten die Materialien der Schichten 108, 114 und 126 eine elektrische Isolierung der neu gebildeten Leiterbahnen 142. Die Leiterbahnen 142 können mit dem mindestens einen gefüllten Graben 110 verbunden sein. Auf diese Weise kann ein elektrisches Signal über die Leiterbahnen 142 und den gefüllten Graben 110 weitergeleitet werden.
Vor oder nach dem Ausbilden der Leiterbahnen 142 werden Trenngräben 144 zur Strukturierung der Elektroden-Material-Schicht 104 durch die erste Siliziumoxidschicht 108 und die Elektroden-Material-Schicht 104 geätzt. Das Resultat ist in 6H zu sehen.
In einem darauffolgenden Verfahrensschritt wird eine Maske 146 auf die Unterseite des Grundsubstrats 100 aufgebracht. Auch die freiliegenden Bereiche der Nitrid-Teilschicht 106 und der ersten Sili ziumoxidschicht 108 werden von der Maske 146 abgedeckt. 6I zeigt die Anbringpositionen der Maske 146.
In einem anschließenden Ätzschritt, dessen Resultat in 6J gezeigt ist, werden die Trenngräben 134 vertieft. Die erste isolierende Schicht 102 dient dabei als Ätzstoppschicht. Nach diesem Ätzschritt wird die Maske 146 von der Unterseite des strukturierten Grundsubstrats 100, nicht jedoch von der Nitrid-Teilschicht 106 und der Unterseite der ersten Siliziumoxidschicht 108, entfernt.
Die freigelegten Bereiche der isolierenden Schicht 102 werden weggeätzt. Die auf diese Weise voneinander getrennten Bereiche der früheren Schichten 104 und 112 können sich zueinander verstellen. Insbesondere kann sich jeder Federbereich 122 aufgrund der unterschiedlichen Eigenspannungen der Nitrid-Teilschichten 106 und 114 und der Siliziumoxid-Teilschichten 126 und 148 aus seiner ebenen Ausgangsstellung in eine gewölbte Endstellung verbiegen. Dieses Verbiegen des Federbereichs 122 bewirkt ein Verstellen des Federbereichs 122 und der daran angekoppelten Spiegelplatte ohne eine Fremdkrafteinwirkung.
Die Spiegelplatte mit der reflektierenden Schicht 140 wird dabei, wie in 6K zu erkennen ist, gegenüber ihrer Ausgangsstellung um einen Ausgangs-Neigungswinkel α gedreht. Die Spiegelplatte befindet sich somit auch ohne eine an den nicht dargestellten Elektrodenfingern angelegte Spannung in einer geneigten Stellung.
An der Unterseite des strukturierten Grundsubstrats 100 wird eine Bodenplatte 150, vorzugsweise eine Pyrex-Platte, befestigt (siehe 6L). Mittels eines Sealglass-Bondens kann eine Glasplatte 152 an einer Sealglass-Schicht 154 auf den Randbereichen 120 fest angeordnet werden (siehe 6M). Die Spiegelplatte, die (nicht dargestellten) Elektrodeneinheiten und die Federn sind somit luftdicht abgeschlossen.
Wie in 6M zu erkennen ist, befindet sich die Spiegelplatte mit der reflektierenden Schicht 140 in einer geneigten Stellung gegenüber der Oberfläche der Glasplatte 152. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass ein Reflektionsstrahl von der Glasplatte 152 nicht auf eine Bildebene eines von der Spiegelplatte abgelenkten Lichtstrahls fällt. Vorzugsweise ist die Spiegelplatte in jeder Stellung um einen Neigungswinkel von mindestens 15° gegenüber der Glasplatte 152 geneigt. Dies gewährleistet den oben beschriebenen Vorteil.
6N zeigt eine Bohrung durch die Bodenplatte 150 für eine Durchkontaktierung 156 der nicht dargestellten Elektroden. Auf diese Weise kann eine Spannung zum Verstellen der Spiegelplatte zwischen den Elektroden angelegt werden.
Um eine gleiche Krümmung der Federn zu garantieren, wird bei dem oben beschriebenen Verfahren die Prozessierung der für die Krümmung verantwortlichen Schichten gleichzeitig durchgeführt. Das Resultat sind zwei Bimorphe, wobei eine erste Feder auf der Unterseite mit dem Nitrid und auf der Oberseite mit dem Oxid beschichtet ist. Bei einer zweiten Feder ist die Schichtfolge vertauscht. Die Nitrid-Teilschichten 106 und 114 besitzt eine Zugspannung, während die Siliziumoxid-Teilschichten 126 und 148 eine Druckspannung auf jede der beiden Federn ausübt. Das Resultat sind zwei Bimorphe mit gleicher Krümmung, aber entgegen gerichteten Krümmungsrichtungen. Anstelle der Bimorphe kann auch eine Metallisierung für die Zug- oder Druckspannung verwendet werden.
Der Ausgangs-Neigungswinkel α variiert aufgrund von Fertigungsstreuungen. Durch eine elektrische Vorspannung kann jedoch ein konstanter Offset-Winkel erzwungen werden.
7 zeigt eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Elektrodeneinheit des mikromechanischen Bauteils.
Die dargestellte Elektrodeneinheit 200 kann ein Aktor-Elektrodenkamm oder ein Stator-Elektrodenkamm sein. Die Elektrodeneinheit 200 umfasst vier Querstreben 202, welche mittels dreier Verzweigungen 202 und 204 an einen gemeinsamen Kontaktpunkt 208 angeschlossen sind. Je zwei Querstreben 202 sind über eine erste Verzweigung 204 miteinander verbunden. Eine zweite Verzweigung 206 verbindet die beiden ersten Verzweigungen 204 mit dem Kontaktpunkt 208.
An jedem der Querstreben 202 sind Elektrodenfinger 210 ausgebildet, welche in zwei entgegen gesetzten Richtungen senkrecht von dem jeweiligen Querstreben 202 abstehen. Zwischen den Elektrodenfingern 210 der Elektrodeneinheit 200 und Elektrodenfingern einer nicht dargestellten Gegenelektrode kann eine Spannung angelegt werden. Dabei ist es ausreichend, die Spannungsquelle mit dem Kontaktpunkt 208 der Elektrodeneinheit 200 und einem Kontaktpunkt der Gegenelektrode zu verbinden.
Die Elektrodeneinheit 200 weist gegenüber einem Elektrodenkamm, dessen Elektrodenfinger mindestens die achtfache Länge der Elektrodenfinger 210 aufweisen, den Vorteil auf, dass aufgrund eines Nacheinanderwirkens der Elektrodenfinger 210 das erzielbare Drehmoment bei gleichbleibender Spannung um einen Faktor sechzehn gesteigert wird. Dabei ziehen alle Elektrodenfinger 210 vorzugsweise ein Stellelement in die gleiche Richtung. Dies steigert das Drehmoment erneut um einen Faktor zwei. Wird beispielsweise eine angelegte Spannung um den Faktor zwei halbiert, so entspricht der Verlust der erzeugbaren Kraft lediglich einem Faktor vier.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0117235 A1 [0003]
- US 2004/0263938 A1 [0003]
- US 6806992 B2 [0003]
- EP 1688776 A1 [0005]

Claims

Mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) mit einem Grundsubstrat (12, 100); einem gegenüber dem Grundsubstrat (12, 100) verstellbaren Stellelement (14); und einer Federeinrichtung (38, 72, 122) mit einer ersten Untereinheit mit einer ersten Eigenspannung und einer zweiten Untereinheit (106, 114, 126, 148) mit einer von der ersten Eigenspannung abweichenden zweiten Eigenspannung; wobei das Stellelement (14) über die Federeinrichtung (38, 72) mit dem Grundsubstrat (12, 100) verbunden ist und über ein Biegen der Federeinrichtung (38, 72) aufgrund der verschiedenen Eigenspannungen der ersten Untereinheit und der zweiten Untereinheit (106, 114, 126, 148) gegenüber dem Grundsubstrat (12, 100) verstellbar ist.
Mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) nach Anspruch 1, wobei das Stellelement (14) über das Biegen der Federeinrichtung (38, 72) aufgrund der verschiedenen Eigenspannungen der ersten Untereinheit und der zweiten Untereinheit (106, 114, 126, 148) in eine Ausgangstellung verstellbar ist, in welcher es um einen Ausgangs-Neigungswinkel (α) ungleich 0° und ungleich 180° zu dem Grundsubstrat (12, 100) geneigt angeordnet ist.
Mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) nach Anspruch 1 oder 2 mit einem elektrostatischen und/oder magnetischen Antrieb (24, 26), wobei der elektrostatische und/oder magnetische Antrieb (24, 26) dazu ausgelegt ist, einer Federkraft der Federeinrichtung (38, 72) entgegen zu wirken und das Stellelement (14) bezüglich des Grundsubstrats (12, 100) aus der Ausgangsstellung in mindestens eine Endstellung zu verstellen.
Mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) nach Anspruch 3, wobei der elektrostatische und/oder magnetische Antrieb (24, 26) eine fest an dem Grundsubstrat (12, 100) angeordnete Stator-Elektrodeneinheit (26) und eine mittels der Federeinrichtung (38, 72) verstellbar mit dem Grundsubstrat (12, 100) verbundene Aktor-Elektrodeneinheit (24) umfasst.
Mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Eigenspannung der ersten Untereinheit und/oder die zweite Eigenspannung der zweiten Untereinheit (106, 114, 126, 148) eine extrinsische Eigenspannung und/oder eine intrinsische Eigenspannung ist.
Mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Federeinrichtung (38, 72) eine erste Feder (46) und eine zweite Feder (44) umfasst, welche zweischenklig zueinander angeordnet sind, und wobei die Federeinrichtung (38, 72) so gebogen ist, dass die erste Feder (46) eine Wölbung auf einer dem Grundsubstrat (12, 100) zugewandten Unterseite der ersten Feder (46) aufweist und die zweite Feder (44) eine Wölbung auf einer von dem Grundsubstrat (12, 100) abgewandten Oberseite der zweiten Feder (44) aufweist.
Mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) nach Anspruch 6, wobei die zweite Untereinheit (126, 148) eine Beschichtung (148) der Unterseite der ersten Feder (46) mit einem Material mit einer Druckspannung und/oder eine Beschichtung (126) der Oberseite der zweiten Feder (44) mit einem Material mit einer Druckspannung umfasst.
Mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die zweite Untereinheit (106, 114) eine Beschichtung (114) einer Oberseite der ersten Feder (46) mit einem Material mit einer Zugspannung und/oder eine Beschichtung (106) einer Unterseite der zweite Feder (44) mit einem Material mit einer Zugspannung umfasst.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil (10, 60, 70, 80, 90) mit den Schritten: Bilden eines gegenüber einem Grundsubstrat (12, 100) verstellbaren Stellelements (14); und Bilden einer Federeinrichtung (38, 72) mit einer ersten Untereinheit mit einer ersten Eigenspannung und einer zweiten Untereinheit (106, 114, 126, 148) mit einer von der ersten Eigenspannung abweichenden zweiten Eigenspannung, wobei das Stellelement (14) über die Federeinrichtung (38, 72) mit dem Grundsubstrat (12, 100) verbunden wird und über ein Biegen der Federeinrichtung (38, 72) aufgrund der verschiedenen Eigenspannungen der ersten Untereinheit und der zweiten Untereinheit (106, 114, 126, 148) gegenüber dem Grundsubstrat (12, 100) verstellt wird.