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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil und ein Herstellungsverfahren
für ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden mikromechanischen
Bauteils.
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Stand der Technik
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Mikromechanische
Bauteile, wie z. B. Mikrospiegel, werden heutzutage häufig
verwendet. Beispielsweise werden Mikrospiegel in Lichtprojektionsapparaten
oder in der optischen Kommunikationstechnik eingesetzt. Ein entsprechender
Mikrospiegel kann ein Digital Mirror Device (DMD), wie in der
US 5,272,262 ,
US 5,600,383 und
US 6,819,470 beschrieben, sein. Zum
Verstellen eines Mikrospiegels können elektrostatische
Antriebsmechanismen verwendet werden, wie sie in der
US 6,914,710 und der
US 2005/0013533 beschrieben sind.
Auch ein elektromagnetischer Antriebsmechanismus für ein mikromechanisches
Bauteil ist aus der
WO 03098918 bekannt.
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Aufgrund
der häufigen Verwendung von mikromechanischen Bauteilen,
insbesondere in relativ kleinen Vorrichtungen, ist es wünschenswert, über eine
Möglichkeit zu verfügen, um die Größe
eines mikromechanischen Bauteils und/oder die Herstellungskosten
für ein mikromechanisches Bauteil zu reduzieren.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1, ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches
Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9 und ein Verfahren zum
Betreiben eines mikromechanischen Bauteils mit den Merkmalen des
Anspruchs 10.
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Ein
erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauteil weist
eine Membran mit mindestens einem Aktivelement auf, welche als Befestigungselement für
das Mikroelement und als Verstellelement zum Verstellen des Mikroelements
dient. Da sich die Membran mit dem mindestens einen Aktivelement relativ
kostengünstig herstellen lässt und eine vergleichsweise
geringe Größe aufweist, eignet sich das erfindungsgemäße
mikromechanische Bauteil für viele Einrichtungen. Insbesondere
die Multifunktionalität der Membran mit dem mindestens
einen Aktivelement stellt dabei einen großen Vorteil dar.
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Vorzugsweise
ist ein Ankerpunkt, an welchen das Mikroelement die Membran kontaktiert,
definierbar, welcher auf einer natürlichen Deformationsknotenlinie
der Membran angeordnet ist. Das Mikroelement ist in diesem Fall
um einen bestimmten Winkelbereich um eine durch den Ankerpunkt verlaufende
Drehachse drehbar, ohne dass das Mikroelement gleichzeitig gehoben
wird.
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Beispielsweise
ist das Mikroelement ein Mikrospiegel, eine Mikropinzette und/oder
ein mikromechanisches Klemmelement. Der Mikrospiegel, die Mikropinzette
oder das mikromechanische Klemmelement lassen sich in diesem Fall
leicht über einen relativ großen Winkelbereich
und/oder über eine vergleichsweise große Verstelldifferenz
verstellen, wobei aufgrund der hohen Sensitivität der Aktivelemente
eine geringe Rastergröße gewährleistet
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens
eine Aktivelement mindestens zwei Elektroden, welche mit jeweils
einem Ende fest an der Membran angeordnet sind, und deren Spannungsanschlüsse
zum Anlegen der Spannung zwischen den mindestens zwei Elektroden
ausgebildet sind, so dass die von der Membran abgewandten Enden
der mindestens zwei Elektroden bei Anlegen der Spannung eine Anziehung
oder eine Abstoßung erfahren. Aufgrund der festen Anordnung
der mindestens zwei Elektroden an der Membran bewirkt dies eine
Ein- oder Auswölbung der Membran. Auf diese Weise lässt
sich das Mikroelement über eine Deformierung der Membran
leicht verstellen.
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Als
Alternative oder als Ergänzung dazu kann das mindestens
eine Aktivelement einen piezoelektrischen Aktor umfassen. Bei Anlegen
einer Spannung an den piezoelektrischen Aktor wird dieser verformt.
Die Verformung des piezoelektrischen Aktors wirkt sich auch auf
die Membran aus, welche auf diese Weise ein- oder ausgewölbt
wird. Piezoelektrische Aktoren lassen sich mittels bekannter Verfahren auf
kostengünstige Weise auf einer Membran bilden. Damit stellt
ein piezoelektrischer Aktor eine kostengünstige Möglichkeit
zur Realisierung eines Aktivelements für das mikromechanische
Bauteil dar.
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Des
Weiteren können die Aktivelemente auch elektromagnetische
oder thermische Wandler umfassen. Dabei weist ein Aktivelement die
Eigenschaft auf, dass es bei Anlegen einer Spannung eine mechanische
Arbeit in Form einer Volumenänderung und/oder einer Stellungsänderung
einzelner Komponenten des Aktivelements leistet.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils ist
an der Aussparung eine Luftöffnung für einen Druckausgleich
in dem Inneren der Aussparung ausgebildet. Beispielsweise deckt
die Membran die Aussparung nur teilweise ab. Dies verhindert einen
Unter- oder Überdruck im Inneren der Aussparung bei einer
Verformung der Membran und gewährleistet eine hohe Flexibilität
der Membran.
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Beispielsweise
umfasst die Halterung ein Halbleitersubstrat mit einer Kaverne.
Ein SOI-Substrat ist dabei nicht notwendig. Es ist vorteilhaft,
wenn in dem Halbleitersubstrat ein Stichkanal ausgebildet ist, welcher
als Luftöffnung für den Druckausgleich zwischen
der Kaverne und einer Oberfläche des Halbleitersubstrats
verläuft. Ein derartiger Stichkanal lässt sich
auf einfache Weise in dem Halbleitersubstrat ausbilden.
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Vorzugsweise
ist an der Membran mindestens ein Sensorelement angeordnet, welches
durch das Verformen der Membran verformt wird und welches so ausgelegt
ist, dass bei einem Verformen des Sensorelements eine Spannung oder
eine Widerstandsänderung induziert wird. Anhand der induzierten
Spannung oder der Widerstandsänderung lässt sich
eine stattgefundene Verformung der Membran feststellen. Ein derartiges
Sensorelement kann beispielsweise ein Piezoelement sein. Die auf
diese Weise gewonnenen Daten über das Verhalten der Membran
lassen sich für ein vorteilhafteres Ansteuern des mindestens
einen Aktivelements verwenden.
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Die
in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sich auch
durch ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen
Bauteils gewährleistet. Vorzugsweise wird bei der Verformung
der Membran die erste Deformationsgrundmode oder die erste Deformationsobermode
der Membran genutzt.
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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 zeigt
einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des
mikromechanischen Bauteils;
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2 zeigt
einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des
mikromechanischen Bauteils;
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3 zeigt
eine Draufsicht auf eine Membran einer dritten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils;
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4 zeigt
einen vergrößerten Teilausschnitt der 3;
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5 zeigt
eine Draufsicht auf eine Membran einer vierten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils; und
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6 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt der 5.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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1 zeigt
einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des
mikromechanischen Bauteils.
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Das
dargestellte mikromechanische Bauteil 10 umfasst ein Halbleitersubstrat 12,
vorzugsweise ein Siliziumsubstrat. In das Halbleitersubstrat 12 ist eine
Kaverne 14 geätzt. Die Kaverne 14 wird
von einer Membran 16 vollständig abgedeckt. Die
Membran 16 kann mittels herkömmlicher Verfahren
aus Silizium gebildet werden. Vorzugsweise ist die Membran 16 monokristallin
und gewellt ausgebildet. Eine monokristalline Membran weist eine
höhere Zuverlässigkeit als eine polykristalline
Membran auf, da letztere bei einer mehrmaligen Verformung schneller bricht.
Auf der Membran 16 ist eine Isolierschicht 18 ausgebildet.
Beispielsweise besteht die Isolierschicht 18 aus Siliziumoxid.
Besteht die Membran 16 aus Silizium, so kann die Isolierschicht 18 durch
eine thermische Oxidierung gebildet werden.
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In
der Mitte der Membran 16 ist auf der Isolierschicht 18 ein
Sockel 20 angeordnet. Der Sockel 20 trägt
ein Mikroelement, beispielsweise einen Mikrospiegel 22.
Der Sockel 20 und der Mikrospiegel 22 können
einstückig aus Polysilizium hergestellt sein. Eventuell
ist auf dem Mikrospiegel 22 eine (nicht skizzierte) reflektierende
Schicht aufgebracht. Anstelle des Mikrospiegels 22 kann
auch eine Mikropinzette oder ein mikromechanisches Klemmelement
auf dem Sockel 20 angeordnet sein.
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Auf
der Isolierschicht 18 sind Aktivelemente 24 angeordnet.
Die Aktivelemente 24 sind mittels der Isolierschicht 18 von
der Membran 16 elektrisch isoliert. Die Aktivelemente 24 können,
wie in 1 dargestellt, piezoelektrische Aktoren sein.
Als Alternative oder als Ergänzung zu den piezoelektrischen
Aktoren können auf der Isolierschicht 18 auch
elektrostatische, thermische und oder elektromagnetische Aktoren
als Aktivelemente 24 angebracht sein. Eine Vielzahl von
Wandlern, welche bei Anlegen einer Spannung mechanische Arbeit zum
Variieren ihrer räumlichen Ausdehnung leisten, eignen sich
zur Verwendung als Aktivelement 24.
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Jedes
der Aktivelemente 24 weist eigene Spannungsanschlüsse
auf, so dass eine Spannung gezielt an jedes der Aktivelemente 24 anlegbar
ist. Die an den Spannungsanschlüssen angelegte Spannung
bewirkt eine Verformung des zugehörigen Aktivelements 24.
Durch die feste Verbindung der als piezoelektrische Aktoren ausgebildeten
Aktivelemente 24 mit der Isolierschicht 18 wird
eine Verformung eines Aktivelements 24 auf die Isolierschicht 18 und
die Membran 16 übertragen. Somit kann eine Verformung
eines Aktivelements 24 auch eine Deformation der Membran 16 bewirken.
Da die Spannungsanschlüsse der Aktivelemente 24 so
ausgebildet sind, dass jedes der Aktivelemente 24 einzeln
ansteuerbar ist, können die Aktivelemente 24 so
verformt werden, dass die Membran 16 in eine gewünschte
gewellte Endform deformiert wird.
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Ist
die Membran 16 nicht deformiert, so verläuft der
Sockel 20 parallel zu einer vertikalen Achse 26,
welche die Oberfläche des Halbleitersubstrats 12 in
einen rechten Winkel schneidet. Bei einer Deformation der Membran 16 werden
der Sockel 20 und der Mikrospiegel 22 aus ihrer
(nicht dargestellten) Ausgangsstellung um einen Winkel α in
eine gewünschte Endstellung verstellt.
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In
dem in 1 gezeigten Beispiel wird die Kaverne 14 vollständig
von der Membran 16 abgedeckt. Als Alternative dazu kann
die Membran 16 die Kaverne 14 nur teilweise abdecken.
Die unvollständige Abdeckung der Kaverne 14 verhindert
in diesem Fall, dass bei einer Deformation der Membran 16 ein Unter-
oder Überdruck in der Kaverne 14 auftritt.
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Ebenso
kann die Kaverne 14 nach einer Seite offen ausgebildet
sein. In dem Beispiel der 1 ist ein
Stichkanal 28 in das Halbleitersubstrat 12 geätzt,
welcher das Innere der Kaverne 14 mit der Oberfläche
der Isolierschicht 18 verbindet. Durch den Stichkanal 28 kann
Luft in die Kaverne 14 eingesaugt werden oder aus der Kaverne 14 ausströmen.
Somit verhindert der Stichkanal 28 das Auftreten eines
Unter- oder Überdrucks in der Kaverne 14 bei einer
Deformation der Membran 16. Der mittels des Stichkanals 28 ermöglichte
Druckausgleich erhöht die Flexibilität der Membran 16.
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2 zeigt
einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform des
mikromechanischen Bauteils.
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Das
dargestellte mikromechanische Bauteil 50 umfasst ein Halbleitersubstrat 52,
vorzugsweise aus Silizium und p-dotiert, mit einer Kaverne 54.
Die Kaverne 54 kann beispielsweise eine Höhe von
etwa 1 bis 10 μm aufweisen. Als Alternative zu der gezeigten
geschlossenen Ausbildung der Kaverne 54 kann das Halbleitersubstrat 52 auch
eine offene Kaverne aufweisen, deren mögliche Ränder
durch die gestrichelten Linien 56 wiedergegeben werden.
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Die
Kaverne 54 wird von einer Membran 58 vollständig
abgedeckt. Die Membran 58 kann sich über die gesamte
Oberfläche des Halbleitersubstrats 52 erstrecken.
Als Alternative dazu kann die Membran 58 auf Teilbereiche
der Oberfläche und Ränder der Kaverne 54 beschränkt
sein. Vorzugsweise besteht die Membran 58 aus monokristallinem
Silizium und ist gewellt ausgebildet.
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Auf
der Oberfläche der Membran 58 ist eine Isolierschicht 60 gebildet.
Die Isolierschicht 60 kann beispielsweise Siliziumoxid
umfassen. Besteht die Membran 58 aus Silizium, so kann
die Isolierschicht 60 durch eine thermische Oxidierung
der Membran 58 gebildet werden.
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Das
mikromechanische Bauteil 50 weist als Mikroelement einen
Mikrospiegel 62 auf, welcher mittels eines Sockels 64 oberhalb
der Isolierschicht 60 angeordnet ist. Vorzugsweise ist
der Sockel 64 dabei so an der Isolierschicht 60 angebracht,
dass eine zum Halbleitersubstrat 52 vertikal verlaufende
Mittelachse der Kaverne 54 durch den Sockel 64 verläuft. Anstelle
des Mikrospiegels 62 kann der Sockel 64 auch eine
Mikropinzette oder ein mikromechanisches Klemmelement tragen. Oberhalb
der Isolierschicht 60 können auch mehrere Sockel 64 mit
gleichen oder verschiedenen Mikroelementen befestigt sein.
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Bei
einer Deformation der Membran 58 kann der Mikrospiegel 62 mit
dem Sockel 64 aus seiner in 2 gezeigten
Ausgangslage um einen bestimmten Winkelbereich gekippt werden. Zum
Deformieren der Membran 58 sind auf der Isolierschicht 60 Aktivelemente 66 gebildet.
Die beiden Aktivelemente 66 sind auf verschiedenen Seiten
des Sockels 64 angeordnet.
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Jedes
der beiden Aktivelemente 66 umfasst mehrere Elektroden 68.
Vorzugsweise sind die Elektroden 68 als Interdigitalelektroden
ausgebildet. Jede der Elektroden 68 eines Aktivelements 66 ist
mit einem Ende 70 fest mit dem mikromechanischen Bauteil 50 verbunden
sind. Zusätzlich sind die Elektroden 68 an ihren
Enden 70 elektrisch mit Zuleitungen 72 verbunden.
Allerdings ist in 2 nur eine Zuleitung 72 beispielhaft
dargestellt. Dabei ist die elektrische Kontaktierung der Elektroden 68 über
die Zuleitungen 72 so ausgebildet, dass jede der Elektroden 68, welche
zwischen zwei benachbarten Elektroden 68 angeordnet ist,
mit einer anderen Zuleitung 72 elektrisch verbunden ist,
als die zu ihr benachbarten Elektroden 68. Dies ist realisierbar,
indem die auf der Isolierschicht 60 gebildeten Zuleitungen 72 mit
einer Passivierungsschicht 74 abgedeckt werden. Die Passivierungsschicht 74 kann
beispielsweise aus Siliziumnitrid (SiN) bestehen. Die Elektroden 68 sind
auf einer Oberfläche der Passivierungsschicht 74 angeordnet.
Um einen elektrischen Kontakt zwischen einer Zuleitung 72 und
den ihr zugeordneten Elektroden 68 zu ermöglichen,
sind innerhalb der Passivierungsschicht 74 Leitungskontakte 76 ausgebildet, welche
jeweils eine Zuleitung 72 mit einer der Zuleitung 72 zugeordneten
Elektroden 68 elektrisch verbinden.
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Die
in dem oberen Absatz beschriebenen Aktivelemente 66 können
hergestellt werden, indem auf der Isolierschicht 60 Polysilizium
zur Bildung der Zuleitungen 72 aufgetragen wird. Anschließend
werden die Zuleitungen 72 mit der Passivierungsschicht 74 abgedeckt.
In die Passivierungsschicht 74 können nun Aussparungen
geätzt werden, durch welche die Positionen der später
gebildeten Leitungskontakte 76 festgelegt werden. Anschließend
wird das Material für die Elektroden 68 und die
Leitungskontakte 76 auf die Passivierungsschicht 74 aufgebracht.
Beispielsweise kann dazu eine Polysiliziumschicht auf der Passivierungsschicht 74 gebildet
werden. Dabei Pillen sich auch die Aussparungen in der Passivierungsschicht 74 mit
Polysilizium zum Bilden der Leitungskontakte 76. Anschließend
können in einem Ätzschritt die Elektroden 68 aus
der auf die Passivierungsschicht 74 aufgebrachten Schicht
geätzt werden.
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Vorzugsweise
sind die Elektroden 68 als dünne Platten ausgebildet,
die senkrecht zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 52 angeordnet
sind. Über die Zuleitungen 72 kann eine Spannung
zwischen benachbarten Elektroden 68 angelegt werden. Die von
dem mikromechanischen Bauteil 50 abstehenden Enden 78 der
Elektroden 68 werden in diesem Fall, abhängig
von der zwischen den Elektroden 68 angelegten Spannung,
angezogen oder abgestoßen. Die Elektroden 68 gehen
dabei aus ihrer in 2 gezeigten Ausgangsstellung
in eine Endstellung über, in welcher die Enden 78 entweder
aneinander angenähert sind oder voneinander abgespreizt
sind. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Enden 78 ist somit
abhängig von der zwischen den Elektroden 68 angelegten
Spannung.
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Da
die Elektroden 68 mit ihren Enden 70 fest mit
dem mikromechanischen Bauteil 50 verbunden sind, bewirkt
eine Änderung des Abstands zwischen zwei benachbarten Enden 78 eine
Ein- oder Auswölbung der Membran 58. Auf diese
Weise können der Mikrospiegel 62 und der Sockel 64 aus
ihrer Ausgangsstellung in eine gewünschte Endstellung verstellt
werden.
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Zum
Anlegen einer Spannung zwischen zwei benachbarten Elektroden 68 weist
das mikromechanische Bauteil 50 Schaltungseinrichtungen 80 auf. Derartige
Schaltungseinrichtungen 80 können mittels bekannter
Herstellungsverfahren hergestellt werden. Auf die Herstellung der
Schaltungseinrichtung 80 wird deshalb hier nicht genauer
eingegangen.
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Vorzugsweise
ist innerhalb der als Epitaxieschicht ausgebildeten Membran 58 mindestens eine
Diffusion 82, beispielsweise vom p-Typ, zwischen der Schaltungseinrichtung 80 und
der Kaverne 54 ausgebildet. Ebenso kann die Schaltungseinrichtung 80 von
einer dielektrischen Schicht 84 abgedeckt sein.
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Des
Weiteren kann die Kaverne 54 über eine nach außen
kommunizierende Verbindung verfügen. Dazu sind Piezowiderstände 86 in
die Membran 58. Jeder der Piezowiderstände 86 umfasst
als Kontaktbereich 88 eine hochdotierte Diffusion und eine
Piezoschicht 90. Bei einer Deformation der Membran 58 wird
in den Piezowiderständen 86 eine Widerstandsänderung
induziert, anhand der die Deformation der Membran 58 für
eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung feststellbar ist.
Das Ansteuern der Aktivelemente 66 kann in diesem Fall
unter Berücksichtigung der von der Auswerteeinrichtung
festgestellten Deformation der Membran 58 erfolgen.
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In
dem Beispiel der 2 erstreckt sich die Isolierschicht 60 über
die gesamte Ausdehnung der Membran 58. Als Alternative
dazu kann die Isolierschicht 60 nur zwischen der Membran 58 und
den Zuleitungen 72 ausgebildet sein.
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Das
mikromechanische Bauteil 50 weist eine gute Integrierung
der Mikromechanik und der Mikroelektronik auf einem Halbleitersubstrat 52 (Chip)
auf. Das Halbleitersubstrat 52 kann ein einfaches Substrat
sein. Ein SOI-Substrat ist nicht notwendig. Dies reduziert die Herstellungskosten
für das mikromechanische Bauteil 50.
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Weitere
Kostenvorteile liegen in der kleinen und dünnen Abmessung
der Membran 58. Dabei ist eine Auswerteschaltung leicht
in das mikromechanische Bauteil 50, insbesondere in die
Membran 58, integrierbar. Die Multifunktion der Membran 58 als
Befestigungselement für das Mikroelement, als Verstellelement
und als Sensorkomponente trägt zur Reduzierung der Größe
des mikromechanischen Bauteils 50 bei. Zusätzlich
wird auf diese Weise der Aufbau und die Verbindungstechnik des mikromechanischen Bauteils 50 vereinfacht.
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Insbesondere
bei einer monokristallinen Membran 58 aus Silizium ist
eine gewünschte Federkonstante durch die mechanische Schichtspannung leicht
einstellbar. Dies garantiert ein definiertes Verhalten der Membran 58,
bei Bedarf mit hoher Flexibilität.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf eine Membran einer dritten Ausführungsform
des mikromechanischen Bauteils. 4 zeigt
einen vergrößerten Teilausschnitt der 3.
Das dargestellte mikromechanische Bauteil eignet sich besonders
gut für einen Linearscanspiegel.
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Die
in 3 gezeigte Membran 100 besteht aus monokristallinem
Silizium. Anstelle der gezeigten quadratischen Form kann die Membran 100 auch kreisförmig
oder oval geformt sein. Entsprechend kann sich auch die Form der
(nicht skizzierten) Kaverne an die Form der Membran 100 anpassen.
In dem in 3 gezeigten Beispiel weist die
Kaverne eine nahezu viereckige Grundfläche auf, welche durch
die Linie 102 wiedergegeben ist. Die gestrichelte Linie
A-A' markiert den Querschnitt der 1 und 2.
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In
der Mitte der Membran 100, bzw. auf einer Knotenlinie 104 einer
Deformationsmode der Membran 100, befindet sich ein Ankerpunkt 106 eines (nicht
dargestellten) Sockels, auf welchem ein Mikroelement, beispielsweise
ein Mikrospiegel, angeordnet ist. Das Mikroelement kann durch ein
Deformieren der Membran 100 für einen bestimmten
Winkelbereich um die Knotenlinie 104 verstellt werden.
Zum Deformieren der Membran 100 befinden sich innerhalb
der Bereiche 108 und 110 der Membran 100 Aktivelemente,
welche in 3 jedoch nicht dargestellt sind.
Die Bereiche 108 und 110 weisen bei einer Deformation
der Membran 100 die größte Membrankrümmung
auf. Sie umfassen die Bereiche 108 der Deformationsbäuche
und die Bereiche 110 an den Rändern der Membran 100.
Die Bereiche 110 an den Rändern der Membran 100,
speziell an den zu der Knotenlinie 104 parallelen Rändern,
eignen sich zusätzlich besonders gut für das Anbringen
von Sensorelementen zum Ermitteln einer aktuellen Deformation der
Membran 100, wie beispielsweise Piezowiderständen.
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4 zeigt
zwei Gruppen von Elektroden 112 und 114, welche
parallel zueinander innerhalb des Bereichs 108 eines Deformationsbauchs
auf der (nicht gezeigten) Membran befestigt sind. Dabei sind die
erste Gruppe der Elektroden 112 und die zweite Gruppe der
Elektroden 114 so zueinander angeordnet, dass genau eine
Elektrode 114 der zweiten Gruppe zwischen zwei Elektroden 112 der
ersten Gruppe angeordnet ist. Zwischen jeder Elektrode 112 der
ersten Gruppe und einer zu ihr benachbarten Elektrode 114 der
zweiten Gruppe 114 kann eine Spannung angelegt werden,
durch welche sich die von der Membran abstehenden Enden der Elektroden 112 und 114 anziehen
oder abstoßen. Dies bewirkt eine Ein- oder Auswölbung
der Membran 100.
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Die
Membran 100 kann durch die Aktivelemente in Schwingungen
versetzt werden, so dass sich eine bestimmte Auslenkungsmode einstellt.
Bevorzugt liegen die Auslenkungen parallel zu den Kanten der Membran 100.
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In 3 weist
die Membran 100 auf einer ersten Seite 116 der
Knotenlinie 104 eine (heller markierte) Auswölbung
auf. Auf der gegenüber liegenden zweiten Seite 118 der
Knotenlinie 104 liegt eine (dunkler markierte) Einwölbung.
Die Einwölbung und die Auswölbung bewirken eine
Neigung des an dem Ankerpunkt 106 befestigten Mikroelements
zur zweiten Seite 118.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf eine Membran einer vierten Ausührungsform
des mikromechanischen Bauteils. 6 zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt der 5.
Das dargestellte mikromechanische Bauteil ist gut für einen
Flächenrasterscanner geeignet.
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Die
dargestellte Membran 150 ist über einer (nicht
dargestellten) Kaverne mit einer kreisförmigen Bodenfläche 152 ausgebildet.
Oberhalb eines Mittelpunkts der Bodenfläche 152 weist
die Membran 150 einen Ankerpunkt 154 zum Befestigen
eines Sockels und eines Mikroelements auf. Die um den Ankerpunkt 154 liegende
Membran 150 ist in Sektoren 156 unterteilt.
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6 zeigt
einen Sektor 156 mit einer darauf angeordneten ersten und
zweiten Gruppe von Elektroden 158 und 160. Die
Elektroden 158 und 160 weisen eine Bogenform auf,
welche sich an die Begrenzungen des Sektors 156 anpasst.
Jede Elektrode 160 der zweiten Gruppe ist zwischen zwei
Elektroden 158 der ersten Gruppe angeordnet. Zwischen jeder
der Elektrode 158 der ersten Gruppe und einer benachbarten
Elektrode 160 der zweiten Gruppe kann eine Spannung angelegt
werden, durch welche sich die von der (nicht skizzierten) Membran
abstehenden Enden der Elektroden 158 und 160 anziehen
oder abstoßen. Dies bewirkt Ein- oder Auswölbungen
an der Membran 150. 5 zeigt
Membranhöhenlinien 162 einer beispielhaften Deformation
der Membran 150.
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Zur
Deformierung der Membran 150 können in jedem der
Sektoren 156 auch andere Aktivelemente angeordnet sein.
Beispielsweise können piezoelektrische, thermische und/oder
elektromagnetische Wandler verwendet werden, um die Membran 150 zu deformieren.
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Durch
die Unterteilung der Membran 150 in mindestens drei Sektoren 156,
welche den Ankerpunkt 154 umgeben, ist eine Auslenkung
des an den Ankerpunkt 154 befestigten Mikroelements in
alle Raumrichtungen möglich. Das anhand der 5 und 6 erläuterte
mikromechanische Bauteil weist deshalb eine hohe Anzahl von Freiheitsgraden
zum Verstellen des Mikroelements auf.
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Für
die Applikation sind in erste Linie die ersten angeregten Schwingungs-
bzw. Deformationsmoden und weniger die Grundmode der Membran 150 interessant.
Der Ankerpunkt des zu aktuierenden Elements liegt dabei bevorzugt
auf einer natürlichen Deformationsknotenlinie der Membran,
d. h. einer derjenigen Linien, die bei einer Schwingung keine Amplitudenauslenkung
erfährt. Auf diese Weise lässt sich einfach eine
Verkippung des Membranmittelpunkts, bzw. des Ankerpunkts 154 und
des darauf verankerten Mikroelements erreichen, ohne dass eine Hebung
des gesamten Mikroelements damit verbunden ist. Es ist sowohl ein
statischer als auch ein dynamischer Betrieb zum Verstellen des Mikroelements
denkbar.
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Das
anhand der oberen Absätze beschriebene mikromechanische
Bauteil lässt sich sowohl für Bildprojektoren,
beispielsweise Headup-Displays oder Beamer, als auch für
Laserdrucker verwenden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5272262 [0002]
- - US 5600383 [0002]
- - US 6819470 [0002]
- - US 6914710 [0002]
- - US 2005/0013533 [0002]
- - WO 03098918 [0002]