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STAND DER TECHNIK
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Festkörpergelenk für
ein mikromechanisches Bauelement und ein mikromechanisches Bauelement.
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Techniken,
die entwickelt wurden, für eine fortschreitende Miniaturisierung
elektrischer Systeme, insbesondere auf der Basis von Halbleitermaterialien,
werden mittlerweile auch auf elektromechanische Bauelemente angewandt.
Unter Anderem werden miniaturisierte elektro-mechanische Schalter,
Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, und diverse
Aktoren aus Halbleitermaterialien hergestellt. Die vielen Produkte
werden unter dem Namen MEMS (micro electro mechanical systems) zusammengefasst.
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Eine
Anwendung finden die mikromechanischen Bauelemente als Stellelemente
für optische Spiegel, vgl.
US
6,552,991 . Der Spiegel ist an einem Rahmen durch zwei tordierbare
Festkörpergelenke aufhängt, die verdrillt eine
Rückstellkraft des Spiegels in seine Ausgangsposition bewirken.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen dem Spiegel und
dem Rahmen kann der Spiegel aus der Ausgangsposition gedreht werden.
Der Grad der Auslenkung wird durch die Stärke des elektrischen
Feldes und die Torsionssteifigkeit der Festkörpergelenke
bestimmt.
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Die
entsprechenden elektrischen Felder zum Bewegen des Spiegels werden
durch Anlegen von Potentialen an den Spiegel und den Rahmen bewirkt.
Da hierfür bereits zumindest eines der Festkörpergelenke als
Zuleitung benötigt wird, können keine weiteren
Signale und Versorgungen zugeführt werden.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Festkörpergelenk
zum Aufhängen einer mikromechanischen Einrichtung, das
einen tragenden Balken und eine auf dem tragenden Balken aufgebrachte
dünne Schicht, die seitlich über den tragenden
Balken hinausragt, aufweist, wobei in der dünnen Schicht
ein oder mehrere Leiterbahnen eingebettet sind.
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Eine
zugrundeliegende Idee besteht darin, dass die Torsionssteifigkeit
des Balkens durch die dünne Schicht nur unwesentlich beeinflusst
wird, auch wenn diese breiter als der Balken ist. Zugleich bietet
die dünne Schicht die Möglichkeit mehrere Leiterbahnen
aufzunehmen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
und beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren
zeigen:
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1 ein
mikromechanisches Bauelement mit einem Spiegel,
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2 eine
erste Ausführungsform eines Festkörpergelenks
für ein mikromechanisches Bauelement,
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3 eine
zweite Ausführungsform eines Festkörpergelenks
für ein mikromechanisches Bauelement und
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4 eine
dritte Ausführungsform eines Festkörpergelenks
für ein mikromechanisches Bauelement.
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AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein beispielhaftes mikromechanisches Bauelement 1. Eine
spiegelnde Fläche 2 des mikromechanischen Bauelements 1 kann
unabhängig um eine x-Achse und eine zur x-Achse senkrecht
orientierte y-Achse gekippt werden.
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Die
spiegelnde Fläche 2 ist seitlich von einem inneren
Rahmen 4a, 4b, 4c umgeben. Zwei Festkörpergelenke 3 verbinden
mechanisch den inneren Rahmen 4a, 4b, 4c mit
der spiegelnden Fläche 2. Die Festkörpergelenke 3 sind
um ihre Längsachse, das heißt um die x-Achse,
verdrillbar. Eine hohe Steifigkeit der Festkörpergelenke 3 in
die z-Richtung senkrecht zur spiegelnden Fläche 1,
das heißt der x-y-Ebene, verhindert eine translatorische
Bewegung der spiegelnden Fläche 2 in die z-Richtung.
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Eine
Drehung der spiegelnden Fläche 2 bezüglich
des inneren Rahmens 4a, 4b, 4c wird durch
Anlegen von elektrischen Feldern bewirkt. An die spiegelnde Fläche 2 kann
ein erstes elektrisches Potential und an den inneren Rahmen 4a, 4b, 4c unabhängig
von dem ersten elektrischen Potential ein zweites elektrisches Potential
angelegt werden. Die spiegelnde Fläche 2 wird
von dem inneren Rahmen 4a, 4b, 4c angezogen, wenn
das erste elektrische Potential und das zweite elektrische Potential
ungleiche Polarität aufweisen. Die in z-Richtung steifen
Festkörpergelenke 3 verhindern, dass die spiegelnde
Fläche 2 parallel zu der x-y-Ebene des Rahmens 4a, 4b, 4c verschoben
wird. Wenn die spiegelnde Fläche 2 und die xy-Ebene
des inneren Rahmens 4a, 4b, 4c zueinander
nicht parallel sind, so ergibt sich aufgrund der elektrostatischen
Anziehung eine Drehbewegung. Durch einen periodischen Wechsel der
relativen Polarität der beiden Potentiale kann eine resonante
Schwingung der spiegelnden Fläche 2 angeregt werden.
Die Resonanzfrequenz ist dabei von den mechanischen Eigenschaften
abhängig, insbesondere dem Trägheitsmoment der
spiegelnden Fläche 2 und der Torsionssteifigkeit
des Festkörpergelenks 3.
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Die
Grenzfläche zwischen dem inneren Rahmen 4a, 4b, 4c und
der spiegelnden Fläche 2 ist durch einen mäander-förmigen
Rand 11 erhöht, um stärkere elektrostatische
Wechselfelder bei gleichem Potentialunterschied zu bewirken.
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Der
innere Rahmen 4a, 4b, 4b kann wie in 1 gezeigt
in einem äußeren Rahmen 6 mittels weiterer äußerer
Festkörpergelenke 7 aufgehängt sein.
Die äußeren Festkörpergelenke 7 entsprechen
im Wesentlichen den (inneren) Festkörpergelenken 3,
nur sind sie entlang der y-Richtung orientiert. Durch Anlegen von elektrischen
Wechselfeldern zwischen dem inneren Rahmen 4a, 4b, 4c und
dem äußeren Rahmen 6 kann eine resonante
Schwingung des inneren Rahmens 4a, 4b, 4c um
die y-Achse angeregt werden.
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Die
notwendigen Potentiale werden über drei oder mehr Anschlüsse 10, 8, 9 angelegt.
Ein erster Anschluss 10 kontaktiert den äußeren
Rahmen 6. Ein zweiter Anschluss 8 ist von dem äußeren
Rahmen 6 isoliert und über ein erstes der äußeren
Festkörpergelenke 7 in Kontakt mit einem ersten
Teil 4a des inneren Rahmens. Das eine äußere
Festkörpergelenk 7 ist leitfähig. Ein
dritter Anschluss 9 ist von dem äußeren
Rahmen 6 isoliert und über ein zweites der äußeren
Festkörpergelenke 7 in Kontakt mit einem zweiten
Teil 4b des inneren Rahmens. Der zweite Teil 4b ist
durch Isolationsgräben 5 von dem ersten Teil 4a elektrisch
isoliert. Der zweite Teil 4b ist über eines der
inneren Festkörpergelenke 3 elektrisch mit der
spiegelnden Fläche 2 verbunden. Das andere der
inneren Festkörpergelenke 3 ist von dem ersten
Teil 4a des inneren Rahmens elektrisch isoliert.
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Eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines
Festkörpergelenks 12 ist in 2 gezeigt.
Das Festkörpergelenk 12 weist einen tragenden
Balken 13 und eine Schicht 14 auf.
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Der
tragende Balken 13 besteht vorzugsweise aus einem mono-kristallinen
Substrat, z. B. monokristallinem Silizium. Die dünne Schicht 14 kann
ebenfalls aus einem mono-kristallinen, aber auch aus poly-kristallinen
Substrat, z. B. Silizium bestehen. Zumindest einer der beiden Balken
oder dünne Schicht ist aus einem leitfähigen Substrat
gebildet. Das leitfähige Substrat kann stark dotierte Halbleitersubstrate
umfassen.
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Der
tragende Balken 13 und die dünne Schicht 14 können
durch eine Trennschicht 15 beabstandet sein. Die Trennschicht 15 ergibt
sich herstellungsbedingt, um den tragenden Balken des Festkörpergelenks 12 zu ätzen.
Die Trennschicht 15 kann Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid
aufweisen oder daraus bestehen.
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Die
geometrischen Abmessungen des tragenden Balkens 13 sind
für eine geringe Torsionssteifigkeit um die Längsachse
(y-Achse) des Festkörpergelenks 12 und eine hohe
Biegesteifigkeit in allen drei Raumrichtungen optimiert. Die dünne
Schicht 14 beeinflusst wegen ihrer geringen Wandstärke
die Torsionssteifigkeit nur unwesentlich, trotz ihrer größeren
Breite.
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Die
Breite b1 des tragenden Balkens 13 und die Wandstärke
d1 des tragende Balkens 13 weisen ein Verhältnis
von etwa acht bis zwölf, vorzugsweise etwa zehn auf. Die
Breite b2 der dünnen Schicht 14 und die Wandstärke
d2 der dünnen Schicht 14 weisen ein Verhältnis
von etwa acht bis zwölf, vorzugsweise etwa zehn auf.
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Die
Leiterbahn tragende Schicht
13 kann vorzugsweise dünner
als ein Drittel der geringsten Abmessung des tragenden Balkens
17 sein.
Bei einer zwanzig-fach breiteren als dicken dünnen Schicht
14 ist
der Beitrag des tragenden Balkens
13 zur Torsionssteifigkeit
näherungsweise vierfach so groß wie der Beitrag
der dünnen Schicht
14 zur Torsionssteifigkeit.
Eine Abschätzung der Torsionssteifigkeit des Festkörpergelenks kann
nach folgender Beziehung ermittelt werden:
wobei K die Torsionssteifigkeit,
G das Schwermodul, l die Länge des Festkörpergelenks,
b1, d1 die Abmessungen des tragenden Balkens
13 und b2,
d2 die Abmessungen der dünnen Schicht
14 (vgl.
2)
bezeichnen.
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Die
Länge l des Festkörpergelenks 12 hat
keinen Einfluss auf das Verhältnis der Torsionssteifigkeit
zu der Biegesteifigkeit.
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Eine
zweite Ausführungsform eines Festkörpergelenks 16 ist
im Querschnitt in 3 dargestellt. Die geometrischen
Abmessungen des tragenden Balkens 17 und der dünnen
Schicht 22 entsprechen der ersten Ausführungsform 12.
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Das
Festkörpergelenk 16 weist mehrere integrierte
Leiterbahnen 18 auf. Diese im Schnitt dargestellten Leiterbahnen 18 verlaufen
in Längsrichtung des Festkörpergelenks 16. Über
die Leiterbahnen 18 können Potentiale elektrostatischen
Aktuatoren zugeführt werden. Zudem können Sensoren
auf bewegten Elementen der mikromechanischen Bauelemente integriert
werden und deren benötigte Versorgungs- und Signalleitungen über
die Festkörpergelenke 16 geführt werden.
Neben der Ansteuerung des kardanisch aufgehängten Spiegels 2 können
somit zusätzlich noch Signale für eine Positionsdetektion über
innere und/oder äußere Festkörpergelenke
geleitet werden.
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Ein
beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des Festkörpergelenks 16 beginnt
mit einem monokristallinen Siliziumsubstrat.
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In
das Siliziumsubstrat werden Paare von schmalen Gräben geätzt.
Die Breite der Gräben kann deutlich geringer als die Hälfte
der Breite b2 des zweiten Balkens sein. Der Abstand zwischen den
Gräben eines Paares entspricht der Wandstärke
d1 des ersten Balkens 17. Die Tiefe der Gräben
entspricht der Breite b1 des tragenden Balkens 17. Auf
den Seitenwänden der Gräben wird eine Abstandsschicht
(Spacer) aus Siliziumoxid aufgewachsen oder die Gräben
werden mit Siliziumoxid gefüllt.
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Auf
dem Substrat wird eine Trennschicht 19 aus Siliziumoxid
durch einen Oxidationsprozess aufgewachsen. Mit einem nachfolgenden
Abscheideverfahren, zweckmäßigerweise aus der
Gasphase (CVD), wird eine poly-kristalline Siliziumschicht auf der
Trennschicht 19 aufgebracht.
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In
die poly-kristalline Siliziumschicht werden mittels eines lithographischen
Strukturierungsverfahrens Gräben geätzt, um die
poly-kristalline Siliziumschicht in Leiterbahnen 18 zu
unterteilen. Die Gräben 20 werden mit einem Dielektrikum,
z. B. Siliziumoxid gefüllt. Das poly-kristalline Silizium
kann bereits mit Dotierstoffen abgeschieden werden. Alternativ wird
das poly-kristalline Silizium nach dem Strukturierungsverfahren
durch Ionen-Implantation dotiert. Optional kann eine Deckschicht
aus Siliziumoxid auf den Leiterbahnen 18 aufgebracht werden.
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Der
tragende Balken wird nachfolgend durch ein geeignetes Strukturierungsverfahren
freigelegt. Die Breite des Balkens wird durch ein selektives Ätzen
unterhalb der dünnen Schicht definiert.
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Das
obige Herstellungsverfahren ist nicht auf die Wahl der Materialien
beschränkt. Anstelle von Siliziumoxid eignen sich unter
Anderem auch Siliziumnitrid, sowie andere Verbindungen, die selektiv
zu Silizium geätzt werden können.
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Eine
dritte Ausführungsform eines Festkörpergelenks 30 ist
in 4 dargestellt. Der tragende Balken 31 entspricht
in seinem Aufbau dem tragenden Balken 22 der zweiten Ausführungsform.
Die dünne Schicht 32 besteht aus mehreren Lagen
von Leiterbahnen 33, 34, 35. Die Breite
der oberen und der unteren Leiterbahn 33, 35 erstreckt
sich vorzugsweise über die gesamte Breite b3 der dünnen
Schicht 32. Diese Leiterbahnen 33, 35 dienen
als elektrische Abschirmung für die mittlere Lage 34.
Die mittlere Lage 34 kann mehrere seitlich zu einander
beabstandete Leiterbahnen 36 aufweisen. Isolationsgräben 37 isolieren
die Leiterbahnen 36 voneinander. Zwischen den einzelnen
Lagen sind Trennschichten 38 zur elektrischen Isolation
angeordnet.
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Bei
einer großen Anzahl von benötigten Leitungen z.
B. wegen den Signal- und Steuerleitungen, die über ein
Festkörpergelenk zu führen sind, liegen die Leitungen
nah beeinander. Ein kapazitives Überkoppeln kann durch
die koaxialen Leitungen nach der dritten Ausführungsform
vermieden oder zumindest verringert werden. Zwischen zwei Leiterbahnen
für Signale kann dazu eine Leiterbahn auf Masse oder ein
anderes geeignetes Schirmpotential gelegt werden.
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Die
beschriebenen Ausführungsformen eines Festkörpergelenks
können als innere und äußere Festkörpergelenke 3, 7 in
der mikromechanischen Vorrichtung 1 nach 1 dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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