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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung mikromechanischer dreidimensionaler (3D) Strukturen mittels mechanischer Vorauslenkung von zweidimensionalen (2D) Strukturen aus einer Waferebene oder einer Substratebene und einer anschließenden Fixierung im ausgelenkten Zustand.
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Solche dreidimensionalen Strukturen werden in der Mikro- und Mikrosystemtechnik, beispielsweise zur Erzeugung von elektrostatischen dreidimensionalen Antriebsstrukturen, verwendet. Solche Antriebe können für viele Mikrosysteme interessant sein, insbesondere für Mikroscanner zur Bildprojektion. Solche 3D-Strukturen können z. B. genutzt werden, um einen elektrostatischen Antrieb zu realisieren, der über einen großen Translations- bzw. Rotationsbereich, Kräfte und Momente aus einer Waferebene heraus erzeugen kann.
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Verschiedene Möglichkeiten zur Auslenkung von Strukturen aus einer Waferebene sind bekannt. Bekannte Verfahren nutzen Materialspannungen eines Substratmaterials oder einer Substratschichtkombination zur Verwölbung des Substrats an definierten Stellen. Die Verwölbung kann dann zum Auskippen oder Verdrehen der Strukturen aus dem Substrat genutzt werden. Die Materialspannung kann bei Materialpaarungen intrinsisch sein oder durch einen so genannten Aktor aufgeprägt werden. Die durch Materialspannung erreichbaren Verkrümmungen des Substrats sind jedoch gering. Zudem ergibt sich auf dem Substrat großer Platzbedarf, um die Materialspannung aufzubauen und signifikante Anstellwinkel der Strukturen gegenüber dem Substrat zu realisieren. Sie können durch lokales Abdünnen des Substrats vergrößert werden, was jedoch die mechanische Belastbarkeit der auszulenkenden Struktur schwächen kann und zu niederfrequenten Schwingungsmoden führen kann.
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Die
DE 44 02 119 A1 offenbart eine Mikropumpe mit einer Membran und einem hohen Ventilsitz, der die Membran nach oben auslenkt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung einer mikromechanischen Struktur und ein mikromechanisches Bauelement zu schaffen, die die oben beschriebenen Nachteile bisheriger Lösungen vermindern oder vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 und durch ein mikromechanisches Bauelement gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist gezeigt, dass der Mikromanipulator als fester Bestandteil der Gehäusung bzw. des Bauelementepackagings ausgeführt sein kann. Während der Gehäusung bzw. des Packagings des mikromechanischen Bauelementes kann mittels des Mikromanipulators die Vorauslenkung bzw. Auslenkung der auslenkbar gelagerten zweidimensionalen Struktur und somit die Realisierung einer dreidimensionalen Struktur erfolgen. Nach der Realisierung der dreidimensionalen Struktur kann der Mikromanipulator im mikromechanischen Bauelement verbleiben, so dass die dreidimensionale Auslenkung der Struktur bereits durch die Geometrie, sowie durch den Form- und Kraftschluss mit dem Mikromanipulator fest definiert sein kann.
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Bei Krafteinleitung bzw. Momenteinleitung über den Mikromanipulator kann sich das Bauelement gemäß seiner Lagerung aus der Waferebene heraus drehen, verkippen oder verschieben. Das ausgelenkte Bauteil bzw. die dreidimensionale Struktur kann nun fixiert werden. Die Fixierung erfolgt formschlüssig oder materialschlüssig. Als formschlüssige Fixiermethode können beispielsweise mechanische Haken oder Riegel verwendet werden, die das zweidimensionale Element im ausgelenkten Zustand blockieren bzw. arretieren. Als stoffschlüssige Fixiermethode kann beispielsweise Kleben, Bonden, Löten oder Anlegieren durchgeführt werden. Anschließend bildet das zweidimensionale Element der strukturierten Waferebene ein dreidimensionales Element.
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Der Mikromanipulator kann als mikromechanisch oder präzisionsmechanisch gefertigte Struktur ausgeführt sein und kann fester Bestandteil des gehäusten bzw. des gepackagten Bauelementes sein. Dabei kann sich der Mikromanipulator im dauerhaften Eingriff mit der vorauszulenkenden zweidimensionalen Struktur befinden.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
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2 eine Draufsichtdarstellung eines mikromechanischen eindimensionalen Scannerspiegels vor der Häusung;
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3 eine Querschnittsdarstellung eines gehäusten eindimensionalen Scannerspiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 eine Querschnittsdarstellung eines gehäusten Bauelementes mit über Mikromanipulatorstruktur nach unten ausgelenkten zweidimensionalen Strukturen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Querschnittsdarstellung eines gehäusten mikromechanischen Bauelementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine Querschnittsdarstellung eines gehäusten mikromechanischen Bauelementes, welches auf der Oberseite mit einem optischen Deckglas verschlossen ist;
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7 eine Querschnittsdarstellung, bei dem das gehäuste mikromechanische Bauelement auf seiner Oberseite mit einem Deckglas verschlossen ist, bei dem das optische Fenster gekippt auf dem gehäusten mikromechanischen Bauelement angeordnet ist;
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8 eine Querschnittsdarstellung eines als Einzelbauelement auf Chiplevel gehäusten mikromechanischen Bauelementes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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9 eine Querschnittsdarstellung eines als Einzelbauelement auf Chiplevel gehäusten mikromechanischen Bauelementes, welches ein optisches Fenster verkippt zum mikromechanischen Bauelement aufweist;
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10 eine Querschnittsdarstellung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, mit nach oben ausgelenkten bzw. verkippten zweidimensionalen Strukturen;
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11 eine Querschnittsdarstellung von nach oben über Mikroaktuatorstrukturen ausgelenkten zweidimensionalen Strukturen;
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12 eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit wechselseitig nach oben und nach unten ausgelenkten bzw. verkippten zweidimensionalen Strukturen;
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13 eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit wechselseitig nach oben und nach unten ausgelenkten bzw. verkippten zweidimensionalen Strukturen;
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14 eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, mit wechselseitig nach unten und nach oben ausgelenkten, verkippten zweidimensionalen Strukturen, wobei die Mikromanipulatorstrukturen auf der Rückseite des Bauelementes angreifen;
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15 eine Querschnittsdarstellung eines schematischen Ausführungsbeispiels eines gehäusten Mikrobauelementes mit über Mikromanipulatoren ausgelenkten zweidimensionalen Strukturen, das selbstjustierende Montagestrukturen aufweist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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16 eine Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes, welches mittels Mikromanipulatorstrukturen ausgelenkte zweidimensionale Strukturen aufweist, wobei die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen über ein Parallelgelenk gelagert sind und im ausgelenkten Endzustand verkippt zur Substratebene angeordnet sind;
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17 eine Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes, bei dem die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen ein Parallelgelenk aufweisen und nach oben verkippt sind, wobei die auslenkenden Mikromanipulatorstrukturen von der Bauelementrückseite angreifen;
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18 eine Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes, bei dem die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen, die ein Parallelgelenk aufweisen, starr mit einer zur Krafteinleitung dienenden Kontaktfläche gekoppelt sind, so dass die zweidimensionalen Strukturen im ausgelenkten Endzustand parallel ausgerichtet sind;
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19 eine Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes, bei dem die relevanten zweidimensionalen Strukturen in Analogie zur 18 parallel zum Ausgangssubstrat ausgelenkt werden, in diesem Fall aber in Richtung Gehäuseboden;
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20 eine Querschnittsdarstellung von mehreren auf einer Trägerfolie oder einem Trägersubstrat geklebten gehäusten Mikrobauelementen ohne optischen Fensterdecksubstrat mit über rückseitig angreifenden Mikroaktuatorstrukturen;
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21 eine Querschnittsdarstellung von gehäusten Mikrobauelementen mit optischem Fensterdecksubstrat mit von der Bauelementvorderseite angreifenden Mikroaktuatorstrukturen ausgelenkte zweidimensionale Strukturen, wobei der Scheibenverbund auf eine Trägerfolie geklebt ist;
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22 eine Querschnittsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, eines bei der Bauelementgehäusung über entsprechende Mikroaktuatorstrukturen dauerhaft zum Substrat und zum optischen Fenstersubstrat verkippt ausgelenkten Mikrobauelementes;
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23 eine Draufsichtdarstellung eines mikromechanischen zweidimensionalen Scannerspiegels für ein Gehäuse oder Packaging nach 22.
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Bezug nehmend auf 1 wird mit Hilfe des Flussdiagramms das Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen mikromechanischen Bauelementen aus zweidimensionalen Elementen erläutert. Das Verfahren umfasst das Ausbilden 100 einer auslenkbar gelagerten zweidimensionalen Struktur in einem Substrat und das Anordnen 102 der auslenkbar gelagerten zweidimensionalen Struktur in einem Gehäuse oder in Teilen einer Gehäusestruktur (Häusen). Das Gehäuse umfasst einen integrierten Mikromanipulator, so dass durch eine Kraftwirkung des Mikromanipulators auf die zweidimensionale Struktur eine Auslenkung der zweidimensionalen Struktur aus der Substratebene zur Bildung der dreidimensionalen Struktur durchgeführt wird auf. Der Mikromanipulator kann Teil des Gehäuses sein, z.B. des Gehäusedeckels, so dass derselbe beim Aufsetzen des Deckels mit der zweidimensionalen Struktur in Kontakt kommt und diese auslenkt. Alternativ kann der Mikromanipulator Teil der zweidimensionalen Struktur sein, do dass z.B. beim Verschließen des Gehäuses ein Deckel mit dem Mikromanipulator in Kontakt kommt und eine Auslenkung der zweidimensionalen Struktur bewirkt. Der Mikromanipulator könnte auch ein getrenntes Bauteil sein, das nach dem Einbringen der zweidimensionalen Struktur in ein Gehäuse ebenfalls in dem Gehäuse angeordnet wird, so dass durch den Mikromanipulator beim Aufsetzen des Deckels die zweidimensionale Struktur ausgelenkt wird.
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Das Bilden der auslenkbar gelagerten zweidimensionalen Strukturen in einem Substrat kann z. B. in einem Wafer erfolgen. Die dreidimensionalen Elemente bzw. Strukturen werden also zunächst als zweidimensionale Strukturen mikrotechnisch in der Substratebene erzeugt. Dies ermöglicht eine gute Fertigbarkeit der Strukturen. Die zweidimensionalen Strukturen werden so gefertigt, dass sie auslenkbar sind, aber beispielsweise über dafür vorgesehene Festlager in der Substratebene gehalten werden. Die Festlager bestimmen den Freiheitsgrad für die Auslenkung der Strukturen aus der Ebene. Die Strukturen können an geeigneter Stelle mit mechanischen Kontaktflächen versehen werden, über die dann mit einer mechanischen Struktur, wie z. B. einem Dorn, einem Stift, einer Nadel, einer Mesastruktur oder einer anderen Einrichtungen eine Kraft bzw. ein Moment definiert in das zweidimensionale Bauelement eingeleitet werden kann. Im Weiteren werden diese Strukturen als Mikromanipulatoren oder auch Mikroaktuatoren bezeichnet. Eine Mesastruktur kann eine sich erhebende, plateauähnliche Halbleiterstruktur sein, deren Umgebung weggeätzt wurde. Dadurch kann die 2D-Struktur aus der Substratebene vorausgelenkt werden und damit eine 3D-Struktur entstehen.
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Der Mikromanipulator kann als fester Bestandteil des Gehäuses, der Gehäusung bzw. des Bauelementpackages oder mit Teilen des Gehäuses integriert sein, und so dazu genutzt werden, beim Häusen oder Gehäusen des mikromechanischen Bauelementes eine Kraft bzw. ein Moment definiert auf das zweidimensionale Bauelement auszuüben, um dadurch die zweidimensionale Struktur auszulenken und damit die dreidimensionale Struktur zu bilden. Nach der Realisierung der dreidimensionalen Struktur durch den Mikromanipulator, der fester Bestandteil des Gehäuses sein kann, kann der Mikromanipulator im dauerhaften Einsatz in dem mikromechanischen Bauteil verbleiben, so dass die dreidimensionale Auslenkung der Struktur bereits durch die Geometrie sowie Form- und Kraftschluss mit dem Mikromanipulator fest definiert ist. Die ausgelenkte zweidimensionale Struktur ist in der ausgelenkten Position formschlüssig oder materialschlüssig fixiert.
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Die Häusung des mikromechanischen Bauelementes kann dabei auf Waferebene erfolgen und damit die Anzahl der gleichzeitig gehäusten mikromechanischen Bauelemente erhöht werden oder aber in Einzelschritten. Es ist auch denkbar, dass die mikromechanischen Bauteile zuerst vereinzelt werden und anschließend in externe Gehäuse, beispielsweise aus Metall, Kunststoff, Glas oder Keramik, eingebaut werden.
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In dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel ist eine mikrotechnisch zweidimensional gefertigte und rotatorisch gelagerte Elektrodenstruktur auf einem Wafer bzw. einem bereits vereinzelten Chip und die Erzeugung einer dreidimensionalen Struktur, wie beispielsweise einer dreidimensionalen Antriebselektrode durch Aufstellen dieser zweidimensionalen Struktur mit einem dauerhaft mit dem Gehäuse bzw. dem gehäusten mikrotechnischen Bauelement verbundenen Mikromanipulator während des Packagingprozesses bzw. des Häusungsprozesses dargestellt. Es wird gezeigt, wie diese zweidimensionalen Strukturen während der Gehäusung mittels mechanischer Strukturen – den Mikromanipulatoren oder Mikroaktuatoren – aus einer Ebene ausgelenkt und dort dauerhaft fixiert werden können. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass die verschiedenen Möglichkeiten zur Auslenkung und Fixierung der zweidimensionalen Struktur in einer großen varianten Vielfalt miteinander kombiniert werden können, weshalb hier nicht alle Möglichkeiten dargestellt sind. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen deshalb keine Einschränkung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der mikromechanischen Bauelemente, die einen integrierten Mikromanipulator aufweisen und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden, dar.
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2 zeigt die Draufsichtdarstellung eines mikromechanischen eindimensionalen Scannerspiegels 11 vor der Gehäusung, bei dem sich bewegliche 10 und stationäre 12 Antriebs- bzw. Kammelektroden nach der mikromechanischen Fertigung in derselben Substratebene 14 eines zweidimensional strukturierten Wafers befinden. Die beweglichen Antriebeselektroden 10 sind zusammen mit dem Scannerspiegel 15 auf einer drehbar gelagerten Torsionsachse 20 angebracht. Die stationären Elektroden 12 sind über Torsionsfedern 16 ebenfalls um eine Torsionsachse 21 drehbar gelagert. Durch Krafteinleitung an den Kontaktstellen 18 mittels eines Mikromanipulators lassen sich die stationären Elektroden 12 aus der Substratebene 14 auslenken und hierdurch eine dreidimensionale Struktur erzeugen. Die zweidimensionale Struktur kann beispielsweise in der sogenannten Silicon-On-Insulator(SOI)-Technik hergestellt werden und über Festlager 19, welche nach einer Ätzung des Siliziumsubstrates 14 auf der darunter liegenden Oxidschicht 22 verbleiben, gelagert sein.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand einer Querschnittsdarstellung eines bereits gehäusten eindimensionalen Scannerspiegels nach 2 dargestellt. Die Querschnittsdarstellung verläuft senkrecht zur Torsionsachse 20 des Scannerspiegels. Die zweidimensionale Struktur wird durch eine mechanische Struktur, dem Mikromanipulator 24, welcher an den Kontaktstellen 18 (siehe 1) der verkippbar gelagerten stationären Elektrodenstruktur 12 angreift, aus der Waferebene gekippt. Dabei ist die zur dreidimensionalen Auslenkung genutzte Mikromanipulatorstruktur 24, welche im Weiteren auch als Aktivierungsstruktur oder Mikroaktuatorstruktur bezeichnet wird, fest mit dem Bauelementgehäuse 22 verbunden. Der Mikromanipulator 24 kann mit der Deckelstruktur 26 des Bauelementgehäuses 22 verbunden sein. Nach einer Justage des optischen Deckglases 26 wird die stationäre Antriebselektrode 12 durch Herunterdrücken des flächigen Verbindungssteges 18 der Gegenelektroden 12 ausgelenkt. Das optische Deckglas 26 kann also neben dem hermetischen Gehäuseverschluss auch als Träger für den Mikromanipulator dienen. Die Drehung der stationären Elektroden 12 erfolgt bei Krafteinwirkung um die Drehachse der Torsionsfedern 16.
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Nach dem Herabdrücken des Deckglases kann dieses fest mit dem zu gehäusenden Mikrobauelement, direkt oder unmittelbar über eine Rahmenstruktur 30a, welche als Abstandshalter dient, und zur Realisierung einer Kavitätsstruktur eingesetzt werden kann, verbunden werden. Dabei kann die Verbindung zwischen dem mikromechanischen Bauelement 14, dem Abstandhalter 30, dem Glasdeckel 26 und dem Bodensubstrat 28 beispielsweise durch Kleben, Waferbonden, anodischen oder Silizium-Direktbonden, Löten, Anlegieren, durch Solid Liquid Inter Diffusion (SLID) oder andere formschlüssige Verbindungen erfolgen. Die Auslenkung der zweidimensionalen Struktur ist dabei durch die Geometrie, die Anordnung und die Fertigungs- sowie Justagetoleranzen des Mikromanipulators fest definiert.
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Unter Häusen oder Gehäusen kann also auch eine Justage eines Deckglases relativ zu dem Mikrobauelement und z. B. das Herabdrücken des Deckglases mit dem integrierten Mikromanipulator zum hermetischen Gehäuseverschluss und zum Auslenken der 2D-Struktur angesehen werden. Es ist jedoch auch denkbar, dass das Gehäuse nicht hermetisch verschlossen ist und der Mikromanipulator nur mit Teilen einer Gehäusestruktur, die z. B. eine Rahmenstruktur, eine Deckelstruktur oder eine Bodenstruktur aufweisen kann, fest verbunden ist.
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Die Gehäusung des mikromechanischen Bauelementes, in diesem Ausführungsbeispiels des Mikrospiegels, sowie die simultane Vorauslenkung der zweidimensionalen Struktur zur Realisierung von dreidimensionalen Strukturen kann vorzugsweise im Waferverbund erfolgen, um eine hohe Parallelität bei der Häusung der Bauelemente zu erreichen und somit geringere Fertigungskosten zu ermöglichen. Die bisherigen, sowie alle weiteren Ausführungen gelten aber in gleicher Weise auch auf die Gehäusung und simultane Auslenkung eines einzelnen mikromechanischen Bauelementes.
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Es ist denkbar, dass zur Reduzierung der Belastungen und Vermeidung von Partikelbildung, die sich bei der Auslenkung der zweidimensionalen Struktur im direkten mechanischen Kontakt befindlichen Kontaktflächen mit zusätzlichen verschleißfesten oder duktilen Materialien beschichtet sind. Dabei können sowohl die Kontaktflächen der auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen, als auch die Mikromanipulatorkontaktflächen mit zusätzlichen verschleißfreien Materialien beschichten sein. Bei diesen Materialien kann es sich beispielsweise um Oxide, Nitride, Siliziumnitrid, Karbidschichten, Diamantschichten und/oder duktile Schichten, also beispielsweise Metalle wie Gold, Aluminium, Aluminiumlegierungen, Nickel und andere Metalle handeln. Es können aber auch Polymere, wie Photolack, Polyamide, Teflon oder andere polymere Materialien handeln.
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Des Weiteren können die Kontaktflächen der zur Auslenkung der zweidimensionalen Strukturen eingesetzten Mikromanipulatoren geometrisch so gestaltet sein, das sie für den zu realisierenden Auslenkwinkel der auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen eine maximale und parallel zur ausgelenkten zweidimensionalen Struktur ausgerichtete Kontaktfläche aufweisen.
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Die Kontaktfläche der auszulenkenden zweidimensionalen Struktur kann durch Lagerung der Kraftangriffsfläche des Mikromanipulators durch zusätzliche Federelemente so gestaltet sein, so dass sich die Kontaktfläche der ausgelenkten zweidimensionalen Struktur parallel zur Kontaktfläche des angreifenden Mikromanipulators selbstständig parallel ausrichten kann. Hierdurch kann eine größtmögliche Kontaktfläche zwischen der ausgelenkten zweidimensionalen Struktur und dem angreifenden Mikromanipulator erreicht werden.
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Weiterhin kann nach erfolgter Auslenkung der zweidimensionalen Struktur mittels des Mikromanipulators ihr gemeinsamer Kontakt durch Verwendung von material- bzw. stoffschlüssigen, z. B. Kleben, Bonden, Löten, SLID, Anlegieren, oder formschlüssigen, z. B. mechanischen Verriegeln dauerhaft fixiert werden. Die mittels Mikromanipulatoren auslenkbaren zweidimensionalen Strukturen können beispielsweise über Torsionslagerungen, über eine Parallelführung durch entsprechende Gelenke, wie z. B. ein Viergelenk oder auch der Lagerung über Biegefedern beweglich gelagert sein.
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In 3 sind die über die Torsionsachse 20 verkippte bewegliche Elektrode 10 und die über die beiden Mikromanipulatoren 24 (Angular Vertical Comb(AVC)-Aktivierungsstrukturen) und über die Torsionsfedern 16 ausgelenkten stationären Elektroden 12 (AVC-Gegenelektroden) dargestellt. Die Rahmenstruktur 14 mit dem integrierten Bauelement ist zwischen der Deckelstruktur 26, einer Rahmenstruktur 30a und einer Bodensubstratstruktur 28 mit dem dazugehörigen Abstandshalter 30b angeordnet.
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In 4 ist ein gehäustes mikromechanisches Bauelement mit über Mikromanipulatorstrukturen nach unten vorausgelenkten, gekippten zweidimensionalen Strukturen dargestellt. Dabei sind die Mikromanipulatorstrukturen 24 fest mit einem optischen Decksubstrat 26 verbunden, welches im relevanten Wellenlängenbereich einer elektromagnetischen Strahlung, die mit dem Scannerspiegel 15 wechselwirkt, einen hohen Transmissionsgrad besitzt. Das Deckglas 26 kann nach der Gehäusung oder Häusung fest mit dem mikromechanischen Bauelement verbunden sein. Dabei kann das Deckglas direkt oder indirekt über einen Rahmen bzw. eine Abstandsstruktur 30a, welche selber aus mehreren Einzelbestandteilen bestehen kann, verbunden sein. Optional kann das mikromechanische Bauelement auf seiner Rückseite mit einem Bodensubstrat 28 und einer Rahmenstruktur 30b fest verschlossen sein.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines gehäusten mikromechanischem Bauelementes 9 mit über Mikromanipulatorstrukturen 24 nach unten vorausgelenkten, gekippten zweidimensionalen Strukturen. Bei den Strukturen kann es sich wieder beispielsweise um den oben beschriebenen Scannerspiegel mit den entsprechenden Elektroden 12 und der entsprechenden Torsionsachse 20 bzw. den Torsionsfedern 16 handeln. Dabei kann die Mikromanipulatorstruktur 24 fest oder monolithisch mit einer Trägerstruktur 32 verbunden sein. Die Trägerstruktur 32 braucht beispielsweise selbst keine optische Funktion aufweisen und braucht daher auch nicht transparent sein, aber sie kann im Bereich der optisch wirksamen Fläche des mikromechanischen Bauelementes 9 eine Apertur 34 zur ungehinderten optischen Ein- und Auskopplung besitzen. Für mikromechanische Bauelemente ohne optische Funktion ist keine Apertur 34 in der Trägerstruktur 32 erforderlich.
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Die Trägerstruktur ist nach der Gehäusung fest mit dem mikromechanischen Bauelement verbunden. Dabei ist die Trägerstruktur direkt oder indirekt über eine Rahmenabstandsstruktur 30a verbunden. Optional kann das mikromechanische Bauelement wieder auf seiner Rückseite mit einem Bodensubstrat 28 und der Rahmenstruktur 30b fest verschlossen sein.
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6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel wieder eine Querschnittsdarstellung eines mikromechanischen Bauelementes 9, das analog zu dem Ausführungsbeispiel aus 5 aufgebaut ist, wobei das gehäuste mikromechanische Bauelement 9 auf seiner Oberseite bzw. Vorderseite mit einem optischen Deckglas 26 verschlossen ist, um einen hermetischen Bauelementeverschluss und Schutz für das Bauelement zu ermöglichen. Dabei ist das optische Deckglas 26 parallel zum mikromechanischen Bauelement ausgerichtet und fest mit der Trägerstruktur 32 der Mikroaktuatorstrukturen 24 verbunden. Im Bereich des optisch wirksamen Bereiches des gehäusten Mikrobauelementes besitzt die Trägerstruktur eine freie Apertur zur ungehinderten optischen Ein- und Auskopplung.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird in 7 ein analoges Bauelement wie in 5 dargestellt, jedoch ist das gehäuste mikromechanische Bauelement 9 auf seiner Oberseite mit einem optischen Deckglas 36 verschlossen, bei dem das optische Fenster gekippt zum gehäusten mikromechanischen Bauelement 9, sowie zur Trägerstruktur 32 ausgerichtet ist. Dabei kann die Verkippung des optischen Deckglases 36 über eine entsprechend geformte Fensterfassung 38 erfolgen, wobei letztere fest mit der Trägerstruktur 32 verbunden sein kann.
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In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Gezeigt ist ein als Einzelbauelement 40 auf Chiplevel gehäustes mikromechanisches Bauelement 9 mit nach unten ausgelenkten, verkippten Elektrodenstrukturen 12. Dabei ist der mikromechanische Bauelementechip 40 in einer Kavität 41 eines Gehäuses 42, das beispielsweise aus Keramik, aus Metall, z. B. ein Metall-CAN-Gehäuse, aus Kunststoff oder aus Glas besteht, positioniert und fest mit diesem verbunden. Der mikromechanische Bauelementechip 40 kann z. B. durch Kleben 44, Bonden oder Löten oder anderen Verbindungsmöglichkeiten mit dem externen Gehäuse 42 verbunden sein. Mit dem äußeren Gehäuse kann die Trägerstruktur 32 der Mikroaktuatorstrukturen 24, beispielsweise über Kleben, Bonden, Löten oder anderen Verbindungsmöglichkeit, fest verbunden sein. Dabei ist das Trägersubstrat einschließlich der Mikromanipulatorstrukturen bzw. Mikroaktuatorstrukturen relativ zu dem mikromechanischen Bauelement 40 justiert. Die Auslenkung bzw. Verkippung der zweidimensionalen Strukturen erfolgt dann beim zusammenfügen von Trägersubstrat 32 und äußerem Gehäuse 42. Falls es sich um ein optisches Bauelement handelt, wie in diesem Ausführungsbeispiel, kann im Bereich der optisch wirksamen Bereiche des Mikrobauelementes die Trägerstruktur eine freie optische Apertur 34 zur ungehinderten optischen Ein- und Auskopplung aufweisen. Zum hermetischen Gehäuseverschluss kann man das Gesamtgehäuse 42 mit einem parallel zur Trägerstruktur 32 ausgerichteten und fest mit diesem verbundenen Deckglas 26 verschlossen werden.
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Alternativ dazu kann, wie im Ausführungsbeispiel der 9 gezeigt ist, das auf Chiplevel als Einzelbauelement 40 gehäuste mikromechanische Bauelement 9, mit seinen nach unten über Mikromanipulatorstrukturen 24 ausgelenkten, verkippten Strukturen 12 ein optisches Fenster 36 verkippt zum mikromechanischen Bauelement 9 aufweisen. Dabei kann die Verkippung des optischen Fensters 36 über eine entsprechend geformte Fensterfassung 38 erreicht werden, wobei letztere fest mit der Trägerstruktur 32 verbunden sein kann. Es ist z. B. auch denkbar, dass das Trägersubstrat 32 selber als Fensterfassung dient und hierzu entsprechend dreidimensional strukturiert ist, z. B. keilförmig, so dass das optische Fenster 36 zum Mikrobauelement 40 verkippt ist. Die Herstellung eines derartigen dreidimensionalen Trägersubstrates kann durch mechanische Mikropräzisionsbearbeitung, Mikroabformung, Mikrospritzguss oder durch die so genannte LIGA (Lithographie-Galvanik-Abformung) Technik erfolgen.
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In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Querschnittsdarstellung durch ein mikromechanisches Bauelement 9, welches die oben bereits beschriebenen Strukturen aufweist, dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind jedoch die ausgelenkten, verkippten zweidimensionalen Strukturen, die z. B. Kammelektroden eines Scannerspiegels sein können, in Richtung der Deckelstruktur bzw. des optischen Deckglases 26 ausgelenkt. Hierzu können sich die zur Auslenkung der zweidimensionalen Strukturen erforderlichen Mikroaktuatorstrukturen 24 auf der Rück- bzw. der Unterseite oder dem Bodensubstrat des mikromechanischen Bauelementes 9 befinden und damit fest verbunden sein. Das Bodensubstrat 28 kann relativ zum mikromechanischen Bauelementesubstrat 14 justiert und fest mit diesem, z. B. durch Kleben, Waferbonden, Löten oder die SLID-Technik verbunden sein. Dabei kann die Auslenkung der zweidimensionalen Strukturen mittels der Mikroaktuatorstrukturen 24 beim Fügen bzw. Häusen oder Gehäusen von Boden- 28 und Bauelementesubstrat 14 erfolgen. Auf der Oberseite des mikromechanischen Bauelementes 9 kann sich optional wieder ein optisches Deckglas 26 befinden, das als Fenster dienen kann. Der Rahmen bzw. die Rahmenstrukturen 30a, 30b können als Abstandshalter zum optischen Fenster dienen und über der optischen wirksamen Fläche des Mikrobauelementes eine Kavität 41 bilden.
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11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei das mikromechanische Bauelement in Richtung der Bauelementoberseite, also in Richtung des Deckglases 26, ausgelenkte zweidimensionale Strukturen aufweist. Die dazu erforderlichen Mikroaktuatorstrukturen greifen auf der Oberseite der verkippbaren Elektroden 12 an. Die Mikroaktuatorstrukturen 24 sind dabei fest mit einem optionalen Trägersubstrat 26 oder direkt mit dem optischen Deckglas verbunden. Die Verkippung oder Auslenkung der zweidimensionalen Strukturen in Richtung der Oberseite des mikromechanischen Bauelementes 9 wird in diesem Beispiel durch die Krafteinwirkung und der Ausübung eines Drehmoments an der kurzen Seite des angreifenden Hebelarms, welcher zwischen den Torsionsfedern 16 und dem Ort der Krafteinwirkung auf die Elektroden 12 ausgebildet ist erzielt. Das Deckglas 26 bzw. die Trägerstruktur kann wieder über einen Abstandhalter 30a fest mit dem Mikrobauelementsubstrat 14 verbunden sein. In dem Ausführungsbeispiel ist nur das Deckglas 26, ohne optionale Trägerstruktur 32 gezeigt.
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In 12 ist ein Ausführungsbeispiel mit wechselseitig nach oben und unten ausgelenkten, verkippten zweidimensionalen Strukturen 12 gezeigt. Dabei kann es sich wieder um die bereits oben erwähnten, verkippbaren, stationären Kammelektroden 12 des eindimensionalen Scannerspiegels handeln. Die zur Auslenkung der zweidimensionalen Struktur verwendeten Mikroaktuatorstrukturen 24 finden sich dabei sowohl auf der Ober-, als auch auf der Unterseite des mikromechanischen Bauelementes. Dabei sind die Mikroaktuatorstrukturen 24 entweder mit dem Bodensubstrat 28 bzw. mit der frontseitigen Trägerstruktur oder direkt mit dem Fensterglas 26 fest verbunden. Mittels der Mikroaktuatorstrukturen erfolgt die Auslenkung der zweidimensionalen Strukturen beim Fügen bzw. Häusen oder Gehäusen des mikromechanischen Bauelementesubstrats 14 mit dem Boden- 28 und Deck- bzw. Fenstersubstraten 26 und den betreffenden Rahmenstrukturen 30a und 30b.
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In dem Ausführungsbeispiel in 13 mit wechselseitig nach oben und nach unten ausgelenkten, verkippten zweidimensionalen Strukturen 12 greifen die Mikroaktuatorstrukturen 24 auf der Oberseite bzw. Vorderseite der Strukturen 12, also von der Oberseite des Bauelementes 9 an. Die Mikromanipulatorstrukturen 24 sind fest mit einem optionalen Trägersubstrat oder direkt mit dem optischen Deckglas 26 verbunden. Dabei ist das Deckglas bzw. die Trägerstruktur wieder über einen Abstandstandshalter den Rahmenstrukturen 30a bzw. 30b fest mit dem Mikrobauelement verbunden. In dem angeführten Ausführungsbeispiel ist ebenfalls nur das Deckglas ohne optionale Trägerstruktur gezeigt.
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Die Lage der Kontaktflächen 18 der auslenkbaren zweidimensionalen Strukturen 12 zur Krafteinleitung der Mikromanipulatorstrukturen ist so angeordnet, dass die Mikroaktoren wechselseitig die zweidimensionalen Strukturen nach unten bzw. alternierend nach oben auslenken bzw. verkippen. Ein großer Vorzug des gezeigten Ausführungsbeispiels besteht in der hohen Robustheit gegenüber lateralen Justagetoleranzen von Mikroaktuatorstrukturen und auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen, da laterale Justagetoleranzen ebenfalls eine Verkippung der Strukturen bewirken, so dass die Symmetrie des Bauelementes nicht gestört wird.
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In 14 ist ein zur 13 analoges Ausführungsbeispiel mit wechselseitig in Richtung der Ober- und Unterseite des mikromechanischen Bauelementes ausgelenkten zweidimensionalen Strukturen gezeigt. Dabei greifen die Mikroaktuatorstrukturen 24 auf der Unterseite des Bauelementes, welches in dem Rahmen 14 realisiert ist an. Die Mikroaktuatorstrukturen können fest mit dem Bodensubstrat verbunden sein, welches selbst fest mit dem Mikrobauelement verbunden ist. In Analogie zur 13 besitzt die gezeigte Ausführungsform den Vorzug einer hohen Robustheit gegenüber lateralen Justagetoleranzen von Mikroaktuatorstrukturen und auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen, da auch bei lateralen Justagetoleranzen ausgelenkte zweidimensionale Strukturen erzeugt werden können, so dass die Symmetrie des Bauelementes nicht gestört wird.
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In 15 ist ein schematisches Ausführungsbeispiel eines gehäusten Mikrobauelementes 9 mit über Mikroaktuatorstrukturen 24 vorausgelenkten zweidimensionalen Strukturen, bei dem durch selbstjustierende Montagestrukturen 50 eine Selbstjustierung von auslenkenden Mikroaktuatorstrukturen 24 und zu verkippenden zweidimensionalen Strukturen 12 zur Reduzierung von Montagetoleranzen erzielt werden kann. Dabei sind die Selbstzentrierungsstrukturen 50 sowohl im mikromechanischen Bauelement 40, als auch in dem damit zu fügenden Trägersubstrat 26, 30a mit den Mikroaktuatorstrukturen 24 vorhanden.
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16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauelementes 9, bei dem während des Bauelementpackagingprozesses mittels Mikromanipulatorstrukturen zweidimensionale Strukturen ausgelenkt werden können. Im Gegensatz zu allen bisherig gezeigten Ausführungsbeispielen, bei denen die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen mit Hilfe von Torsionsfedern 16 drehbar gelagert sind, sind die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen in 16 über ein Parallelgelenk 52 gelagert. Durch Lagerung der auslenkbaren zweidimensionalen Struktur, wie z. B. den Elektrodenkämmen 12 als Parallelgelenk, erfolgt bei der Strukturauslenkung mittels der Mikroaktuatorstrukturen 24 eine Parallelverschiebung der zur Krafteinleitung parallel geführten Kontaktfläche 18. Bei dem in 16 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die auszulenkende Struktur, z. B. die stationäre Antriebselektrode 12, starr mit dem drehbar gelagerten Gestänge des Parallelgelenks 52 gekoppelt, so dass die relevante zweidimensionale Struktur 12 verkippt wird. Der absolute Verkippungswinkel der zweidimensionalen Struktur hängt im Wesentlichen nur von der Höhe der Parallelverschiebung der Kontaktfläche 18, verursacht durch die Absenkung der Mikroaktuatorstruktur 24 während des Packagings, ab. Hingegen spielt die laterale Position der Krafteinleitung innerhalb der Kontaktfläche 18 keine Rolle, so dass der sich ergebende Verkippungswinkel der zweidimensionalen Struktur unabhängig von den sonst kritischen lateralen Justagetoleranzen sind. Dadurch können für mehrere simultan auszulenkende zweidimensionale Strukturen identische Verkippungswinkel mit großer Reproduzierbarkeit, sowie eine bessere Symmetrie des Bauelementes realisiert werden.
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In dem in 16 gezeigten Ausführungsbeispiel werden die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen 12 beide nach unten verkippt, wobei die Mikroaktuatorstrukturen 24, die fest mit dem Fenstersubstrat 26 bzw. einem optionalen Trägersubstrat verbunden sind, von der Oberseite auf die Kontaktfläche 18 angreifen und diese definiert parallel in Richtung des Bodensubstrates 28 verschieben, so dass die zweidimensionale Struktur, z. B. die stationäre Antriebselektrodenstruktur 12, symmetrisch verkippt wird.
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In 17 ist ein zur 16 analoges Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die auszulenkenden zweidimensionalen Strukturen 12 in Richtung der Deckelstruktur 26 verkippt werden. Dazu greifen die auslenkenden Mikromanipulatorstrukturen 24 von der Bauelementrückseite bzw. dem Bodensubstrat 28 her an und in Folge der Lagerung über ein Parallelgelenk 52a–c, eine Parallelverschiebung der Kontaktflächen 18, sowie eine symmetrische Verkippung der zweidimensionalen Strukturen in Richtung der Deckelstruktur 26 bewirken. Dabei können die Mikroaktuatorstrukturen 24 fest mit dem Bodensubstrat 28 verbunden sein.
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18 zeigt ein weiteres zur 17 ähnliches Ausführungsbeispiel. Im Unterschied zur 16 ist die auszulenkende zweidimensionale Struktur 12 fest d.h. starr mit der zur Kraftübertragung dienenden Kontaktfläche 18 gekoppelt. Hierdurch wird beim Absenken der Mikromanipulatorstrukturen, also beim Häusen oder Gehäusen, die auszulenkende zweidimensionale Struktur 12 simultan zur Kontaktfläche 18 parallel nach oben verschoben, so dass die zweidimensionale Struktur 12 im ausgelenkten Endzustand in einen über die Geometrie bzw. die Höhe des Mikromanipulators definierten Abstand parallel ausgerichtet, oberhalb des Bauelementsubstrats 14 angeordnet ist.
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In 19 ist in Analogie zur 16 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines gehäusten mikromechanischen Bauelementes gezeigt, bei dem die relevanten zweidimensionalen Strukturen 12 parallel zum Bauelementrahmensubstrat 14 ausgelenkt werden. Im Unterscheid zur 18 erfolgt die Auslenkung der zweidimensionalen Strukturen 12 nach unten, bzw. in Richtung des Bodensubstrates 28, durch die auf der Oberseite der Kontaktflächen 18 angreifenden Mikroaktuatorstrukturen 24, analog zu 16.
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20 zeigt die Querschnittsdarstellung zur Vereinzelung von gehäusten Mikrobauelementen 9, welche kein optisches Fensterdecksubstrat aufweisen. Die zweidimensionalen ausgelenkten Strukturen 12 werden durch über die Rückseite, vom Bodensubstrat 28 her angreifende Mikroaktuatorstrukturen 24 ausgelenkt. In 20 ist der Zustand nach dem Vereinzeln der Bauelemente im Scheibenverbund durch Sägen gezeigt. Auf der Bauelementvorderseite befindet sich eine damit fest verbundene Abstandsrahmenstruktur 30a, welche beim Vereinzeln z. B. einem Sägen des Wafers auf eine Trägerfolie 54, dem so genannten Blue Tape oder ein anderes Hilfsträgersubstrat geklebt wird.
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In dem Ausführungsbeispiel von 21 ist wiederum die Vereinzelung von gehäusten Mikrobauelementen 9 ohne optischen Fensterdecksubstrat, aber mit über, von der Vorderseite, also vom Trägersubstrat 32 her, angreifende Mikroaktuatorstrukturen 24 ausgelenkte zweidimensionalen Strukturen 12 gezeigt. Dargestellt ist der Zustand nach dem Vereinzeln der Bauelemente im Scheibenverbund durch Sägen. Auf der Bauelementvorderseite bzw. Oberseite befinden sich eine damit fest verbundene Abstandsrahmenstruktur 30a, sowie das damit fest verbundene Trägersubstrat 32 der Mikroaktuatorstrukturen 24. Beim Vereinzeln, z. B. dem Wafersägen, kann der Scheibenverbund mit dem vorderseitigen Trägersubstrat 32 auf eine Trägerfolie 54, z. B. einem sogenannten „Blue Tape“ oder einem anderen Hilfsträgersubstrat, geklebt werden.
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22 zeigt als Ausführungsbeispiel eines mikromechanischen Bauelementes 9 einen Scannerspiegel 56 ausgebildet in dem Bauelementsubstrat 14. Das Scannerbauelement 56 ist drehbar über koaxial, zu den eigentlichen Torsionsfedern 20 angeordnete zusätzliche Torsionsfedern 58, in einem äußeren stationären Rahmen 60 gelagert. Beim Packaging bzw. Häusen erfolgt dann die Verkippung des gesamten mikromechanischen Bauelementes 56 zusammen mit dem Bauelementsubstrat 14.
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Der Scannerspiegel Spiegel 56 weist wieder u.a. eine Spiegelplatte 15 und Torsionsfedern 16 für die Auslenkung der stationären Elektroden 12, welche eine Kontaktfläche 18 besitzen auf.
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In 23 ist das Ausführungsbeispiel eines bei der Bauelementgehäusung über entsprechende Mikroaktuatorstrukturen 24 dauerhaft ausgelenkten, verkippten Mikrobauelementesubstrates 56 entsprechend 22 gezeigt. Dabei wird während des Bauelementverschlusses, also der Häusung oder Gehäusung das gesamte mikromechanische Bauelement 56, z. B. ein zweidimensionaler Mikrospiegel zusammen mit dem Substrat 14, welcher wie oben beschrieben, hierzu in einem äußeren stationären Rahmen 60 drehbar über Torsionsfedern 58 gelagert ist, über die Mikroaktuatorstrukturen 24 verkippt. Die mäanderförmigen Federn 58 weisen dabei entweder dieselbe Torsionsachse 20 wie die Spiegelplatte 15 des zweidimensionalen Scanners 56 oder eine hierzu koaxiale oder verdrehte Torsionsachse auf. Dabei kann der äußere stationäre Rahmen 60 fest mit dem Bodensubstrat 28 und einen hierzu parallel ausgerichteten Abstands- und Fenstersubstrat 26 verbunden sein. Das Mikrobauelementesubstrat 14 mit dem zweidimensionalen Scannerspiegel 56 kann also verkippt zur Deckelstruktur 26 angeordnet sein.
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Das Verfahren zur Erzeugung von 3D-Strukturen kann also auf einem Wafer so durchgeführt werden, dass dieser im Waferverbund gefertigte, freigesetzte und über Lager mit dem Wafer verbundene 2D-Strukturen enthält die zur statischen Verankerung außerhalb der Waferebene konzipiert sind. Die 2D-Strukturen lassen sich mittels eines oder mehrerer Mikromanipulatoren aus der Waferebene herausbewegen und zu 3D-strukturen aufstellen. Die Auslenkung bzw. Verkippung der 2D-Strukturen zur Realisierung von 3D-Strukturen kann während des Häusungs- bzw. Packaging-Prozesses des mikromechanischen Bauelementes erfolgen. Die 2D-Strukturen können nach deren Auslenkung aus der Waferebene in ihrer Position verankert werden, wobei die Mikromanipulatoren ständiger Bestandteil des Bauelementes sind.
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In Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Mikromanipulator auch fester Bestandteil der zweidimensionalen Struktur sein. Die zweidimensionale Struktur kann also selbst den Mikromanipulator umfassen. Der in der zweidimensionalen Struktur integrierte Mikromanipulator kann dann ausgelenkt und zwischen dem Gehäuse und der zweidimensionalen Struktur angeordnet werden, so dass die zweidimensionale Struktur aus einer Ebene des Substrats ausgelenkt ist.
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Bei dem mikromechanischen Bauelement mit der zweidimensionalen Struktur kann es sich beispielsweise um einen Scannerspiegel mit Antriebs bzw. Kammelektroden handeln, der quasistatisch, resonant oder statisch auslenkbar ist. Die zweidimensionale Struktur kann im folgenden auch als mikromechanische Funktionsstruktur bezeichnet sein. Für den quasistatischen oder resonanten Betrieb des mikromechanischen Bauelements, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, kann das mikromechanische Bauelement ferner Mittel zum Bereitstellen einer sich ändernden Spannung aufweisen. Diese Mittel können Leiterbahnzuführungen, Kontaktflächen und Schaltkreise umfassen, die dazu geeignet sind, die entsprechenden Spannungen an die Kammelektroden anzulegen. Diese Mittel können auch eine Steuervorrichtung umfassen, durch die im resonanten Fall periodische Spannungen mit einer für das ordnungsgemäße Betreiben der mikromechanischen Funktionsstruktur nötigen Frequenz an die Kammelektroden angelegt werden können. Die Steuervorrichtung kann ferner Mittel zum Erfassen der Nulldurchgänge der um eine Hauptachse schwingenden zweidimensionalen mikromechanischen Struktur aufweisen. Ferner kann das mikromechanische Bauelement als Sensor dienen und die obigen Mittel zum Detektieren einer Bewegung der mikromechanischen Funktionsstruktur verwenden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können anstelle von Torsionsfedern beispielsweise für die Aufhängung von fixen Kämme eines Scannerspiegels auch Biegefedern verwendet werden.
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Zusätzliche Kammelektrodenstrukturen eines Scannerspiegels in einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können an dem mikromechanischen Bauelement, beispielsweise der Scannersplatte, angeordnet sein. Anders als bei den obigen Ausführungsbeispielen kann die mikromechanische Funktionsstruktur rotatorisch zweidimensional derart aufgehängt sein, dass die mikromechanische Funktionsstruktur, z.B. eine Spiegelplatte, in zwei Richtungen abgelenkt werden kann und translatorisch verschoben werden kann. Ebenso können bei einer solchen Struktur die Drehsachsen um 90 Grad zueinander verdreht sein. Die Drehachsen können um einen beliebigen Winkel zueinander verdreht sein. Als Spezialfall kann z.B. eine rotatorisch aufgebaute, zweidimensionale Struktur kollineare Achsen aufweisen, wobei durch die kollinearen Achsen insbesondere ein größerer Auslenkwinkel erzielt werden kann. Die zweidimensionale, rotatorisch auslenkbare Struktur kann derart ausgebildet sein, dass eine der Ablenkungsbewegungen mit einem anderen Wirkungsprinzip erreicht wird, z.B. mit einem magnetischen, piezoelektrischen, thermischen oder akustischen Wirkungsprinzip. Dabei können die beiden Ablenkmöglichkeiten in zwei Dimensionen beide quasistatisch oder resonant erfolgen oder eine Ablenkung quasistatisch und die andere Ablenkung resonant erfolgen.
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Ferner kann ein mikromechanisches Bauelement, welches eine zweidimensionale rotatorisch auslenkbar Struktur aufweist, so ausgebildet sein, dass eine der Ablenkungen mit einem elektrostatischen In-Plane Antrieb (
EP 1 123 526 A1 ) realisiert werden kann.
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Die mikromechanische Funktionsstruktur kann z.B. in einer oder zwei Dimensionen rotatorisch auslenkbar sein, wobei mindestens eine Auslenkrichtung mit den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen, verkippten Kammanordnung betrieben wird, und zusätzliche diffraktive Elemente auf oder in der mikromechanischen Funktionsstruktur und/oder zusätzliche hoch reflektierende Verspiegelungen aufweist. Dies können diffraktive optische Elemente (DOE), Gitter, metallische Verspiegelungen, dielektrische Verspiegelungen, vergütete metallische Verspiegelungen oder ähnliches sein.
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In Ausführungsbeispielen können die Kammelektroden (Kämme) eines Scannerspiegels durch einen oder mehrere Dorne je nach Design und Strukturierung des mikromechanischen Bauelements in beliebiger Richtung aus oder unter die Chipebene, welche durch die Ruhelage der Spiegelplatte und der Rahmenstruktur gegeben ist, ausgelenkt werden. Die Auslenkung der Kämme kann insbesondere so erfolgen, dass alle Kämme nach oben, alle nach unten, symmetrisch zu einer Achse durch die Bauelementmitte oder punktsymmetrisch zur Bauelementmitte oder komplett asymmetrisch ausgelenkt sind.
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Das mikromechanische Bauelement kann eine Steuervorrichtung aufweisen oder von einer Steuervorrichtung angetrieben werden, so dass die erzeugbare Bewegung der mikromechanischen Funktionsstruktur einer Rampe mit einem schnellen Rücklauf folgt. Die Steuervorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass durch den elektrostatische Kammantrieb eine lineare translatorische Bewegung entsteht, welche funktional durch z(t) = C1 × t beschrieben wird, wobei der genaue lineare funktionale Zusammenhang zwischen Auslenkung z und Zeit t durch eine Konstante C1 gegeben ist. In analoger Weise kann der elektrostatische Kammantrieb derart gesteuert werden, dass sich eine lineare rotatorische Bewegung mit einer Winkelauslenkung φ(t) = C2 × t ergibt. Der Auslenkwinkel φ ist also direkt proportional zu der Auslenkzeit t der rotatorischen Bewegung.
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Die zweidimensionale Struktur, z.B. also der Scannerspiegel, kann auch eine der Anwendung angepasste Bewegungsform aufweisen, so dass auf einem Betrachterschirm eine lineare Bewegung eines von einem Scannerspiegel abgelenkten Laserspots erfolgt. Die Steuerung für das Anlegen einer entsprechenden Spannung an die verkippten Elektrodenkämme der vorliegenden Erfindung kann auch so erfolgen, dass der Hin- und Rücklauf eines durch den Scannerspiegel abgelenkten Laserspots unterschiedlich oder gleich schnell erfolgt, wobei die Umkehrpunkte des Hin- und Rücklaufs auf dem Bildschirm ausgeblendet werden.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel können die verkippten Kammelektroden und die Möglichkeiten zur translatorischen Bewegung durch eine entsprechende Steuervorrichtung auch für eine exakte optische Weglängenmodulation in optischen Geräten Verwendung finden. Die optische Weglängenmodulation kann sowohl translatorisch als auch rotatorisch erfolgen. Die translatorische Bewegung durch die verkippte Kammstruktur kann auch zu einer Vergrößerung der optischen Weglänge eines Apparates verwendet werden. Die zweidimensionale Struktur kann z.B. auch in einer oder zwei Dimensionen translatorisch bewegt werden, wobei die Bewegung in mindestens eine Richtung mit der verkippten Kammanordnung betrieben wird, wobei zusätzliche diffraktive Elemente in dem mikromechanischen Bauelement angeordnet sind. Beispielsweise kann es sich dabei um DOEs, Gitter, metallische Verspiegelungen, dielektrische Verspiegelungen, vergütete metallische Verspiegelungen oder andere handeln.
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Das mikromechanische Bauelement der vorliegenden Erfindung kann für die optische Weglängenmodulation für konfokale Mikroskope, für Fourier-Transformspektrometer bzw. zum Einstellen der Resonatorlänge in Lasern, zur Auswahl bzw. Variation der Laserwellenlänge verwendet werden. Auch eine Anordnung eines linearen oder zweidimensionalen Arrays, welches aus ein oder zweidimensionalen, translatorischen oder rotatorischen Elementen gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, ist möglich.
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Bei der mikromechanischen Funktionsstruktur kann es sich um eine Spiegelplatte handeln, die sowohl an der Vorder- als auch auf der Rückseite verspiegelt ist.
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Denkbar sind auch mikromechanische Bauelemente, welche eine Kombination des vorgestellten Ansatzes mit den verkippten Kammstrukturen mit anderen Wirkprinzipien realisieren, welche quasistatisch, resonant, translatorisch oder rotatorisch betrieben werden.
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Die mikromechanischen Bauelemente können in einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Zuführung weiterer elektrischer Potentiale Mehrfachfedern aufweisen oder metallische Leiterbahnen über Federn oder hoch dotierte Bereiche in einem schwach dotierten Substrat. Bei dem mikromechanischen Bauelement können Finger eines Elektrodenkammes an einer Torsionsfeder oder an einem Bauelementebereich angebracht sein, der steifer ist als eine Torsionsfeder, um die das mikromechanische Bauelement drehbar ist. Die fixen Kammstrukturen mit ihren Fingern und die beweglichen Kammstrukturen mit ihren Fingern können in unterschiedlichen Substrat- oder Rahmenschichten ausgebildet sein. Zudem können anstelle von Torsionsfedern Biegefedern eingesetzt werden, die Kontaktflächen bzw. Pads aufweisen, auf die eine Krafteinwirkung zur Auslenkung der fixen Kämme erfolgen kann bzw., die sich über ein Viergelenk parallel verschieben lassen.
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Gemäß Ausführungsbeispielen kann das mikromechanische Bauelement zur Bildprojektion oder zur Positionierung eines Licht- oder Laserstrahls eingesetzt werden. Das mikromechanische Bauelement kann beispielsweise zur Ablenkung oder Positionierung eines Licht- oder Laserstrahls der kontinuierlich oder gepulst betrieben wird eingesetzt werden.
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Das mikromechanische Bauelement kann in unterschiedlichen Substraten, wie z.B. in Silizium-, Gallium Arsenid-, Indium Phosphid-, Gallium Nitrid-, Silizium Carbid- oder anderen Substraten ausgebildet sein. Die Aktorschicht kann poly- oder monokristallin sein.
