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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Aktuator, insbesondere einen Mikrospiegelscanner, mit einer Aktuatoreinheit in einem äußeren Rahmen, die über zwei sich entlang einer äußeren Kippachse der Aktuatoreinheit erstreckende Torsionselemente in dem äußeren Rahmen aufgehängt ist, und einem elektrostatischen Kippantrieb aus ineinander greifenden ersten und zweiten kammförmigen Elektroden, von denen die ersten Elektroden starr mit dem äußeren Rahmen und die zweiten Elektroden jeweils mit der Aktuatoreinheit verbunden sind.
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Zum Antreiben mikromechanischer Siliziumaktuatoren (MEMS-Aktuatoren) werden bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich elektrostatische Kräfte eingesetzt. Diese besitzen gegenüber elektromagnetischen, piezoelektrischen und thermischen Antriebsprinzipien den Vorteil, dass die gesamte Mikroaktuator-Struktur samt ihrer Antriebe vollständig aus Silizium realisiert werden kann. Beispiele für derartige mikromechanische Aktuatoren sind resonant betriebene Mikrospiegel, Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Da keine weiteren, in der Regel hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten fehlangepassten Materialien verwendet werden, lassen sich diese mikromechanischen Aktuatoren mit den gängigen Wafer-Verbindungstechniken, wie anodisches Bonden, eutektisches Bonden oder Glasfrit-Bonden trotz der damit einhergehenden hohen Temperaturen von zum Teil deutlich über 300°C vergleichsweise leicht und mit hoher Ausbeute auf Wafer-Ebene verkapseln (Wafer-Level-Packaging). Eine geeignete Kapselung ist für MEMS-Produkte unerlässlich, um Schutz gegenüber Kontamination mit Partikeln, Flüssigkeiten und Gasen, aber auch gegenüber mechanischer Überbeanspruchung zu bieten. Durch die Möglichkeit der Verkapselung dieser Systeme nicht erst auf Chip-Ebene sondern bereits auf Wafer-Ebene werden niedrige Herstellungskosten bei zugleich hohen Fertigungsausbeuten erzielt.
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Diese Vorteile lassen sich mit den anderen Antriebsprinzipien nicht erreichen. So erfordern bspw. elektrodynamische Antriebe das Aufbringen dicker Metallschichten, um daraus Planarspulen mit möglichst geringem Ohmschen Widerstand zu realisieren. Neben dem bereits erheblichen Nachteil der bei der Metall-Abscheidung kaum zu vermeidenden Schichtspannungen bzw. Schichtspannungs-Gradienten, welcher starke Verbiegungen des Aktuators zur Folge haben kann, sowie der hohen metallischen Masse, die der Aktuator mit sich tragen muss, ergibt sich ein noch größeres Problem im Zusammenhang mit dem Versuch, einen solchen Aktuator mit Wafer-Bond-Techniken auf Wafer-Ebene zu verkapseln. In den meisten Fällen schließt die thermische Fehlanpassung der beteiligten Materialien ein Wafer-Level-Packaging-Verfahren wegen der hohen Temperaturen aus. In der Regel bleiben dann nur nicht-hermetische Klebeverbindungstechniken zum Schutz der Mikrostruktur übrig. Weitere erhebliche Nachteile der elektromagnetischen Antriebe ergeben sich aus der Notwendigkeit, neben bewegten Planarspulen auch noch ein äußeres Magnetfeld durch möglichst dicht am Mikroaktuator platzierte, hybrid aufgebrachte Permanentmagnete zu erzeugen. Ein solches hybrid montiertes System ist teurer und weniger gut für Massenfertigung geeignet als ein elektrostatischer Aktuator. Das erzielbare Minimalvolumen eines elektromagnetisch angetriebenen MEMS-Aktuators liegt in der Regel deutlich über jenem, welches sich für einen mit elektrostatischen Antrieben ausgestatteten Aktuator erzielen lässt.
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Der vorgeschlagene mikromechanische Aktuator ist besonders für den Bereich der optischen Mikrospiegel-Aktuatoren von Bedeutung, kann aber ebenso auch für viele andere Aktuatoren-Typen wie Schalter oder Gyroskope zum Einsatz kommen. Mikrospiegel werden für das gezielte Ablenken eines einfallenden Lichtstrahls oder elektromagnetischer Strahlung anderer Wellenlängenbereiche (IR, UV) eingesetzt. In der Regel handelt es sich hierbei um aus Silizium heraus geätzte dünne Platten, die entweder dielektrisch oder mit sehr dünnen metallischen Schichten verspiegelt werden und beweglich an Torsions- oder Biegebändchen aufgehängt sind. Resonant betrieben lassen sich solche bis zu mehreren Millimeter großen Mikrospiegel bei Frequenzen von vielen Kilohertz mit ausreichend großen Scan-Amplituden auslenken. In den letzten Jahren wurde sehr intensiv an der Entwicklung von zweiachsigen scannenden Mikrospiegel-Systemen gearbeitet, welche in kompakten Laser-Projektions-Displays zum Einsatz kommen sollen. Ein ein- oder mehrfarbiger Laserstrahl wird auf den beweglichen Spiegel gerichtet und durch diesen in zwei Achsen, vertikal und horizontal, so schnell abgelenkt, dass auf der Projektionsfläche für das menschliche Auge eine geschlossen ausgeleuchtete rechteckige Fläche wahrnehmbar wird. Durch Synchronisation der modulierten Laserquelle mit der Spiegelbewegung kann dann Bildinformation mit hoher Auflösung übertragen werden.
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Für die Ablenkung des Laserstrahls über die Projektionsfläche sind zwei grundsätzlich verschiedene Scan-Verfahren bekannt, der Raster-Scan sowie der Lissajous-Scan. Bei dem bevorzugt eingesetzten Raster-Scan wird in der Regel eine schnelle Zeilenbewegung mit einer langsamen Vertikalbewegung kombiniert. Um bspw. ein Bild in SVGA-Auflösung, also mit 600 Zeilen á 800 Bildpunkten bei einer Bildwiederholrate von 60 Hz zu projizieren, wird eine Zeilenfrequenz von mindestens 36 kHz benötigt. Dies gilt für Zeilenprojektionen einer Schreibrichtung, also z. B. von links nach rechts. Während der Rückstellzeit des Zeilen- bzw. Horizontal-Scanners wird also keine Information übertragen. Möchte man jedoch beide Scanrichtungen ausnutzen, Zeilen also sowohl von links nach rechts als auch von rechts nach links projizieren, dann halbiert sich die Frequenzanforderung auf mindestens 18 kHz. Um bei dieser nach wie vor sehr hohen Scanfrequenz auch noch ausreichend große Scan-Amplituden erzielen zu können, werden die Horizontal-Scanner üblicherweise in Resonanz betrieben, was einen sinusförmigen Geschwindigkeitsverlauf und damit eine unerwünschte inhomogene Verteilung der Lichtintensität in Zeilenrichtung zur Folge hat. Während dies in Bezug auf die horizontale Achse nahezu nicht zu umgehen ist, soll eine optimale Homogenität der Bilddarstellung wenigstens in vertikaler Richtung erreicht werden. Dies wird idealerweise durch einen nichtresonanten Betrieb für die Auslenkung in vertikaler Richtung mit sägezahnförmigem Scanverlauf erzielt. Um das zur Verfügung stehende Licht optimal zu nutzen, wird dabei angestrebt, den schnellen Rücklauf zum Startpunkt – also die steil abfallende Sägezahn-Flanke des Vertikalscans – so kurz wie möglich zu gestalten. Für kompakte Laser-Projektions-Displays mit Auflösungen im VGA-Format, SVGA-Format oder größer ist aus optischen Randbedingungen heraus eine Spiegelplatte mit einem Durchmesser im Millimeterbereich erforderlich. Das Produkt aus Spiegeldurchmesser und einseitigem mechanischen Scanwinkel ergibt das sog. Theta-D-Produkt, welches als Maß für die optische Auflösung angesehen werden kann. So ist bspw. für eine SVGA-Auflösung in horizontaler Richtung ein Theta-D-Produkt [mm × Grad] von 9,37 und in vertikaler Richtung von 7,03 erforderlich. Um einerseits eine ausreichende Schock-Robustheit und Vibrations-Unempfindlichkeit des Mikrosystems im mobilen Einsatz, bspw. in einem Mobiltelefon, und andererseits ein ausreichend schnelles Rückstellen des Spiegels im Sägezahnbetrieb von vorzugsweise unterhalb von 2 ms zu erreichen, sollte die unterste Eigenresonanz der langsamen Achse (vertikale Auslenkung) 1000 Hz nicht unterschreiten.
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Sei beispielhaft ein sehr kompakter zweiachsiger, kardanisch aufgehängter Mikrospiegel-Scanner angenommen, dessen Spiegel-Platte eine Kantenlänge von 1 mm besitzt. Der diesen Spiegel und dessen Torsionsfeder umgebende, ebenfalls beweglich aufgehängte Rahmen (im Englischen meist als Gimbal bezeichnet) besitzt zwangsläufig eine deutlich größere Kantenlänge als der Spiegel. Nehmen wir eine vergleichsweise kurze Federlänge der Torsionsfedern von 300 μm und eine zusätzliche Rahmenbreite von 200 μm an. Bei quadratischer Kontur besitzt der bewegliche Rahmen dann eine Kantenlänge L von 2 mm. Für den Mikroaktuator nehmen wir ferner eine minimale Dicke D von 60 μm und eine Mindest-Torsinns-Eigenfrequenz von 1000 Hz an. Zum Erreichen von SVGA-Auflösung wird eine mechanische Verkippung θ des beweglichen Rahmens von mindestens +/–7° benötigt:
Für die Torsions-Eigenfrequenz F
res gilt:
worin k die Federkonstante und J das Massenträgheitsmoment des Spiegels um die Drehachse darstellen.
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Für J gilt: J = 1 / 12ρDL4 (2)
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Darin ist ρ die Dichte des Spiegelmaterials (Dichte Silizium: 2330 kg/m3).
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Für das mechanische Rückstell-Drehmoment Tmech bei gefordertem Vollausschlag von hier angenommenen +/–7° gilt: Tmech = kθ (3)
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Außerdem gilt für den Maximalausschlag: |Taktuator| = |Tmech| (4)
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Wird in Gleichung (3) die Federkonstante k durch Ausdruck (1) ersetzt und werden die gegebenen Werte für Frequenz, Dichte, Kantenlänge und Spiegeldicke eingesetzt, so kann unter Berücksichtigung von Gleichung (4) das erforderliche vom Aktuator aufzubringende Drehmoment T
aktuator ermittelt werden:
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Zur Erzeugung von Drehmomenten dieser Größenordnung sind zwar Mikroaktuatoren mit elektromagnetischen Antrieben bekannt. Diese haben jedoch die weiter oben angeführten Nachteile. Bekannte mikromechanische Aktuatoren mit nichtresonanten elektrostatischen Antrieben sind bisher nicht in der Lage, derartige Drehmomente bei der geforderten Größe der Mikrospiegel und hohen Auslenkung zu erreichen.
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Stand der Technik
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Für die Verkippung einer Aktuatoreinheit sind elektrostatische Kippantriebe bekannt, die ineinander greifende bewegliche und statische kamm- oder fingerförmige Elektroden aufweisen. Um mit Hilfe von derartigen elektrostatischen Antrieben, auch als Kammantriebe bezeichnet, quasistatische Auslenkungen nennenswerter Amplitude zu erzeugen, kommen bislang nur Kammelektroden mit gegenseitigem vertikalen Höhenversatz in Betracht. In den meisten Fällen wird der Höhenversatz durch Verwendung einer zweiten Siliziumschicht erzeugt, welche gegenüber der darunter liegenden ersten Elektrodenebene elektrisch isoliert ist. Statische und bewegliche Elektroden werden in verschiedenen Ebenen erzeugt und besitzen dadurch den gewünschten Höhenunterschied. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den statischen und beweglichen Elektroden wird die bewegliche Elektrode aus der Ebene heraus ausgelenkt bis elektrostatisches Drehmoment und mechanisches Rückstellmoment der Federaufhangung des Spiegels oder Rahmens einander ausgleichen. Der maximal erreichbare statische Auslenkwinkel ist einerseits durch den durch den Fertigungsprozess bedingten Höhenunterschied der Elektrodenebenen und andererseits durch die Elektrodengeometrie, nämlich den lateralen Abstand des beweglichen Elektrodenkamm-Endes von der Drehachse der Aktuatoreinheit, gegeben. Je größer dieser Abstand ist, desto kleiner ist der maximal erzielbare Auslenkwinkel. Je größer der Höhenunterschied der Elektrodenebenen ist, desto größer ist dieser Auslenkwinkel.
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Um große Kippwinkel von größer +/–5° mechanisch auch quasistatisch, d. h. im nichtresonanten Betrieb, erreichen zu können, ist es erforderlich, die Elektroden nahe der Dreh- bzw. Kippachse anzubringen und keine zu langen Elektrodenfinger zu realisieren. Nur auf diese Weise lässt sich über einen größeren Winkelbereich ein wirksames Drehmoment erzeugen. Aufgrund des kurzen Hebelarmes ist das erzielbare Drehmoment allerdings auch sehr viel niedriger als bei einer vergleichbaren achsenfernen Elektroden-Anordnung mit großem Hebelarm.
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So zeigen bspw. Young-Chul Ko et al., „Gimbaled 2D Scanning Mirror with vertical combs for Laser Display”, IEEE Optical MEMS and Their Applications Conference, 2006, Seiten 104 und 105, einen derartigen zweiachsigen Mikrospiegelscanner für Laserdisplays mit höhenversetzten Kammelektroden, über die die langsame Achse dieser so genannten Gimbal-Anordnung nichtresonant angetrieben wird. Die beweglichen Kammelektroden sind hierbei fest mit der Aktuatoreinheit verbunden und erstrecken sich vom Verbindungspunkt mit der Aktuatoreinheit parallel zur außeren Kippachse, d. h. zur langsamen Achse. Während Spiegeldurchmesser und Resonanzfrequenz bei diesem Mikrospiegelscanner die obigen Anforderungen erfüllen, erreicht der erzielte mechanische quasistatische Kippwinkel von +/–4,2° nicht die Vorgaben für hoch aufgelöste Projektion.
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Dies ist nur ein Beispiel von vielen, die zeigen, dass eine Standardkonstruktion eines zweiachsigen Mikrospiegelscanners mit achsennah angebrachten Elektroden bisher nicht geeignet ist, die großen erforderlichen Scanwinkel der langsamen quasistatischen Achse von größer +/–7° zu erreichen, wenn der Spiegel gleichzeitig einen Mindestdurchmesser von 1 mm nicht unterschreiten und die Resonanzfrequenz der langsamen Achse nicht nennenswert unterhalb von 1 kHz liegen soll. Die erforderlichen hohen Kräfte waren nur in Verbindung mit einer weitaus größeren Anzahl an achsennah angebrachten Kammelektrodenfingern möglich. Damit entstünden jedoch neue Probleme, denn die bewegte Masse steigt dadurch deutlich an, die Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungen nimmt zu und der Platzbedarf ist dann nicht nur entlang der schnellen Spiegelachse sondern auch noch senkrecht dazu sehr groß. Gerade für einen Einsatz eines derartigen zweiachsigen Scanners in Mobiltelefonen zukünftiger Generationen, die erneut flacher werden dürften als die bestehenden, muss zumindest eine der beiden Chipkantenlängen, die parallel zur Spiegelfläche liegen, ausreichend klein ausfallen, um den Spiegelchip noch integrieren zu können.
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Aus V. Milanović, „Improved Control of the Vertical Axis Scan for MEMS Projection Displays”, Optical MEMS and Nanophotonics, 2007, Seiten 89 und 90, ist eine Anordnung bekannt, die trotz elektrostatischer Kammantriebe vergleichsweise große quasistatische Kippwinkel bei ausreichend hoher Resonanzfrequenz und Spiegelgröße erreichen kann. Dort wird ein zweiachsiger Spiegel für Laserprojektion beschrieben, der allerdings in anderer Weise als die oben beschriebenen Mikrospiegel-Scanner arbeitet. Der Spiegel besitzt zur Realisierung der beiden Achsen keine Gimbal-Anordnung, bei der die beiden Achsen nahezu vollständig unabhängig voneinander ausgelenkt werden können. Es wird vielmehr eine nachträglich aufgeklebte Spiegelplatte mit Hilfe einer kleinen in zwei Achsen kippbaren Plattform ausgelenkt. Die Achsen sind dabei prinzipbedingt stärker miteinander gekoppelt als bei einer Gimbal-Anordnung. Dies ist für die vorliegend angestrebten Anwendungen jedoch unerwünscht, da eine genaue Führung über die Kippachsen fehlt. Die Plattform wird über Kammantriebe verkippt, die sich weit vom Spiegel bzw. der Plattform entfernt befinden. Die Drehmomente werden über lange, zur Chipmitte hin orientierte und mit mehreren Gelenken versehene Stangen an die Plattform übertragen. Aufgrund dieses Aufbaus sind beide Chipkantenlängen nahezu gleich groß und somit für einen Einbau in flache Geräte, insbesondere flache Mobiltelefone, ungeeignet. Der vorgeschlagene Scanner erreicht bei einem Spiegelplattendurchmesser von 0,8 mm und einer akzeptablen Resonanzfrequenz von 934 Hz den Messdaten zu Folge eine mechanische Vertikal-Gesamtablenkung von ca. 11°, d. h. eine symmetrische Auslenkung von +/–5,5°. Dies erfüllt ebenfalls noch nicht die obigen Anforderungen an ein hochauflösendes Laserdisplay.
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Die
EP 1806613 A1 beschreibt einen zweiachsigen Mikrospiegel-Scanner mit einer Aktuatoreinheit in einem äußeren Rahmen, die über zwei sich entlang einer äußeren Kippachse der Aktuatoreinheit erstreckende Torsionselemente in dem äußeren Rahmen aufgehängt ist. Der Kippantrieb des Mikrospiegel-Scanners erfolgt bei dieser Druckschrift mit einem Piezoaktuator für die niederfrequente und einem elektrostatischen Antrieb für die hochfrequente Bewegung.
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Die
EP 2100848 A1 beschreibt einen Mikrospiegel-Scanner mit elektrostatischen Kammelektroden zur Ansteuerung der Kippbewegungen der Spiegelplatte. Zwischen dem Bauteilrahmen und der Spiegelplatte ist bei diesem Scanner ein Versteifungsrahmen angeordnet, der über wenigstens eine Horizontalfeder mit der Spiegelplatte und über wenigstens eine Vertikalfeder mit dem Bauteilrahmen verbunden ist.
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Die
US 2002/0026831 A1 beschreibt einen Mikrospiegel-Scanner mit elektrostatischen Kippantrieben aus ineinander greifenden ersten und zweiten kamm- oder fingerförmigen Elektroden. Die ersten Elektroden sind dabei starr mit dem äußeren Rahmen und die zweiten Elektroden über ein inneres Verbindungselement mit der Aktuatoreinheit verbunden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen mikromechanischen Aktuator mit einem nichtresonanten elektrostatischen Kamm-Antrieb anzugeben, der geeignet ist, einen Mikrospiegel mit einer Kantenlänge von mindestens einem Millimeter bei einer Eigenresonanz von ≥ 1 kHz um mindestens +/–7° auszulenken. Der Aktuator soll auch in einer zweiachsigen Ausgestaltung für den nichtresonanten Antrieb der langsamen Achse geeignet sein und eine einfache und preisgünstige Herstellung in Siliziumtechnologie, eine hermetische Vakuumverkapselung sowie eine niedrige Leistungsaufnahme ermöglichen.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem mikromechanischen Aktuator gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Aktuators sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Der vorgeschlagene mikromechanische Aktuator weist eine Aktuatoreinheit in einem äußeren Rahmen, die uber zwei sich entlang einer äußeren Kippachse der Aktuatoreinheit erstreckende Torsionselemente in dem äußeren Rahmen aufgehängt ist, und elektrostatische Kippantriebe aus ineinander greifenden ersten und zweiten kamm- oder fingerförmigen Elektroden auf, die einen gegenseitigen Höhenversatz aufweisen. Die ersten Elektroden sind jeweils starr mit dem äußeren Rahmen und die zweiten Elektroden jeweils über ein äußeres Verbindungselement mit dem äußeren Rahmen und über ein inneres Verbindungselement mit der Aktuatoreinheit verbunden. Bei dem vorgeschlagenen Aktuator ist das äußere Verbindungselement so ausgebildet, dass es in einer vertikalen Richtung zu der durch den äußeren Rahmen aufgespannten Ebene eine Verbiegung ermöglicht. Das innere Verbindungselement weist eine Feder auf, die sich parallel zur äußeren Kippachse erstreckt, jeweils in einem Bereich der Aktuatoreinheit mit dieser verbunden ist, der näher an der äußeren Kippachse als an einem der äußeren Kippachse gegenüberliegenden Rand der Aktuatoreinheit liegt, und so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie in der vertikalen Richtung starr und quer zur vertikalen Richtung biegsam ist. Die Feder ist so ausgebildet, dass sie sowohl laterale Biegung als auch Torsion ermöglicht, um damit den gegenläufigen Kreisbogen-Bewegungen von Aktuatoreinheit und elektrostatischem Kippantrieb möglichst geringen Widerstand entgegen zu setzen, jedoch hohen Widerstand gegenüber vertikaler Durchbiegung erzeugt.
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Vorzugsweise hat die Feder einen rechteckigen Querschnitt mit hohem Aspektverhältnis, d. h. die Form und Eigenschaften einer Blattfeder. Beispielsweise könnte diese Blattfeder im Querschnitt eine Breite von ≤ 5 μm und eine Hohe von ≥ 30 μm aufweisen. Es sind aber auch andere Geometrien und Querschnitte der Feder möglich, um die oben beschriebenen Eigenschaften zu erzielen.
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Die Aktuatoreinheit kann bspw. alleine durch einen Mikrospiegel gebildet sein, so dass ein einachsiger Mikrospiegelscanner erhalten wird. Die Aktuatoreinheit kann auch selbst wiederum einen Rahmen umfassen, in dem ein Aktuatorelement, bspw. ein Mikrospiegel, um eine weitere Kippachse drehbar gelagert ist, wie dies in einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen mikromechanischen Aktuators realisiert ist. Hierdurch wird ein zweiachsiger Mikrospiegelscanner erhalten, der die obigen Anforderungen an die vertikale Auslenkbarkeit, die Resonanzfrequenz sowie den nicht resonanten Antrieb der langsamen Achse bei lateralen Spiegeldimensionen von 1 mm oder größer ermöglicht.
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Dies wird vor allem durch die besondere Ausgestaltung des elektrostatischen Kipp- bzw. Kammantriebes für die Aktuatoreinheit mit den Verbindungselementen zur Aktuatoreinheit und zum äußeren Rahmen erreicht. Ein wesentliches Merkmal stellt hierbei die Feder und deren Anordnung am inneren Verbindungselement dar, durch deren Einfluss die hohen Drehmomente bei entsprechend hoher Auslenkung auf die Aktuatoreinheit übertragen werden können. Dies erfordert eine vertikal starre, jedoch in sich lateral verbiegbare Feder, die nahe der äußeren Kippachse mit der Aktuatoreinheit verbunden ist. Hierbei werden insgesamt vier Federn eingesetzt, zwei für jede Seite der Aktuatoreinheit bzgl. der Kippachse, die sich dann an der Aktuatoreinheit symmetrisch gegenüber liegen. Die elektrostatischen Kippantriebe können hierbei auch aus mehreren Gruppen von kamm- oder fingerförmigen Elektroden bestehen. Die ersten und zweiten Elektroden weisen jeweils einen gegenseitigen Höhenversatz auf, um eine stabile Auslenkung der Aktuatoreinheit in beiden Richtungen erreichen zu können.
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Die Aktuatoreinheit oder das Aktuatorelement sind nicht auf Mikrospiegel beschränkt. Vielmehr lassen sich auch viele andere Arten von Aktuatoren, wie bspw. Schalter, Sensoren oder Gyroskope mit diesem Aufbau realisieren.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der vorgeschlagene Aktuator als zweiachsiger Aktuator, insbesondere als zweiachsiger Mikrospiegelscanner, ausgebildet. Hierzu weist die Aktuatoreinheit ein Aktuatorelement in einem inneren Rahmen sowie weitere elektrostatische Kippantriebe aus ineinander greifenden dritten und vierten kamm- oder fingerförmigen Elektroden auf. Das Aktuatorelement ist wiederum über Torsionselemente, die sich entlang einer inneren Kippachse senkrecht zur äußeren Kippachse erstrecken, in den inneren Rahmen aufgehängt. Die Begriffe der inneren und äußeren Kippachse dienen hier nur zur Unterscheidung der beiden Kippachsen, wobei die innere Kippachse die Kippachse des im Aktuator weiter innen liegenden Elementes bezeichnet. Der innere Rahmen entspricht dabei dem beweglichen Rahmen dieser Gimbal-Anordnung. Die dritten Elektroden sind starr mit dem inneren Rahmen und die vierten Elektroden starr oder biegsam mit dem Aktuatorelement verbunden, um eine Verkippung des Aktuatorelementes über den Kippantrieb um die innere Kippachse antreiben zu können. Auch hier sind die dritten und vierten Elektroden vorzugsweise gegeneinander höhenversetzt angeordnet.
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Auf diese Weise kann bei Realisierung des Aktuatorelementes als Mikrospiegel ein zweiachsiger Mikrospiegelscanner erreicht werden, der die großen für hochauflösende Laserprojektion erforderlichen Scanwinkel im nichtresonanten Betrieb der langsamen Scanachse erzielen kann, ohne dass der Scanner selbst gleichzeitig zu fragil wird, d. h. dass die langsame Achse mit einer Resonanzfrequenz von rund 1 kHz oder höher realisiert werden kann. Die langsame Achse entspricht hierbei der Verkippung um die äußere Kippachse. Horizontale Ablenkungen werden über die innere Kippachse im resonanten Betrieb mit der erforderlichen hohen Frequenz ermöglicht. Durch den elektrostatischen Antrieb in beiden Achsen lässt sich ein derartiger Mikrospiegelscanner bis auf Verspiegelungsschicht und Anschlussfelder vollständig aus Silizium und Silizium-Dioxid für die Isolation fertigen. Dies ermöglicht wiederum ein vergleichsweise einfaches hermetisch dichtes Wafer-Level-Packaging basierend auf Standard-Wafer-Bond-Techniken.
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Ein derartiger mikromechanischer Aktuator, bspw. in Form des beschriebenen zweiachsigen Mikrospiegelscanners, lässt sich auch sehr kompakt realisieren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer derartigen kompakten Realisierung sind die ersten und zweiten kamm- oder fingerförmigen Elektroden beidseitig der äußeren Kippachse ausgebildet, wobei die Elektrodenfinger jeweils parallel zur äußeren Kippachse ausgerichtet sind. Dies ermöglicht die Anordnung der kamm- oder fingerförmigen Elektroden sowohl des äußeren Kippantriebs als auch des inneren Kippantriebs auf den gleichen beiden sich gegenüber liegenden Seiten des Aktuators bzw. der äußeren Kippachse, so dass der Aktuator zwar in der Länge zunimmt, nicht jedoch in der Breite. Über die Zunahme in der Länge lässt sich durch Erhöhung der Anzahl der kamm- oder fingerförmigen Elektroden das Drehmoment geeignet erhöhen, ohne gleichzeitig die Breite des Aktuators zu verändern. Damit lässt sich ein derartiger Aktuator sehr vorteilhaft in flache Geräte, wie bspw. flache Mobiltelefone, integrieren.
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Die Herstellungstechniken für einen derartigen mikromechanischen Aktuator sind dem Fachmann bekannt. Hierzu werden, wie bereits in der Beschreibungseinleitung angeführt, in der Regel Siliziumtechniken eingesetzt, wobei die höhenversetzten kammförmigen Elektroden durch unterschiedliche Schichten in einem entsprechenden Schichtaufbau erzeugt werden. Auch andere Techniken zur Erzeugung des Höhenversatzes sind selbstverständlich möglich. Die Verbindungselemente wie auch die Federn können bspw. aus Silizium gebildet sein, das eine ausreichende Elastizität für die laterale Verbiegung bzw. Torsion der Feder gewährleistet. Im Vordergrund steht, dass die Federn den gewünschten funktionalen und einander gegenläufigen Kreisbahn-Bewegungen von Aktuatoreinheit und elektrostatischen Kippantrieben wenig Widerstand entgegen setzen, da sonst ein Großteil der durch die vielen Elektroden der Kippantriebe hinzugewonnenen Kraft bereits wieder aufgebraucht würde. Hingegen soll die Feder jedoch die Vertikal-Komponente der Bewegung der elektrostatischen Kippantriebe möglichst direkt und verlustfrei übertragen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Der vorgeschlagene mikromechanische Aktuator wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals naher erläutert.
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Hierbei zeigen:
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1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung des mikromechanischen Aktuators als zweiachsiger Mikrospiegelscanner;
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2 ein zweites Beispiel einer Ausgestaltung des mikromechanischen Aktuators als zweiachsiger Mikrospiegelscanner;
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3 ein drittes Beispiel einer Ausgestaltung des mikromechanischen Aktuators als zweiachsiger Mikrospiegelscanner; und
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4 eine schematische Darstellung der Verkippung der Aktuatoreinheit des mikromechanischen Aktuators im Querschnitt.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Im Folgenden werden beispielhaft Ausgestaltungen für zweiachsige Mikrospiegelscanner gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, die Spiegeldurchmesser von mindestens 1 mm und eine Resonanzfrequenz der langsamen Achse von rund 1 kHz oder höher aufweisen und einen mechanischen Auslenkwinkel der langsamen Achse von rund +/–7° oder größer ermöglichen. Die 1 und 2 zeigen hierbei Ausgestaltungen eines derartigen Mikrospiegelscanners, bei denen gleichzeitig eine geringe Chipkantenlänge in einer zur Spiegelfläche parallelen Dimension erreicht wird.
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In der Ausgestaltung der 1 ist ein Mikrospiegel 1 gezeigt, der über Torsionsfedern 2 um eine entlang der Torsionsfedern 2 verlaufende Kippachse (innere Kippachse) drehbar in einem ihn umgebenden beweglichen Rahmen (Gimbal) 3 aufgehängt ist. Der Mikrospiegel 1 kann mit zwei elektrostatischen Kippantrieben, die höhenversetzte Kammelektroden 8, 9 aufweisen, in dem beweglichen Rahmen 3 um die innere Kippachse verkippt werden. Der bewegliche Rahmen 3 (innerer Rahmen) ist wiederum über Torsionsfedern 4 um eine durch den Verlauf der Torsionsfedern 4 vorgegebene Kippachse (äußere Kippachse) drehbar in dem ihn umgebenden starren Chiprahmen 5 (äußerer Rahmen) aufgehängt. Die beiden Kippachsen stehen senkrecht zueinander. Der bewegliche innere Rahmen 3 lässt sich über zwei elektrostatische Kippantriebe 14, 15 in vertikaler Richtung auslenken. Die Kippantriebe 14, 15 verfügen über eine Vielzahl relativ zum Chiprahmen 5 beweglicher Elektrodenfinger 16, deren statische höhenversetzte Gegenelektrodenfinger 17 am Chiprahmen 5 angebracht sind. Die beweglichen Elektrodenfinger 16 sind mit einer U-förmigen Ankerstruktur 12 verbunden, die ihrerseits mit dem inneren Rahmen 3 verbunden ist. Über die elektrische Ansteuerung der Elektrodenfinger 16 und Gegenelektrodenfinger 17 kann am Ende der U-förmigen Ankerstruktur 12 ein Vertikalhub bzw. eine Vertikalauslenkung erzeugt werden, die im wesentlichen durch den Höhenversatz der statischen und beweglichen Elektrodenfinger 16, 17 limitiert ist.
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Aus Gründen der Fertigbarkeit und der Fertigungskosten stehen bei den meisten Fertigungsprozessen für derartige Kammantriebe keine größeren Höhenunterschiede als 30 μm zur Verfügung. Um dennoch große Auslenkungen erzeugen zu können, wird in der hier vorgeschlagenen Anordnung die von den Kammantrieben erzeugte Vertikalbewegung über vertikal starre jedoch in sich lateral verbiegbare Blattfedern 13 auf den inneren Rahmen 3 übertragen. Die Blattfedern 13 weisen hier eine Länge von 300 μm, eine Breite von 4 μm und eine Höhe von 30 μm auf und sind aus Silizium gebildet. Der laterale Abstand des Aufhängungspunktes der Blattfeder 13 am inneren Rahmen 3 bestimmt bei vorgegebener vertikaler Maximalauslenkung der Kammantriebe 14 bzw. 15 den maximal erzielbaren Kippwinkel des inneren Rahmens 3. Die auf diese Weise erreichte Vertikalhub-Übersetzung kann dazu genutzt werden, um mechanische Kippwinkel von +/–10° und mehr zu erzeugen. Für einen Kippwinkel von +/–10° ergibt sich ein maximaler lateraler Abstand des Verbindungspunktes der Blattfeder 13 mit dem inneren Rahmen 3 von etwa 170 μm zur äußeren Kippachse.
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Eine Vorraussetzung dafür, dass die Maximalauslenkung der Antriebe 14 bzw. 15 erreicht wird, ist eine ausreichend große Anzahl höhenversetzter Kammelektrodenfinger. Die hier vorgeschlagene Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass die Kammelektrodenanordnung sich nicht wesentlich in Achsenrichtung der äußeren Kippachse sondern senkrecht dazu ausdehnt. Bei einem zweiachsigen Scanner bringt dies den Vorteil mit sich, dass die vielen erforderlichen Antriebselektroden sich parallel zur ebenfalls ausgedehnten durch die Torsionsfedern 2 gebildete Spiegeltorsionsaufhängung erstrecken. Der Chip wird also durch die Antriebe des inneren Rahmens im Wesentlichen nur in der Richtung größer, in der er ohnehin bereits durch die vorhandene innere Drehachse besonders ausgedehnt ist. Da die Chipkantenlänge senkrecht dazu besonders klein bleiben kann, bspw. im Bereich von 2 mm, eignet sich ein solcher Mikrospiegelscanner bzw. Mikrospiegelchip besonders für den Einbau in äußerst flache Mobiltelefone.
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Da die Kammantriebe 14, 15 über eigene Aufhängungen am starren Chiprahmen 5 befestigt sind, bspw. durch geeignete Torsions- oder Biegeaufhängungen 18, besitzen sie auch ein eigenes Rückstellmoment. Dieses Rückstellmoment trägt dazu bei, dass die Aktuatormasse nicht in erheblichem Maße die Resonanzfrequenz des beweglichen inneren Rahmens 3 erniedrigt. Daraus ergibt sich ein erheblicher Vorteil gegenüber der sonst freitragenden Anbringung der beweglichen Elektrodenfinger direkt am beweglichen inneren Rahmen 3, bei der es wegen des enormen Zuwachses des Trägheitsmomentes durch mitgeschleppte Zusatz-Masse der Elektrodenfinger zu einer deutlichen Erniedrigung der Resonanzfrequenz kommt. Beim vorgeschlagenen mikromechanischen Aktuator wird die Resonanzfrequenz des beweglichen Rahmens 3 ganz überwiegend durch die Gimbal-Struktur und dessen Torsionsaufhängung 4 bestimmt und nur in geringem Maße durch die Massen der Antriebe 14, 15 beeinflusst.
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2 zeigt eine weitere Ausgestaltung für den vorgeschlagenen mikromechanischen Aktuator als zweiachsigen Mikrospiegelscanner. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der Ausgestaltung der 1 dadurch, dass der elektrostatische Kammantrieb 14, 15 hier über seinen zentralen Trägerbalken direkt am starren Chiprahmen 5 befestigt ist, wobei eine Eigenfederwirkung bei Vertikalbiegung dieses Trägerbalkens ausgenutzt wird. Das äußere Verbindungselement wird hier also durch den Trägerbalken selbst gebildet. Ansonsten entspricht die Ausgestaltung der der 1.
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3 zeigt wiederum einen ähnlichen Aufbau wie den der 2. Jedoch sind hier die elektrostatischen Kammantriebe 14, 15 doppelt ausgeführt, um noch größere Kräfte erzeugen zu können. Der Mikrospiegel 1 ist wiederum über entsprechende Torsionsfedern 2 in einem inneren Rahmen (Gimbal) 3 aufgehängt. Die Antriebe für den Mikrospiegel 1 in diesem inneren Rahmen 3 sind hier in der Figur nicht dargestellt. Der bewegliche Rahmen 3 ist seinerseits über Torsionsfedern 4 im starren Chiprahmen 5 aufgehängt. Die elektrostatischen Kammantriebe 14, 15 verfügen über eine Vielzahl von Fingerelektroden 8, die den höhenversetzten statischen Fingerelektroden 9 gegenüber stehen. Die Antriebe 14, 15 sind jeweils doppelt vorhanden, liegen seitlich des beweglichen Rahmens 3 und münden einseitig direkt in den starren Chiprahmen 5. Am Ende der Antriebe 14, 15 sind diese über Blattfedern 13 am beweglichen Rahmen 3 nahe der Kippachse dieses beweglichen Rahmens 3 befestigt. Ein derartig aufgebauter zweiachsiger elektrostatisch angetriebener Mikrospiegelscanner erreicht in gleicher Weise wie die Ausgestaltungen der 1 und 2 über zumindest eine nichtresonant betreibbare Achse und einen Übersetzungsmechanismus eine Amplitudenvergrößerung. Diese Ausgestaltung lässt sich allerdings nicht so Platz sparend realisieren wie die Ausgestaltungen der 1 und 2.
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4 zeigt schließlich noch schematisiert die Verhältnisse bei der Auslenkung des inneren Rahmens 3 durch die elektrostatischen Kammantriebe 14, 15 gemäß den 1 bis 3. Dargestellt ist hierbei eine Seitenansicht des einseitig ausgelenkten beweglichen inneren Rahmens 3. Dieser ist über Torsionsfedern 4 am starren Chiprahmen 5 befestigt. Die Antriebe 14, 15 treiben den inneren Rahmen 3 an und sind jeweils am gegenüberliegenden Ende mit dem starren Chiprahmen 5 verbunden. Die Blattfedern sind in dieser Ausgestaltung nicht direkt erkennbar, da sie sich zwischen den Antrieben 14 und 15 und dem beweglichen Rahmen 3 in die Blattebene hinein erstrecken. Sie verhalten sich hierbei in vertikaler Richtung starr, können sich jedoch in lateraler Richtung in sich verbiegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikrospiegel
- 2
- Torsionsfeder
- 3
- innerer Rahmen
- 4
- Torsionsfeder
- 5
- starrer Chiprahmen
- 8
- Fingerelektroden
- 9
- Fingerelektroden
- 12
- U-förmige Ankerstruktur
- 13
- Blattfeder
- 14
- elektrostatischer Kippantrieb
- 15
- elektrostatischer Kippantrieb
- 16
- bewegliche Elektrodenfinger
- 17
- statische Gegenelektrodenfinger
- 18
- Torsions- oder Biegeaufhängung
