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Die
Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung
ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
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Stand der Technik
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Ein
mikromechanisches Bauteil weist häufig einen elektrostatischen
Antrieb auf, welcher dazu ausgelegt ist, mindestens ein verstellbares
Elements in Bezug auf eine Halterung des mikromechanischen Bauteils
um mindestens eine Drehachse zu verstellen. Ein derartiges mikromechanisches
Bauteil kann beispielsweise als Mikrospiegel ausgebildet sein. Nachfolgend
wird ein Mikrospiegel einer noch unveröffentlichten Anmeldung
EP 08400007.4 als Beispiel für
ein mikromechanisches Bauteil beschrieben:
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Mikrospiegels.
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Der
dargestellte herkömmliche Mikrospiegel weist als verstellbares
Element eine Spiegelplatte 10 auf, welche in Bezug auf
eine (nicht skizzierte) Halterung um eine erste Drehachse 12 und
eine zweite Drehachse 14 verstellbar ist. Die Spiegelplatte 10 ist über
zwei entlang der ersten Drehachse 12 verlaufende Innenfedern 16 mit
einem Innenrahmen 18 verbunden. An zwei gegenüber
liegenden Stellen des Innenrahmens 18 sind Stege 20 befestigt,
welche entlang der zweiten Drehachse 14 verlaufen. Jeder
der beiden Stege 20 ist an seinem dem Innenrahmen 18 entgegen
gerichteten Ende über eine Außenfeder 22, welche
jeweils entlang der zweiten Drehachse 14 verläuft,
mit der Halterung verbunden.
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Zusätzlich
ist an jedem der Stege 20 eine mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 24 und
eine innere Aktor-Elektrodenkomponente 26 angeordnet. Die
mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 24 umfasst Elektrodenfinger 24a,
welche sich beidseitig von dem zugeordneten Steg 20 senkrecht
zu der zweiten Drehachse 14 erstrecken. Entsprechend sind
auch die Elektrodenfinger 26a und 26b der inneren
Aktor-Elektrodenkomponente 26 senkrecht zu der zweiten
Drehachse 14 ausgerichtet, wobei die Elektrodenfinger 26a auf
einer ersten Seite der zweiten Drehachse 14 und die Elektrodenfinger 26b auf
einer zweiten Seite der zweiten Drehachse 14 angeordnet sind.
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An
der Halterung sind jeweils zwei mittlere Stator-Elektrodenkomponenten 28 und
zwei innere Stator-Elektrodenkomponenten 30 befestigt.
Jeweils eine mittlere Stator-Elektrodenkomponente 28 ist
benachbart zu einer zugeordneten mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 angeordnet.
Entsprechend ist auch jeder der beiden inneren Stator-Elektrodenkomponenten 30 eine
innere Aktor-Elektrodenkomponente 26 zugeordnet. Jede der
Stator-Elektrodenkomponenten 28 und 30 umfasst
Elektrodenfinger 28a, 30a und 30b.
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Bei
dem dargestellten Mikrospiegel kann zwischen den Elektrodenfingern 24a einer
mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 und den Elektrodenfingern 28a der
zugeordneten mittleren Stator-Elektrodenkomponente 28 eine
erste Spannung ungleich Null angelegt werden. Erfolgt das Anlegen der
ersten Spannung zwischen den auf einer ersten Seite der ersten Drehachse 12 angeordneten
Elektrodenfingern 24a und 28a der mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28,
so wird die Spiegelplatte 10 in eine erste Drehrichtung
um die erste Drehachse 12 verstellt. Entsprechend wird
die Spiegelplatte 10 bei einem Anlegen der ersten Spannung
zwischen den Elektrodenfingern 24a und 28a der
mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 auf
einer zweiten Seite der ersten Drehachse 12 in eine zweite
Drehrichtung um die erste Drehachse 12 gedreht.
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Die
Elektrodenfinger 26a, 26b, 30a und 30b der
inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 sind so
kontaktierbar, dass lediglich zwischen den auf der ersten Seite
der zweiten Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26a und 30a beider
innerer Elektrodenkomponenten 26 und 30 eine zweite Spannung
anlegbar ist.
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Unabhängig
davon ist die zweite Spannung auch lediglich zwischen den auf der
zweiten Seite der Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26b und 30b beider
innerer Elektrodenkomponenten 26 und 30 anlegbar.
Abhängig von dem Anlegen der zweiten Spannung zwischen
den auf der ersten Seite der zweiten Drehachse 14 angeordneten
Elektrodenfingern 26a und 30a oder zwischen den
auf der zweiten Seite der Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26b und 30b wird
die Spiegelplatte 10 in eine bestimmte Drehrichtung um
die zweite Drehachse 14 verstellt.
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Der
maximale erste Drehwinkel, um welchen die Elektrodenfinger 24a der
mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 um die erste Drehachse 12 verstellbar
sind, wird reduziert durch hohe Werte für die Abstände
der Elektrodenfinger 24a und 28a der mittleren
Elektrodenkomponenten 24 und 28. Allerdings sind
vergleichsweise große Werte für die Abstände der
Elektrodenfinger 24a und 28a von der ersten Drehachse 12 für
ein ausreichend großes Drehmoment zum Verstellen der Spiegelplatte 10 um
die erste Drehachse 12 vorteilhaft. Der maximale erste Drehwinkel
kann durch ein Vergrößern der (in 2A und 2B dargestellten)
Höhen h1 und h2 der Elektrodenfinger 24a und 28a der
mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 gesteigert
werden. Wie der Fachmann jedoch erkennt, sind die Höhen h1
und h2 nicht beliebig steigerbar.
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Auch
für den maximalen zweiten Drehwinkel, um welchen die Elektrodenfinger 26a oder 26b der inneren
Aktor-Elektrodenkomponente 26 um die zweite Drehachse 14 drehbar
sind, und für das erreichbare Drehmoment zum Verstellen
der Spiegelplatte 10 um die zweite Drehachse 14 gelten
die in dem vorhergehenden Absatz beschriebenen Bedingungen: Diese
Begrenzungen für die maximalen Drehwinkel und die erreichbaren
Drehmomente schränken die Verstellbarkeit der Spiegelplatte 10 des
herkömmlichen Mikrospiegels nachteilig ein.
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Zur
besseren Veranschaulichung eines weiteren Nachteils des herkömmlichen
Mikrospiegels der 1 wird auf die nachfolgenden
Figuren verwiesen.
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2A und 2B zeigen
Querschnitte durch eine mittlere Aktor-Elektrodenkomponente des herkömmlichen
Mikrospiegels der 1.
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Bei
den schematischen Darstellungen der 2A und 2B liegt
zwischen den Elektrodenfingern 24a der mittleren Aktor-Elektrodenkomponenten 24 und
den Elektrodenfingern 28a der mittleren Stator-Elektrodenkomponenten 28 eine
erste Spannung U1 gleich Null an. In 2A ist
auch die zwischen den Elektrodenfingern 26a und 30a oder zwischen
den Elektrodenfingern 26b und 30b der inneren
Elektrodenkomponenten 26 und 30 anlegbare zweite
Spannung U2 gleich Null. Demgegenüber zeigt 2B eine
Situation, in welcher zwischen den auf der ersten Seite der zweiten
Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26a und 30a der
inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 eine zweite Spannung
U2 ungleich Null angelegt ist.
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Nachfolgend
wird zuerst auf den in 2A dargestellten spannungslosen
Zustand, in welchem die anlegbaren Spannungen U1 und U2 gleich Null sind,
eingegangen. Im spannungslosen Zustand liegen die Elektrodenfinger 24a und 28a der
mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 parallel
zueinander in zwei unterschiedlichen Ebenen. Man spricht dabei auch
von einer Out-Of-Plane-Anordnung der Elektrodenfinger 26a und 28a der
mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 im spannungslosen
Zustand.
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Wie
in 2B dargestellt ist, bewirkt das Anlegen einer
zweiten Spannung U2 ungleich Null zwischen den (nicht dargestellten)
Elektrodenfingern 26a und 30a oder 26b und 30b der
inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 auch ein
Verstellen der Elektrodenfinger 24a der mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 um
die zweite Drehachse 14. Dies kann beispielsweise zu einer Überlappung
der auf der ersten Seite der zweiten Drehachse 14 angeordneten
Elektrodenfinger 24a und 28a der mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 führen,
während die auf der zweiten Seite der zweiten Drehachse 14 angeordneten
Elektrodenfingern 24a und 28a der mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 sich nicht überlappen.
Wird bei einer derartigen Situation, wie sie in 2B gezeigt
ist, eine erste Spannung U1 ungleich Null zwischen den Elektrodenfingern 24a und 28a der
mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 angelegt,
so bewirkt die angelegte erste Spannung U1 ein zusätzliches Übersprech-Drehmoment
um die zweiten Drehachse. Dieses Übersprech-Drehmoment
führt oft zu einem unerwünschten Verstellen der
Spiegelplatte 10 um die zweite Drehachse 14. Man
kann dies auch als ein Übersprechen des Mikrospiegels oder
als eine unerwünschte Kopp lung zwischen den möglichen
Verstellbewegungen der Spiegelplatte 10 um die beiden Drehachsen 12 und 14 bezeichnen.
Nachteilig ist dabei, dass dieser Effekt mit einer Steigerung der
angelegten zweiten Spannung U2, bzw. mit einer Steigerung des zweiten
Spiegelverstellwinkels, um welchen die Spiegelplatte 10 um
die zweite Drehachse 14 verstellt wird, zunimmt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches
Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem
Bereitstellen der äußeren Aktor-Elektrodenkomponente
und der zugeordneten äußeren Stator-Elektrodenkomponente
ein Verstellen des verstellbaren Elements um die zweite Drehachse
in zwei Teilschritten erfolgen kann. In einem ersten Teilschritt
können die inneren Elektrodenkomponenten zu einem Verstellen
des verstellbaren Elements um einen ersten Teilwinkel des gewünschten Gesamt-Drehwinkels
verwendet werden. Zusätzlich kann das verstellbare Element über
die äußeren Elektrodenkomponenten in einem zweiten
Teilschritt um einen zweiten Teilwinkel des gewünschten
Gesamt-Drehwinkels verstellt werden. Die zwei Teilschritte können
in beliebiger Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt
werden. Beispielsweise können der erste Teilwinkel und
der zweite Teilwinkel jeweils die Hälfte des gewünschten
Gesamt-Drehwinkels, um welchen das verstellbare Element um die zweite Drehachse
verstellt werden soll, sein.
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Aufgrund
des Verstellens des verstellbaren Elements um die zweite Drehachse
mittels der zwei Teilschritte ist ein großer Gesamt-Drehwinkel
trotz der vergleichsweise kleinen Teilwinkel gewährleistet. Insbesondere
kann auf diese Weise der maximale Gesamt-Drehwinkel, um welchen
das verstellbare Element um die zweite Drehachse verstellbar ist,
verdoppelt werden.
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Ein
großer Abstand der Elektrodenfinger der inneren Aktor-Elektrodenkomponente
und/oder der äußeren Aktor-Elektrodenkomponente
von der ersten Drehachse begrenzt zwar den jeweiligen maximalen
Teilwinkel. Da das verstellbare Element jedoch um einen maximalen
Gesamt-Drehwinkel aus zwei maximalen Teilwinkel verstellbar ist,
ist ein ausreichend großer maximaler Gesamt-Drehwinkel
trotz eines relativ großen Abstands der Elektrodenfinger
der inneren Aktor-Elektrodenkomponente und/oder der äußeren
Aktor-Elektrodenkomponente von der ersten Drehachse gewährleistet.
Insbesondere kann das bei einem großen Abstand der Elektrodenfinger der
inneren Aktor-Elektrodenkomponente und/oder der äußeren
Aktor-Elektrodenkomponente von der ersten Drehachse realisierbare
vergleichsweise große Drehmoment genutzt werden, ohne dass
dazu ein kleiner maximaler Gesamt-Drehwinkel in Kauf genommen werden
muss. Somit können die Vorteile des hohen Drehmoments,
wie eine gute Verstellbarkeit des verstellbaren Drehmoments gegen
eine vergleichsweise hohe entgegenwirkende Kraft, zusammen mit einem
relativ großen maximalen Gesamt-Drehwinkel genutzt werden.
Entsprechend können insbesondere die Elektrodenfinger der
inneren Elektrodenkomponenten vergleichsweise lang gestaltet werden.
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Bevorzugterweise
werden die Elektrodenfinger der äußeren Aktor-Elektrodenkomponente
in einem vorteilhaft großen Abstand zu der ersten Drehachse
angeordnet, wodurch sich ein großes Drehmoment ergibt.
Somit ist mittels des mikromechanischen Bauteils auch ein verstellbares
Element mit einer vergleichsweise großen Masse verstellbar.
Zusätzlich können die Federsteifigkeiten der mindestens
einen Innenfeder, der mindestens einen Zwischenfeder und/oder der
mindestens einen Außenfeder vergleichsweise hoch festgelegt
werden, so dass das mikromechanische Bauteil relativ robust ausführbar.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den Unteransprüchen
beschrieben.
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Die
Vorteile des mikromechanischen Bauteils sind auch bei einem entsprechenden
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil gewährleistet.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines herkömmlichen Mikrospiegels;
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2A und 2B Querschnitte
durch eine mittlere Aktor-Elektrodenkomponente des herkömmlichen
Mikrospiegels der 1;
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3 eine
Draufsicht auf eine Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils; und
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4 eine
schematische Darstellung zum Veranschaulichen einer Funktionsweise
des mikromechanischen Bauteils der 3.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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3 zeigt
eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des mikromechanischen
Bauteils.
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Das
dargestellte mikromechanische Bauteil ist als Mikrospiegel ausgebildet.
Als verstellbares Element weist das mikromechanische Bauteil eine Spiegelplatte 10 auf. Über
eine Polierung und/oder eine geeignete Beschichtung der Spiegelplatte 10 ist ein
vorteilhafter Reflektionskoeffizient gewährleistbar.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass das mikromechanische Bauteil nicht
auf eine Ausbildung als Mikrospiegel beschränkt ist. Anstelle
oder zusätzlich zu der Spiegelplatte 10 kann das
mikromechanische Bauteil auch ein anderes verstellbares Element
aufweisen.
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Die
Spiegelplatte 10 ist um eine erste Drehachse 12 und
um eine zweite Drehachse 14 in Bezug auf eine (nicht dargestellte)
Halterung verstellbar. Die zweite Drehachse 14 ist nicht-parallel
zu der ersten Drehachse 12 ausgerichtet. Vorzugsweise schließt die
zweite Drehachse 14 einen rechten Winkel mit der ersten
Drehachse 12 ein. Das hier beschriebene mikromechanische
Bauteil ist jedoch nicht auf eine senkrechte Ausrichtung der beiden
Drehachsen 12 und 14 zuein ander beschränkt.
Für den Fachmann sind anhand der nachfolgenden Beschreibungen auch
Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils nahegelegt,
bei welchen die beiden Drehachsen 12 und 14 einen
Winkel zwischen 0° und 90° einschließen.
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Die
Spiegelplatte 10 ist über mindestens eine Innenfeder 16 mit
einem Innenrahmen 18 verbunden. Die mindestens eine Innenfeder 16 kann
eine entlang der ersten Drehachse 12 ausgerichtete Torsionsfeder sein.
Zur Verbesserung der Stabilität kann die Spiegelplatte 10 über
zwei an entgegen gerichteten Seiten angeordnete Innenfedern 16 mit
dem Innenrahmen 18 verbunden sein.
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An
dem Innenrahmen 18 ist mindestens eine innere Aktor-Elektrodenkomponente 26 angeordnet. Vorzugsweise
weist das mikromechanische Bauteil zwei innere Aktor-Elektrodenkomponenten 26 auf, welche
auf gegenüber liegenden Seiten von der ersten Drehachse 12 angeordnet
sind. Die beiden inneren Aktor-Elektrodenkomponenten 26 können
Kammelektroden sein. Vorzugsweise umfasst jede der beiden inneren
Aktor-Elektrodenkomponenten 26 einen entlang der zweiten
Drehachse 14 ausgerichteten Steg 27 und mehrere
Elektrodenfinger 26a und 26b, welche beidseitig
von der zweiten Drehachse 14 angeordnet sind und sich senkrecht
zu der zweiten Drehachse 14 erstrecken.
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Benachbart
zu jeder inneren Aktor-Elektrodenkomponente 26 ist eine
zugeordnete innere Stator-Elektrodenkomponente 30 fest
an der Halterung angeordnet. Vorzugsweise ist die mindestens eine
innere Stator-Elektrodenkomponente 30 als Kammelektrode
ausgebildet und umfasst Elektrodenfinger 30a und 30b,
welche den Elektrodenfingern 26a der benachbarten inneren
Aktor-Elektrodenkomponente 26 zugeordnet sind. Die Ausrichtung
der Elektrodenfinger 30a und 30b der inneren Stator-Elektrodenkomponenten 30 ist
bevorzugterweise an die Elektrodenfinger 26a und 26b der
benachbarten inneren Aktor-Elektrodenkomponente 26 angepasst.
Die Längen der Elektrodenfinger 26a, 26b, 30a und 30b der inneren
Elektrodenkomponenten 26 und 30 können mit
zunehmenden Abstand von dem Innenrahmen 18 abnehmen, um
ein Austauchen der Elektrodenfinger 26a oder 26b zu.
verhindern. Auf die Funktion der inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 wird
unten noch genauer eingegangen.
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Zusätzlich
zu der mindestens einen inneren Aktor-Elektrodenkomponente 26 weist
das mikromechanische Bauteil noch mindestens eine mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 24 und
eine äußere Aktor-Elektrodenkomponente 50 auf.
Vorzugsweise ist auf jeder Seite der ersten Drehachse 12 je
eine mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 24 und eine äußere
Aktor-Elektrodenkomponente 50 ausgebildet.
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Die
mindestens eine innere Aktor-Elektrodenkomponente 26 ist über
eine Zwischenfeder 54 mit der benachbarten mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 verbunden.
Die mindestens eine Zwischenfeder 54 kann (in ihrer Ausgangsstellung)
entlang der zweiten Drehachse 14 ausgerichtet sein. Vorzugsweise
ist die mindestens eine mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 24 eine
Kammelektrode, deren Steg 25 entlang der zweiten Drehachse 14 ausgerichtet
ist. Jede Zwischenfeder 54 verbindet beispielsweise den
Steg 27 der inneren Aktor-Elektrodenkomponente 26 mit
dem Steg 25 der benachbarten mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24. Die
Elektrodenfinger 24a der mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 erstrecken
sich vorzugsweise beidseitig von dem Steg 25 senkrecht
zu der zweiten Drehachse 14.
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Auch
die mindestens eine äußere Aktor-Elektrodenkomponente 50 kann
eine Kammelektrode mit einem entlang der zweiten Drehachse 14 verlaufenden
Steg 51 und Elektrodenfingern 50a und 50b sein.
Die Elektrodenfinger 50a und 50b der äußeren
Aktor-Elektrodenkomponente 50 sind in diesem Fall bevorzugterweise
senkrecht zu der zweiten Drehachse 14 ausgerichtet, wobei
die Elektrodenfinger 50a auf einer ersten Seite der zweiten
Drehachse 14 und die Elektrodenfinger 50b auf
einer zweiten Seite der zweiten Drehachse 14 angeordnet
sind. Die Stege 25 und 51 der Aktor-Elektrodenkomponenten 24 und 50 können
einstückig ausgebildet sein.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform ist jeder der Stege 51 der äußeren
Aktor-Elektrodenkomponenten 50 an seinem von dem verstellbaren
Element 10 weggerichteten Ende über eine Außenfeder 22 mit
der Halterung verbunden. Vorzugsweise sind die Außenfedern 22 Torsions-
und Biegefedern (Torsions- und Knickfedern), welche entlang der
zweiten Drehachse 14 ausgerichtet sind.
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Des
Weiteren sind an der Halterung mindestens eine mittlere Stator-Elektrodenkomponente 28 und
eine äußere Stator-Elektrodenkomponenten 52 ausgebildet.
Beispielsweise sind jeweils zwei mittlere Stator-Elektrodenkomponenten 28 und
zwei äußere Stator-Elektrodenkomponenten 52 an
der Halterung befestigt, wobei jeweils eine mittlere Stator-Elektrodenkomponente 28 benachbart
zu einer zugeordneten mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 und
jeweils eine äußere Stator-Elektrodenkomponente 52 benachbart
zu einer zugeordneten äußeren Aktor-Elektrodenkomponente 50 angeordnet
ist. Die mindestens eine mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 28 und
die mindestens eine äußere Stator-Elektrodenkomponente 52 können
Kammelektroden sein.
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Die
Ausrichtung der Elektrodenfinger 28a, 52a und 52b der
mittleren und äußeren Stator-Elektrodenkomponenten 28 und 52 ist
an die Elektrodenfinger 24a, 50a und 50b der
mittleren und äußeren Aktor-Elektrodenkomponenten 24 und 50 angepasst. Die
Längen der Elektrodenfinger 24a, 28a, 50a, 50b, 52a und/oder 52b der
mittleren und äußeren Elektrodenkomponenten 24, 28, 50 und/oder 52 können
mit zunehmenden Abstand von dem Innenrahmen 18 abnehmen,
um ein Austauchen der Aktor-Elektrodenfinger 24a, 50a und/oder 50b zu
verhindern.
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Die
mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 sind
so kontaktierbar, dass zwischen den Elektrodenfingern 24a und 28a auf
einer ersten Seite der ersten Drehachse 12 eine erste Spannung
ungleich Null anlegbar ist, wobei gleichzeitig gewährleistet
ist, dass zwischen den Elektrodenfingern 24a und 28a auf
der zweiten Seite der ersten Drehachse 12 keine Spannung
anliegt. Ebenso kann zwischen den Elektrodenfingern 24a und 28a auf
der zweiten Seite der ersten Drehachse 12 eine erste Spannung ungleich
Null angelegt werden, ohne dass zwischen den Elektrodenfingern 24a und 28a auf
der ersten Seite eine Spannung anliegt.
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Die
Spiegelplatte 10 ist somit in Bezug auf die Halterung durch
das Anlegen der ersten Spannung zwischen den auf der ersten Seite
der ersten Drehachse 12 angeordneten Elektrodenfingern 24a und 28a der
mittleren Elektrodenkomponenten 24 und 28 in eine
erste Drehrichtung um die erste Drehachse 12 verstellbar.
Entsprechend wird die Spiegelplatte 10 bei einem Anlegen
der ersten Spannung zwischen den Elektrodenfingern 24a und 28a der mittleren
Elektrodenkomponenten 24 und 28 auf der zweiten
Seite der ersten Drehachse 12 in eine zweite Drehrichtung
um die erste Drehachse 12 gedreht. Man kann dies auch als
ein Verstellen der Spiegelplatte 10 im Gegentakt bezeichnen.
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Des
Weiteren sind die inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 so
kontaktierbar, dass zwischen den auf der ersten Seite der zweiten
Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26a und 30a eine
zweite Spannung ungleich Null anlegbar ist, während zwischen
den auf der zweiten Seite der zweiten Drehachse 14 angeordneten
Elektrodenfingern 26b und 30b keine Spannung anliegt.
Zusätzlich kann die zweite Spannung auch zwischen den auf der
zweiten Seite der zweiten Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26b und 30b angelegt werden,
während die zwischen den auf der ersten Seite der zweiten
Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26a und 30a anliegende
Spannung gleich Null ist. Sofern das mikromechanischen Bauteil zwei
innere Aktor-Elektrodenkomponenten 26 und zwei innere Stator-Elektrodenkomponenten 30 aufweist,
kann das Anlegen der zweiten Spannung an allen auf einer Seite der
zweiten Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26a und 30a oder 26b und 30b der
insgesamt vier inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 erfolgen.
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Auch
die äußeren Elektrodenkomponenten 50 und 52 so
ausgebildet, dass eine dritte Spannung ungleich Null zwischen den
Elektrodenfingern 50a und 52a auf der ersten Seite
der zweiten Drehachse 14 anlegbar ist, während
zwischen den Elektrodenfingern 50b und 52b auf
der zweiten Seite der zweiten Drehachse 14 keine Spannung
anliegt. Zusätzlich kann zwischen den Elektrodenfingern 50b und 52b auf
der zweiten Seite der zweiten Drehachse 14 die dritte Spannung
ungleich Null angelegt werden, ohne dass zwischen den Elektrodenfingern 50a und 52a auf
der ersten Seite eine Spannung anliegt.
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Die
Spiegelplatte 10 kann über das Anlegen der zweiten
Spannung zwischen den auf der ersten Seite der zweiten Drehachse 14 angeordneten
Elektrodenfingern 26a und 30a der inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 und/oder über
das Anlegen der dritten Spannung zwischen den auf der ersten Seite
der zweiten Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 50a und 52a der äußeren
Elektrodenkomponenten 50 und 52 in eine erste
Verstellrichtung um die zweite Dreh achse 14 verstellt werden.
Des Weiteren ist die Spiegelplatte 10 über das
Anlegen der zweiten Spannung zwischen den auf der zweiten Seite
der zweiten Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 26b und 30b der
inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 und/oder über
das Anlegen der dritten Spannung zwischen den auf der zweiten Seite
der zweiten Drehachse 14 angeordneten Elektrodenfingern 50b und 52b der äußeren
Elektrodenkomponenten 50 und 52 in eine zweite
Verstellrichtung um die zweite Drehachse 14 verstellbar.
Auf die sich daraus ergebenden Vorteile wird unten noch genauer
eingegangen.
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Die
Elektrodenfinger 50a, 50b, 52a und 52b der äußeren
Elektrodenkomponenten 50 und 52 können
in einen vergleichsweise großen Abstand zu der zweiten
Drehachse 14 angeordnet werden, was ein relativ hohes Drehmoment
zum Verstellen der Spiegelplatte 10 um die zweite Drehachse 14 über
das Anlegen der dritten Spannung gewährleistet. Insbesondere
können die äußeren Elektrodenkomponenten 50 und 52 so
ausgebildet sein, dass der Abstand der Elektrodenfinger 50a, 50b, 52a und 52b von
der zweiten Drehachse 14 in Richtung von der benachbarten
mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 zu der Außenfeder 22 zunimmt.
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Die
Ausbildung von geeigneten Kontaktelementen (z. B. Leitungen) und
einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung zum Anlegen der ersten Spannung,
der zweiten Spannung und der dritten Spannung sind für
einen Fachmann anhand der 3 nahegelegt.
Es wird deshalb hier auf eine genauere Beschreibung dieser Komponenten
verzichtet.
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Nachfolgend
wird eine vorteilhafte Funktionsweise des mikromechanischen Bauteils
unter Bezug auf 4 genauer beschrieben.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung zum Veranschaulichen einer Funktionsweise
des mikromechanischen Bauteils der 3. (Die
Bildebene liegt senkrecht zu der ersten Drehachse 12.)
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Im
spannungslosen Zustand, d. h. sofern zwischen keiner der Elektrodenkomponenten 24 bis 30, 50 oder 52 eine
Spannung anliegt, befinden sich die Aktor-Elektrodenkomponenten 24, 26 und 50 und die
Spiegelplatte 10 in einer Aus gangsebene 60. Die Elektrodenfinger 28a, 30a, 30b, 52a und/oder 52b einer
Stator-Elektrodenkomponente 28, 30 und/oder 52 können
an einer von der Halterung weg gerichteten Seite der Ausgangsebene 60 angeordnet
sein. Ebenso können die Elektrodenfinger 28a, 30a, 30b, 52a und/oder 52b einer
Stator-Elektrodenkomponente 28, 30 und/oder 52 in
einer Ebene zwischen der Ausgangsebene 60 und der Halterung
angeordnet sein. Die Stator-Elektrodenkomponenten 28, 30 und/oder 52 sind
in 4 der besseren Anschaulichkeit wegen nicht dargestellt.
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In 4 ist
die Spiegelplatte 10 über das Anlegen der ersten
Spannung zwischen den auf der ersten Seite 62 der ersten
Drehachse 12 angeordneten Elektrodenfingern 24a der
mittleren Elektrodenkomponenten 24 um einen ersten Spiegelverstellwinkel aus
der Ausgangsebene 60 um die erste Drehachse 12 verstellt.
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Vorzugsweise
erfolgt das Verstellen der Spiegelplatte 10 um die erste
Drehachse 12 resonant. In diesem Fall ist die Steuereinrichtung
dazu ausgelegt, als erste Spannung ein Spannungssignal bereitzustellen,
welches eine Frequenz gleich einer Eigenfrequenz einer Schwingbewegung
des verstellbaren Elements in Bezug auf den Innenrahmen unter einem
Biegen der mindestens einen Innenfeder aufweist. Auf diese Weise
kann bei geeignet festgelegten Werten der Masse der Spiegelplatte 10 und
der Federsteifigkeit der mindestens einen Innenfeder 16 gezielt
eine resonante Schwingbewegung der Spiegelplatte 10 um
die erste Achse 12 in Bezug auf den Innenrahmen 18 unter
einem Biegen der mindestens einen Innenfeder 16 angeregt
werden. Man kann diese resonante Schwingbewegung der Spiegelplatte 10 auch
als ein Aufschaukeln der Spiegelplatte 10 bezeichnen.
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Diese
Vorgehensweise zum Verstellen der Spiegelplatte 10 bewirkt
eine Steigerung des maximalen Spiegelverstellwinkels, um welchen
die Spiegelplatte 10 um die erste Drehachse 12 verstellbar ist.
Beispielsweise kann auf diese Weise die Spiegelplatte 10 um
einen Spiegelverstellwinkel von 12° in Bezug auf die Halterung
um die erste Drehachse 12 verstellt werden, während
die mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 24 lediglich um
einen Drehwinkel von ca. 1° gegenüber der Halterung
um die erste Drehachse 12 gekippt wird. Vorzugsweise wird
als erste Spannung ein Spannungssignal mit einer Frequenz von ca.
20 kHz bereitgestellt.
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Als
Ergänzung dazu kann die Spiegelplatte 10 um die
zweite Drehachse 14 über das Anlegen der zweiten
Spannung zwischen den inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 und/oder über
das Anlegen der dritten Spannung zwischen den äußeren
Elektrodenkomponenten 50 und 52 in Bezug auf die
Halterung um die zweite Drehachse 14 verstellt werden. Vorzugsweise
wird die Spiegelplatte 10 um die zweite Drehachse 14 in
zwei Teilschritten verstellt. Beispielsweise wird die Spiegelplatte 10 in
einem ersten Teilschritt durch das Anlegen der zweiten Spannung ungleich
Null zwischen den Elektrodenfingern 26a und 30a der
inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 auf der
ersten Seite der zweiten Drehachse 14 um einen ersten Teilwinkel
gedreht. Zusätzlich wird die Spiegelplatte 10 in
einem zweiten Teilschritt durch das Anlegen der dritten Spannung
ungleich Null zwischen den Elektrodenfingern 50a und 52a der äußeren
Elektrodenkomponenten 50 und 52 auf der ersten Seite
der zweiten Drehachse 14 um einen zweiten Teilwinkel verstellt.
Die beiden Teilschritte können in beliebiger Reihenfolge
oder gleichzeitig ausgeführt werden. Die Spiegelplatte 10 wird
somit um einen Gesamt-Drehwinkel, welcher gleich der Summe des ersten
Teilwinkels und des zweiten Teilwinkels ist, um die zweite Drehachse 14 verstellt.
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Die
zusätzlichen äußeren Elektrodenkomponenten 50 und 52 des
mikromechanischen Bauteils bewirken somit eine signifikante Steigerung
des maximalen Gesamt-Drehwinkels, um welchen die Spiegelplatte 10 um
die zweite Drehachse 14 verstellbar ist. Somit ist beispielsweise
ein Gesamt-Drehwinkel von 7° erreichbar, wobei die äußere
Aktor-Elektrodenkomponente 50 um einen zweiten Teilwinkel
von 3,5° in Bezug auf die Halterung verstellt wird und
die innere Aktor-Elektrodenkomponente 26 um einen ersten
Teilwinkel von 3,5° in Bezug auf die benachbarte mittlere
Aktor-Elektrodenkomponente 24 verstellt wird. Dies gewährleistet
die oben schon beschriebenen Vorteile.
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Mit
dem in 3 und 4 dargestellten mikromechanischen
Bauteil ist eine Bildprojektion realisierbar. Vorzugsweise erfolgt
die Bildprojektion durch Erstellen eines zeilenförmigen
Bildaufbaus. Bei einer bevorzugten Ansteuerung des mikromechanischen Bauteiles
werden die Spannungen so angelegt, dass die Spiegelplat te 10 in
eine erste Schwingbewegung um die erste Drehachse 12 mit
einer Frequenz von 20 kHz versetzt wird. Gleichzeitig wird die Spiegelplatte 10 in
eine zweite Schwingbewegung um die zweite Drehachse 14 mit
einer Frequenz von 60 HZ versetzt. Man bezeichnet die zweite Schwingbewegung
der Spiegelplatte 10 häufig auch als sägezahnförmige
Schwingbewegung. Das mikromechanische Bauteil erfüllt in
diesem Fall gut die Funktion eines Mikroscanners.
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Die
mindestens eine Zwischenfeder 54 weist bezüglich
einer Torsion der Zwischenfeder 54 um die zweite Drehachse 14 eine
erste Torsionssteifigkeit auf, welche gleich oder kleiner als eine
zweite Torsionssteifigkeit der mindestens einen Außenfeder 22 bezüglich
einer Torsion der Außenfeder 22 um die zweite
Drehachse 14 ist. Einer Torsion der Zwischenfeder 54 um
die zweite Drehachse 14 wirkt somit eine vergleichsweise
kleine Kraft entgegen. Damit ist gewährleistet, dass eine
mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 24 bei einem Verstellen
der benachbarten inneren Aktor-Elektrodenkomponente 26 um
die zweite Drehachse 14 nicht oder kaum mitbewegt wird.
Die mittlere Aktor-Elektrodenkomponente 24 ist damit von
der Verstellbewegung der benachbarten inneren Aktor-Elektrodenkomponente 26 zumindest teilweise
entkoppelt. Auf diese Weise ist das bei dem Mitverstellen der mittleren
Aktor-Elektrodenkomponente 24 um die zweite Drehachse 14 auftretende Übersprech-Drehmoment
reduzierbar oder verhinderbar. Auch eine zumindest teilweise Entkopplung der
beiden Verstellbewegungen der Spiegelplatte 10 ist auf
diese Weise realisierbar.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils
erfolgt ein Verstellen der Spiegelplatte 10 um einen vergleichsweise
kleinen zweiten Spiegelverstellwinkel um die zweite Drehachse 14 lediglich über
das Anlegen der zweiten Spannung zwischen den inneren Elektrodenkomponenten 26 und 30 und
ohne ein Anlegen der dritten Spannung zwischen den äußeren
Elektrodenkomponenten 50 und 52. Somit ist das Übersprechen
bei dieser Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils zumindest
bei einem kleinen zweiten Spiegelverstellwinkel, um welchen die
Spiegelplatte um die zweite Drehachse 14 verstellt wird,
deutlich reduziert.
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Des
Weiteren kann die mindestens eine Zwischenfeder 54 bezüglich
einer Biegung der Zwischenfeder 54 in eine Richtung senkrecht
zu den beiden Drehach sen 12 und 14 eine erste
Biegesteifigkeit aufweisen, welche größer als
eine zweite Biegesteifigkeit der mindestens einen Außenfeder 22 bezüglich
einer Biegung der Außenfeder 22 in die Richtung senkrecht
zu den beiden Drehachsen 12 und 14 ist. Die Verstellbewegung
der benachbarten mittleren Aktor-Elektrodenkomponente 24 um
die erste Drehachse 12 wird somit auf die Spiegelplatte 10 übertragen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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