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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
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Stand der Technik
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1a und 1b zeigen eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein herkömmliches mikromechanisches Bauteil.
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Das in 1a und 1b schematisch wiedergegebene herkömmliche mikromechanische Bauteil hat ein Stellelement 10, welches über eine Feder 12 mit einer Halterung 14 verbunden ist. (1b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A' durch die Feder 12.) Über eine auf der Feder 12 geführte Leitung 16 ist ein Stromfluss durch eine an dem Stellelement 10 angeordnete (schematisch wiedergegebene) Spule 18 leitbar. Durch das Bestromen der Spule 18 und das Bereitstellen eines magnetischen Felds an der Spule 18 kann das Stellelement 10 aufgrund einer Lorenzkraft in Bezug zu der Halterung 14 verstellt werden.
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Bezüglich weiterer Ausbildungsmöglichkeiten des herkömmlichen mikromechanischen Bauteils gemäß den
1a und
1b wird auf die
EP 0 836 265 A1 und auf die
WO 2005/078509 A2 verwiesen.
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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 10.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die zusätzliche Anbindung des Stellelements über die mindestens eine leitungslose Schwingfeder mit der Halterung können die mindestens eine leitungslose Schwingfeder und die mindestens eine Zuleitungsfeder mit der mindestens einen darüber geführten Leitungskomponente hinsichtlich ihrer Verwendung optimiert werden.
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Beispielsweise kann über die zusätzliche Anbindung des Stellelements über die mindestens eine leitungslose Schwingfeder mit der Halterung sichergestellt werden, dass bei einem Verstellen des Stellelements in Bezug zu der Halterung eine vorteilhaft hohe Federsteifigkeit gewährleistet ist. Insbesondere können durch die Festlegung der Schwingfederkonstante größer als die Zuleitungsfederkonstante für eine harmonische Schwingbewegung des Stellelements in Bezug zu der Halterung vorteilhaft große Eigenfrequenzen festgelegt werden. Beispielsweise können durch eine geeignete Wahl der Schwingfederkonstante Eigenfrequenzen von über 20 kHz erreicht werden. Der in der mindestens einen Schwingfeder aufgrund ihrer hohen Schwingfederkonstanten bei einer Bewegung des Stellelements in Bezug zu der Halterung auftretende vergleichsweise große mechanische Stress beeinflusst jedoch die über die mindestens eine Zuleitungsfeder geführte mindestens eine Leitungskomponente nicht. Somit kann selbst ein mechanischer Stress von 100 MPa oder mehr in der mindestens einen Schwingfeder auftreten, ohne dass dies mit einer Beeinträchtigung der mindestens einen Leitungskomponente verbunden wäre.
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Trotz der gewünschten hohen Steifigkeit der Anbindung des Stellelements an die Halterung können über eine Wahl einer niedrigen Zuleitungsfederkonstante die mechanischen Belastungen in der mindestens einen Zuleitungsfeder, insbesondere in der mindestens einen Leitungskomponente, kleingehalten werden. Durch die Festlegung einer Zuleitungsfederkonstante kleiner als der Schwingfederkonstante kann die mindestens eine Zuleitungsfeder so ausgebildet werden, dass keine hohen mechanischen Spannungen bei einem Versetzen des Stellelements in die Bewegung in Bezug zu der Halterung in der mindestens einen Zuleitungsfeder auftreten. Beispielsweise können die Belastungen unter 100 MPa, insbesondere unter 50 MPa liegen. Somit ist auch bei einer einfachen Ausbildung der mindestens einen Leitungskomponente eine vorteilhafte mechanische Stabilität von dieser auch während eines häufigen Einsatzes und/oder eines längeren Betriebs des mikromechanischen Bauteils gewährleistet. Insbesondere eine plastische Verformung der mindestens einen Leitungskomponente, welche oft bei einem herkömmlichen mikromechanischen Bauteil auftritt, ist mittels der vorliegenden Erfindung verlässlich verhinderbar. Deshalb ist auch das Risiko einer unerwünschten Dämpfung des Systems aufgrund einer plastischen Verformung der mindestens einen Leitungskomponente verlässlich unterbunden. Trotz einer hohen ausgeführten Zyklenzahl tritt bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteil auch keine Zerrüttung eines Metalls, aus welchem die mindestens eine Leitungskomponente gebildet ist, auf.
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Beispielsweise kann die mindestens eine Leitungskomponente aus einem Metall, wie z. B. Kupfer, Silber und/oder Gold, ausgebildet werden. Damit kann die mindestens eine darüber geführte Leitungskomponente zumindest im Bereich der mindestens einen Zuleitungsfeder einen vergleichsweise geringen elektrischen Widerstand aufweisen. Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass das Bereitstellen des elektrischen Potenzials oder des Stromsignals über die mindestens eine Leitungskomponente, welche über die mindestens eine Zuleitungsfeder geführt ist, mit einem geringen Leistungsverbrauch verbunden ist.
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Durch die vorteilhafte Führung der mindestens einen Leitungskomponente über die mindestens eine Zuleitungsfeder mit einer Zuleitungsfederkonstanten kleiner als die Schwingfederkonstante weist die so ausgebildete mindestens eine Leitungskomponente auch nach einer hohen Zyklenzahl noch eine gute Funktionsfähigkeit auf. Die vorliegende Erfindung ermöglicht damit ein mikromechanisches Bauteil, welches eines häufigen und anwährenden Betriebs, insbesondere auch bei einer resonanten Anregung des Stellelements, eine hohe Zyklenzahl überdauern kann, ohne dass sich die mechanischen und/oder elektrischen Eigenschaften des mikromechanischen Bauteils ändern. Gleichzeitig ist für das Bereitstellen des elektrischen Potenzials oder des Stromsignals an die Aktorkomponente, welche an dem Stellelement angeordnet ist, ein vorteilhaft geringer Gesamtwiderstand gewährleistet.
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Beispielsweise kann die Zuleitungsfederkonstante kleiner als eine Hälfte der Schwingfederkonstante sein. Insbesondere kann die Zuleitungsfederkonstante kleiner als ein Fünftel der Schwingfederkonstante sein. Dies gewährleistet eine vorteilhafte geringe mechanische Belastung der mindestens einen Zuleitungsfeder während der Bewegung des Stellelements in Bezug zu der Halterung.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Zuleitungsfeder ausschließlich aus mindestens einem leitfähigen Material gebildet, welches mindestens einen zwischen dem Stellelement und der Halterung liegenden Spalt freitragend überspannt. Eine derartige Zuleitungsfeder mit der vorteilhaften geringen Zuleitungsfederkonstante ist auf einfache Weise herstellbar, indem nach dem Aufbringen des mindestens einen leitfähigen Materials der mindestens einen Zuleitungsfeder das darunter liegende Trägerschichtmaterial, beispielsweise das darunterliegende Substratmaterial, entfernt wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Zuleitungsfeder aus einer ersten Schicht mit einer ersten Schichtdicke herausstrukturiert, wobei die mindestens eine Schwingfeder aus einer zweiten Schicht mit einer zweiten Schichtdicke größer als der ersten Schichtdicke herausstrukturiert ist. Auch diese Vorgehensweise zum Herstellen der mindestens einen Zuleitungsfeder und der mindestens einen Schwingfeder gewährleistet das vorteilhafte Verhältnis zwischen der Zuleitungsfederkonstante und der Schwingfederkonstante.
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Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann die mindestens eine Zuleitungsfeder meanderförmig und/oder spiralförmig ausgebildet sein. Auch dies bewirkt eine Schwächung der mechanischen Steifigkeit der mindestens einen Zuleitungsfeder durch Verlängerung ihrer Federlänge zur Reduktion des darin auftretenden mechanischen Stresses bei der Bewegung des Stellelements in Bezug zu der Halterung.
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Vorteilhafterweise kann die Antriebseinrichtung einen magnetischen Antrieb mit einer an dem Stellelement angeordneten Spulenkomponente als Aktorkomponente umfassen. Durch die vorteilhafte zusätzliche Anbindung des Stellelements an die Halterung mittels der mindestens einen Schwingfeder kann die Spulenkomponente auf einfache Weise mittels der mindestens einen Leitungskomponente, welche über die mindestens eine Zuleitungsfeder geführt wird, mit einem Betriebsstrom versorgt werden, wobei gleichzeitig ein vorteilhaft geringer Stromverbrauch gewährleistet ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst das Stellelement eine Spiegel- oder Filterkomponente, wobei die Spulenkomponente zumindest teilweise auf oder in einer Spulenplatte angeordnet ist, an welcher ein Abstandshalter verankert ist, dessen von der Spulenplatte weg gerichtetes Ende eine von einer Lichtauftrefffläche der Spiegel- oder Filterkomponente weg gerichtete Innenseite der Spiegel- oder Filterkomponente kontaktiert, und wobei die mindestens eine Schwingfeder mit einem ersten Federende an der Halterung und mit einem zweiten Federende an der Spiegel- oder Filterkomponente verankert ist. Dies realisiert einen unterhalb der Spiegel- oder Filterplatte angeordneten elektromagnetischen Antrieb mit einem mechanischen Hebel zur Optimierung der verfügbaren Kraft und/oder Auslenkung.
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Die oben genannten Vorteile sind auch mittels eines Mikrospiegels mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistbar.
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Realisierbar sind die beschriebenen Vorteile auch durch Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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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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1a und 1b eine Draufsicht und einen Querschnitt durch ein herkömmliches mikromechanisches Bauteil;
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2a bis 2c eine Draufsicht und zwei Querschnitte einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
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3a bis 3c eine Draufsicht und zwei Querschnitte einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
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4a bis 4c eine Draufsicht und zwei Querschnitte einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
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5a bis 5c eine Draufsicht und zwei Querschnitte einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
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6a und 6b eine Draufsicht und einen Querschnitt einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
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7a und 7b eine Draufsicht und einen Querschnitt einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
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8 eine Teildarstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2a bis 2c zeigen eine Draufsicht und zwei Querschnitte einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in den 2a bis 2c schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil hat ein Stellelement 20, welches über mindestens eine Zuleitungsfeder 22 mit einer Zuleitungsfederkonstante verstellbar mit einer Halterung 24 verbunden ist. (2b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A' durch die Zuleitungsfeder 22.) Außerdem umfasst das mikromechanische Bauteil eine (nur teilweise wiedergegebene) Antriebseinrichtung mit mindestens einer an dem Stellelement 20 angeordneten Aktorkomponente 26, wobei über mindestens eine über die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 geführte Leitungskomponente 28 ein elektrisches Potenzial oder ein Stromsignal so an die Aktorkomponente 26 bereitstellbar ist, dass das Stellelement 20 mittels der Antriebseinrichtung in eine Bewegung in Bezug zu der Halterung 24 versetzbar ist. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung einen magnetischen Antrieb mit einer an dem Stellelement 20 angeordneten Spulenkomponente als Aktorkomponente 26 umfassen. In diesem Fall kann mittels eines Bestromens der Spulenkomponente als Aktorkomponente 26 und eines Bereitstellens eines magnetischen Feldes an der Spulenkomponente eine Lorenzkraft so auf das Stellelement 20 ausgeübt werden, dass das Stellelement 20 mittels der Lorenzkraft in die gewünschte Bewegung in Bezug zu der Halterung 24 versetzt wird. Die Geometrie der (nur schematisch wiedergegebenen) Spulenkomponente und die Ausrichtung des damit wechselwirkenden magnetischen Feldes sind mit einer großen Designfreiheit wählbar/festlegbar. Außerdem ist das mikromechanische Bauteil nicht auf eine Ausstattung mit einer einen magnetischen Antrieb umfassenden Antriebseinrichtung beschränkt. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung anstelle oder als Ergänzung zu dem magnetischen Antrieb auch einen elektrischen Antrieb mit einer an dem Stellelement 20 angeordneten Aktorelektrode als Aktorkomponente 26 und einer an der Halterung 24 befestigten Statorelektrode umfassen.
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Bei dem mikromechanischen Bauteil ist das Stellelement zusätzlich über mindestens eine leitungslose Schwingfeder 30 mit der Halterung 24 verbunden. (Der Querschnitt der 2c verläuft entlang der Linie B-B' durch die Schwingfeder 30.) Darunter kann verstanden werden, dass die mindestens eine leitungslose Schwingfeder 30 jeweils an einem ersten Ende 30a an der Halterung 24 und an einem zweiten Ende 30b an dem Stellelement 20 verankert ist. Außerdem weist die leitungslose Schwingfeder 30 keine über die Schwingfeder 30 geführte Leitungskomponente auf. Darunter kann auch verstanden werden, dass die mindestens eine Schwingfeder 30 nicht als Leitungskomponente ausgebildet ist. Bevorzugter Weise ist die mindestens eine leitungslose Schwingfeder 30 aus einem Material mit einer vergleichsweise niedrigen Leitfähigkeit ausgebildet. Vorzugsweise weist die mindestens eine Schwingfeder 30 kein Metall auf. Die mindestens eine Schwingfeder 30 kann beispielsweise (vollständig) aus Silizium, insbesondere undotiertem Silizium und/oder einem isolierenden Material gebildet sein. Die Zuleitungsfederkonstante der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 ist kleiner als die Schwingfederkonstante der mindestens einen Schwingfeder 30. Beispielsweise ist die Zuleitungsfederkonstante kleiner als die Hälfte der Schwingfederkonstante. Insbesondere kann die Zuleitungsfederkonstante kleiner als ein Fünftel der Schwingfederkonstante sein. Man kann das vorteilhafte Verhältnis zwischen der Zuleitungsfederkonstante und der Schwingfederkonstante auch so umschreiben, dass mittels der als Arbeitsfeder bezeichenbaren mindestens einen Schwingfeder 30 die mechanischen Eigenschaften des aus den Federn 22 und 30 und dem Stellelement 20 gebildeten Schwingsystems definiert werden.
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Unter der Zuleitungsfederkonstante der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 und/oder der Schwingfederkonstante der mindestens einen Schwingfeder 30 ist vorzugsweise die Federkonstante zu verstehen, welche einer (bevorzugten) Schwingbewegung/Auslenkbewegung des Stellelements 20 entgegen wirkt. Man kann die Zuleitungsfederkonstante der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 und/oder die Schwingfederkonstante der mindestens einen Schwingfeder 30 auch so umschreiben, dass das Stellelement 20 mittels der Antriebseinrichtung entgegen einer durch die Zuleitungsfederkonstante und die Schwingfederkonstante bewirkten Gegenkraft/Federkraft in die Schwingbewegung/Auslenkbewegung versetzbar ist. Insbesondere kann zumindest eine Untereinheit des Stellelements 20 mittels der Antriebseinrichtung in eine Eigenschwingung/Resonanzschwingung versetzbar sein, wobei sich die Eigenfrequenz/Resonanzfrequenz aus der Zuleitungsfederkonstante der mindestens einen dabei deformierten/verbogenen Zuleitungsfeder 22 und/oder der Schwingfederkonstante der mindestens einen währenddessen deformierten/verbogenen Schwingfeder 30 ergibt.
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Die Zuleitungsfederkonstante kann so niedrig gewählt werden, dass der in der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 bei der Bewegung des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24 auftretende mechanische Stress minimal ist. Insbesondere kann die Steifigkeit der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 so gering sein, dass die Frequenz der zum Verstellen des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24 genutzten mindestens einen Eigenmode des Schwingsystems durch die Zuleitungsfederkonstante nicht/kaum beeinflusst wird. In der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 treten somit bei der Bewegung des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24 nur sehr geringe mechanische Spannungen auf. Die in der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 auftretenden mechanischen Spannungen können deshalb keine Auswirkungen auf die mindestens eine darüber geführte Leitungskomponente 28 haben. Damit ist bei der Bewegung des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24 keine plastische Verformung der mindestens einen Leitungskomponente 28 zu befürchten. Darum weist die mindestens eine Leitungskomponente 28 auch bei einem häufigen und langanhaltenden Betrieb des hier beschriebenen mikromechanischen Bauteils noch ihre gewünschte Form/Funktionsfähigkeit auf.
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Gleichzeitig kann mittels der mindestens einen Schwingfeder 30 sichergestellt werden, dass eine Gesamt-Steifigkeit des Federsystems, über welches das Stellelement 20 mit der Halterung 24 verbunden ist, einen vergleichsweise hohen Wert aufweist. Somit kann mittels der mindestens einen Schwingfeder 30 eine bevorzugte Eigenfrequenz/Resonanzfrequenz der Schwingbewegung/Auslenkbewegung des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24 festgelegt werden.
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Da die mindestens eine Schwingfeder 30 nicht zum Führen der mindestens einen Leitungskomponente 28 zwischen der Aktorkomponente 26 und einer damit zusammenwirkenden Einheit auf der Halterung 24 verwendet wird, kann eine vorteilhaft hohe Schwingfederkonstante gewählt werden. Somit kann mittels einer geeigneten Festlegung der Schwingfederkonstante eine vorteilhaft hohe Eigenfrequenz/Resonanzfrequenz der Schwingbewegung/Auslenkbewegung des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24, insbesondere eine Eigenfrequenz über 20 kHz, festgelegt werden. Obwohl die mechanischen Spannungen in der mindestens einen Schwingfeder 30 aufgrund ihrer hohen Schwingfederkonstante während der Schwingbewegung/Auslenkbewegung des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24 relativ groß werden können, hat dies keine Auswirkung auf die mindestens eine Leitungskomponente 28, welche lediglich über die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 geführt wird.
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Darum kann zum Bilden der mindestens einen Leitungskomponente 28 (ausschließlich) mindestens ein Metall, wie beispielsweise Kupfer, Silber und/oder Gold, verwendet werden. Auf die Verwendung von Silizium zum Bilden der mindestens einen Leitungskomponente 28, welches herkömmlicher Weise aufgrund seiner mechanischen Festigkeit oft in der Halbleitertechnologie zum Bilden von Leitungen verwendet wird, kann verzichtet werden. Dies gewährleistet eine gesteigerte elektrische Leitfähigkeit der mindestens einen Leitungskomponente 28 gegenüber einer herkömmlichen Leitung aus Silizium.
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Das in den 2a bis 2c dargestellte mikromechanische Bauteil und die im Weiteren beschriebenen Ausführungsformen sind beispielsweise herstellbar, indem das Stellelement 20 über mindestens eine Zuleitungsfeder 22 (mit der Zuleitungsfederkonstante) mit der Halterung 24 verbunden wird. Zusätzlich wird das Stellelement 20 mit der Halterung 24 verbunden über die mindestens eine leitungslose Schwingfeder 30 (mit der Schwingfederkonstante), wobei die Zuleitungsfederkonstante kleiner als die Schwingfederkonstante ist/festgelegt wird. Außerdem wird eine Antriebseinrichtung ausgebildet, wobei mindestens eine Aktorkomponente 26 der Antriebseinrichtung an dem Stellelement 20 angeordnet und mindestens eine Leitungskomponente 28, über welche bei einem Betrieb der Antriebseinrichtung ein elektrisches Potenzial oder ein Stromsignal an die Aktorkomponente 26 bereitgestellt wird, so über die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 geführt wird, dass das Stellelement 20 mittels der betriebenen Antriebseinrichtung in eine Bewegung in Bezug zu der Halterung 24 versetzt wird. Beispielsweise kann die Antriebseinrichtung mit einem magnetischen Antrieb mit einer an dem Stellelement 20 angeordneten Spulenkomponente als Aktorkomponente 26 ausgebildet werden. Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann die Antriebseinrichtung auch mit einem elektrischen Antrieb mit mindestens einer Aktorelektrode an dem Stellelement 20 und mindestens einer Statorelektrode an der Halterung 24 ausgebildet werden.
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Bei der in 2a bis 2c dargestellten Ausführungsform ist die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 ausschließlich aus mindestens einem leitfähigen Material, bevorzugter Weise mindestens einem Metall, gebildet, welches mindestens einen zwischen dem Stellelement 22 und der Halterung 24 liegenden Spalt freitragend überspannt. Das mindestens eine Material der jeweiligen Zuleitungsfeder 22 hängt quasi in der Luft. Unter einer Führung der mindestens einen Leitungskomponente 22 über die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 kann somit auch eine Ausbildung der zumindest einen Zuleitungsfeder 22 als mindestens eine Leitungskomponente 28 verstanden werden. Diese Ausbildung der mindestens einen Zuleitungsfeder 22/der mindestens einen Leitungskomponente 28 gewährleistet die vorteilhafte niedrige Zuleitungsfederkonstante auf einfache Weise.
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Zum Ausbilden der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 als mindestens eine Leitungskomponente 28 kann mindestens ein leitfähiges Material auf einer Trägerschicht, wie beispielsweise einem Ausgangssubstrat des mikromechanischen Bauteils, abgeschieden werden. Anschließend wird das von dem mindestens einen leitfähigen Material (der mindestens einen Zuleitungsfeder 22) abgedeckte Trägerschichtmaterial der Trägerschicht entfernt. Dies kann insbesondere durch ein Rückseitenätzen erfolgen. Somit ist die vorteilhafte niedrige Festlegung der Zuleitungsfederkonstante durch eine geringe Anzahl von Verfahrensschritten realisierbar.
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3a bis 3c zeigen eine Draufsicht und zwei Querschnitte einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Bei der in 3a bis 3c schematisch wiedergegebenen Ausführungsform ist die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 (durch welche der Querschnitt entlang der Linie A-A‘ der 3b verläuft) aus einer ersten Schicht 32 mit einer ersten Schichtdicke d1 herausstrukturiert. Die mindestens eine Schwingfeder 30 (durch welche der Querschnitt entlang der Linie B-B‘ der 3c verläuft) ist aus einer zweiten Schicht 34 herausstrukturiert, wobei eine zweite Schichtdicke d2 der zweiten Schicht 34 größer als eine erste Schichtdicke d1 der ersten Schicht 32 ist. Die zweite Schichtdicke d2 kann um einen Faktor von mindestens 2, vorzugsweise 4, insbesondere 8, größer als die erste Schichtdicke d1 sein. Dies gewährleistet die vorteilhafte hohe Schwingfederkonstante gegenüber der vergleichsweise niedrigen Zuleitungsfederkonstante.
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Der mechanische Stress an der Oberfläche einer Feder 22 oder 30 bei deren Verbiegung skaliert mit der Schichtdicke d1 oder d2 der zum Herausstrukturieren der jeweiligen Feder 22 oder 30 verwendeten Schicht 32 oder 34. Somit erhält man durch die vergleichsweise kleine erste Schichtdicke d1 der ersten Schicht 32, aus welcher die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 herausstrukturiert wird, und die relativ große zweite Schichtdicke d2 der zweiten Schicht 34, welche das Ausgangsmaterial der mindestens einen Schwingfeder 30 ist, das vorteilhafte Verhältnis zwischen der Zuleitungsfederkonstante und der Schwingfederkonstante. Trotz einer Ausbildung der mindestens einen Schwingfeder 30 und der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 aus dem gleichen Material und/oder gleicher Längen und/oder gleicher Breiten der Federn 22 und 30 sind damit die oben schon beschriebenen Vorteile bewirkbar.
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4a bis 4c zeigen eine Draufsicht und zwei Querschnitte einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Bei dem in 4a bis 4c dargestellten mikromechanischen Bauteil ist die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 meanderförmig ausgebildet. Als Alternative oder als Ergänzung zu einer meanderförmig ausgebildeten Zuleitungsfeder 22 kann ein mikromechanisches Bauteil jedoch auch eine spiralförmig ausgebildete Zuleitungsfeder 22 haben.
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Durch die Verlängerung der Federlänge der meanderförmig oder spiralförmig ausgebildeten Zuleitungsfeder 22 wird eine Schwächung der mechanischen Steifigkeit der Zuleitungsfeder 22 bewirkt, welche zur Reduktion des darin auftretenden mechanischen Stresses bei der Bewegung des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24 beiträgt. Das vorteilhafte Verhältnis zwischen der Zuleitungsfederkonstante und der Schwingfederkonstante kann somit auch gewährleistet werden, wenn die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 und die mindestens eine Schwingfeder 30 aus einer gemeinsamen Ausgangsschicht 36 herausstrukturiert werden. Auf die Abscheidung und Strukturierung zweier Schichten mit unterschiedlichen Schichtdicken zum Bilden der Federn 22 und 30 kann deshalb verzichtet werden. Außerdem ist die vorteilhafte spiralförmige oder meanderförmige Form der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 mittels eines Vorderseitentrenches und eines Rückseitentrenches auf einfache Weise festlegbar.
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Bei der in 4a bis 4c dargestellten Ausführungsform ist die Ausgangsschicht 36 eine Untereinheit des Ausgangssubstrates, aus welchem das mikromechanische Bauteil gebildet ist. Ein weiteres Beispiel für eine verwendbare Ausgangsschicht 36 wird unten noch gegeben.
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Für die Meandrierung der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 kann eine Form gewählt werden, bei welcher mehrere parallel zur Spaltlängsrichtung 38 eines überspannten Spalts ausgerichtete (vergleichsweise lange) Spaltlängs-Federabschnitte 40 jeweils mittels kurzer Spaltquer-Federabschnitte 42 miteinander verbunden werden. Unter der Spaltlängsrichtung 38 kann insbesondere eine zwischen den Verankerungen jeweils einer Zuleitungsfeder 22 an dem Stellelement 20 und an der Halterung 24 mittig verlaufende Achse verstanden werden. (Der Querschnitt entlang der Linie A-A‘ der 4b verläuft somit senkrecht zu der Spaltlängsrichtung 38, während der Querschnitt entlang der Linie B-B‘ der 4c mittig durch die Schwingfeder 30 verläuft.) Die Abstände zwischen zwei (definierbaren) Kontaktflächen zweier Spaltquer-Federabschnitte 42, welche einen Spaltlängs-Federabschnitt 40 kontaktieren, sind damit bei der in den 4a bis 4c dargestellten Ausführungsform größer als die Abstände zwischen zwei (definierbaren) Kontaktflächen zweier Spaltlängs-Federabschnitte 40 an einem gemeinsam kontaktieren Spaltquer-Federabschnitt 42. Eine weitere vorteilhafte Form einer meanderförmig ausgebildeten Zuleitungsfeder wird unten noch beschrieben.
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5a bis 5c zeigen eine Draufsicht und zwei Querschnitte einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Auch bei dem in den 5a bis 5c schematisch wiedergegebenem mikromechanischen Bauteil sind die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 und die mindestens eine Schwingfeder 30 aus einer gemeinsamen Ausgangsschicht 44 herausstrukturiert. Allerdings ist bei der Ausführungsform der 5a bis 5c die Ausgangsschicht 44 eine auf einem Substrat 46 aufgebrachte Halbleiterschicht, wobei zwischen der Ausgangsschicht 44 und dem Substrat 46 eine Isolierschicht 48 ausgebildet ist. Man kann dies auch so umschreiben, dass die Ausgangsschicht 44 eine aufgebrachte Halbleiterschicht eines SOI-Wafers ist. Ansonsten wird bezüglich der Ausführungsform der 5a bis 5c auf die oberen Ausführungen verwiesen.
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6a und 6b zeigen eine Draufsicht und einen Querschnitt einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. (Der Querschnitt der 6b verläuft entlang der Linie B-B‘ mittig durch die Schwingfeder 30.)
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Die Zugfeder 22 des in 6a und 6b schematisch wiedergegebenen mikromechanischen Bauteils weist eine Meandrierung auf, bei welcher mehrere parallel zu einer Spaltquerrichtung 50 eines überspannten Spalts ausgerichtete (vergleichsweise lange) Spaltquer-Federabschnitte 52 jeweils mittels kurzer Spaltlängs-Federabschnitte 54 miteinander verbunden sind. Die Abstände zwischen zwei (definierbaren) Kontaktflächen zweier Spaltquer-Federabschnitte 52, welche einen Spaltlängs-Federabschnitt 54 kontaktieren, sind somit bei der in den 6a dargestellten Ausführungsform kleiner als die Abstände zwischen zwei (definierbaren) Kontaktflächen zweier Spaltlängs-Federabschnitte 54 an einem gemeinsam kontaktieren Spaltquer-Federabschnitt 52. (Die Spaltquerrichtung 50 verläuft senkrecht zu der nicht-skizzierten Spaltlängsrichtung.) Ansonsten wird bezüglich der Ausführungsform der 6a und 6b auf die oberen Ausführungen verwiesen.
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Die anhand der oben beschriebenen Ausführungsformen erläuterten Vorteile sind auch bei einem Mikrospiegel mit einem derartigen mikromechanischen Bauteil gewährleistet. Die Einsetzbarkeit der oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils ist jedoch nicht auf einen Mikrospiegel limitiert.
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7a und 7b zeigen eine Draufsicht und einen Querschnitt einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 7a und 7b schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist die oben schon beschriebenen Komponenten auf. Als Weiterbildung umfasst das Stellelement 20 eine Spiegel- oder Filterkomponente 56. Außerdem ist eine Spulenkomponente als Aktorkomponente 26 zumindest teilweise auf oder in einer Spulenplatte 58 angeordnet. An der Spulenplatte 58 ist ein Abstandshalter 60 verankert, dessen von der Spulenplatte 58 weggerichtetes Ende eine von einer Lichtauftrefffläche 62 der Spiegel- oder Filterkomponente 56 weggerichtete Innenseite 64 der Spiegel- oder Filterkomponente kontaktiert.
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Wie anhand der 7b erkennbar ist, hat das Stellelement 20 der hier beschriebenen Ausführungsform einen Aufbau aus drei Ebenen 66 bis 70. Eine als Antriebsebene 66 bezeichenbare Ebene, welche von der Lichtauftrefffläche 62 am weitesten beabstandet ist, weist die Spulenkomponente als Aktorkomponente 26 auf, wobei die einzelnen Leitungsstränge in ein isolierendes Material 72 eingebettet sind. Außerdem kann die Antriebsebene eine Halbleiter-Trägerstruktur 74 aufweisen, auf deren von der Lichtauftrefffläche 72 weggerichtete maximale Fläche die Aktorkomponente 26 und das isolierende Material 72 aufgebracht sind. (Die Halbleiter-Trägerstruktur 74 kann jedoch auch nach einem Aufbringen der Aktorkomponente 26 und des isolierenden Materials 72 zumindest teilweise entfernt werden.)
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Eine Zwischenebene 68 des Stellelements 20 wird durch den Abstandshalter 60 gebildet. Der Abstandshalter 60 kann beliebig groß sein. Beispielsweise kann der Abstandshalter 60 durch ein isotropes Unterätzen der Spiegel- oder Filterkomponente 56 herausgebildet sein.
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Eine optische Ebene 70, deren Grenzflächen die Lichtauftrefffläche 62 und die Innenseite 64 sind, weist die Spiegel- oder Filterkomponente 64 auf. Optionaler Weise kann die Innenseite 64 von einer Isolierschicht 76 abgedeckt sein. Die Antriebsebene 66 und die optische Ebene 70 sind somit bei dieser Ausführungsform getrennt ausgeführt. Der Antrieb der Antriebseinrichtung übt damit keine direkte Kraft auf die Spiegel- oder Filterkomponente 56 aus. Deshalb verursacht der Antrieb auch keine Deformation der Spiegel- oder Filterkomponente 56. Außerdem können in beiden Ebenen 66 und 70 separate Federn 22 und 30 auf einfache Weise ausgestaltet werden.
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Der Aufbau des Stellelements 20 aus den drei Ebenen 66 bis 70 gewährleistet eine vergleichsweise kleine Ausdehnung des Stellelements entlang der Lichtauftrefffläche 62, da die vergleichsweise weitflächige Spulenkomponente zumindest teilweise außerhalb/ unterhalb der Lichtauftrefffläche 62 anbringbar ist. Die auf diese Weise bewirkbare Flächenreduktion des Stellelements 20 entlang der Lichtauftrefffläche 62 ist mit einer Kostenreduktion verbunden und vereinfacht dessen Anordnung in einer bevorzugten Einsatzposition. Gleichzeitig gewährleistet der Aufbau des Stellelements 20 aus den drei Ebenen 66 bis 70 ein Hebelsystem zur Erhöhung der Antriebseffizienz.
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Des Weiteren ist der Vorteil von zwei verschiedenen Federsystemen realisierbar, wobei die mindestens eine Schwingfeder 30 für eine gewünschte Rotation der Spiegel- oder Filterkomponente 56 und die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 für die elektrische Zuleitung nutzbar sind. Die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 kann auch in diesem Fall so flexibel gestaltet werden, dass sie keine/kaum eine rückstellende Wirkung auf die Spiegel- oder Filterkomponente 56 ausübt und sich kaum/keine mechanischen Spannungen bei einer Verstellbewegung der Spiegel- oder Filterkomponente 56 in der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 aufbauen. Das Material der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 und/oder der mindestens einen Leitungskomponenten 28 wird somit bei der Verstellbewegung der Spiegel- oder Filterkomponente 56 kaum/wenig belastet.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 mit einem ersten Federende 22a an der Halterung 24 und mit einem zweiten Federende 22b an der Spulenplatte 58 verankert. Zur Ausbildung der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 sind alle oben beschriebenen Ausführungsbeispiele verwendbar. Beispielsweise ist die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 meanderförmig und/oder spiralförmig. Ebenso kann die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 als freistehende Leitungskomponente 28 aus Metall ausgebildet werden. Zur weiteren Stabilisierung der mindestens einen Zuleitungsfeder 22/der mindestens einen Leitungskomponente 28 kann diese auch in ein Oxyd eingebettet und/oder mit einer Unterstützung aus Silizium versehen sein.
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Bevorzugter Weise ist die mindestens eine Schwingfeder 30 mit einem ersten Federende 30a an der Halterung 24 und mit einem zweiten Federende 30b an der Spiegel- oder Filterkomponente 56 verankert. Man kann dies auch so umschreiben, dass die Spiegel- oder Filterkomponente 56 (hauptsächlich) von der mindestens einen Schwingfeder 30 (in einer Aussparung/einem Freiraum der Halterung 24) getragen wird. Die mindestens eine Schwingfeder 30 definiert vorzugsweise eine Drehachse der Spiegel- oder Filterkomponente 56. Aufgrund der realisierbaren vergleichsweise großen Schwingfederkonstante sind eine bevorzugte Resonanzfrequenz und/oder eine gewünschte Auslenkrichtung einer Drehbewegung der Spiegel- oder Filterkomponente 56 verlässlich festlegbar.
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Eine Verstellbewegung der Lichtauftrefffläche 62 des mikromechanischen Bauteils ist auslösbar, indem die Spulenkomponente bestromt wird und ein Magnetfeld B an der Spulenkomponente angelegt/bereitgestellt wird. Die Feldlinien des Magnetfelds B verlaufen vorzugsweise senkrecht zu einer durch die mindestens eine Schwingfeder 30 festgelegte Rotationsachse und/oder parallel zu der Lichtauftrefffläche 62. Sofern die Schlaufen der Spulenkomponente radial um einen Mittelpunkt der Innenseite 64 verlaufen, bewirken alle parallel zur Drehachse gerichteten Abschnitte der Spulenkomponente eine Kraft F, welche (abhängig von der Stromrichtung) senkrecht zu der Lichtauftrefffläche 62 ausgerichtet ist. (Die Spulenanteile, welche senkrecht zur Drehachse ausgerichtet sind, erzeugen lediglich sich gegenseitig kompensierende Kraftanteile.) Zum Verstellen des Stellelements kann somit ein unidirektionales Magnetfeld B genutzt werden. Die Ausbildbarkeit der Spulenkomponente und die Ausrichtung des Magnetfelds B sind jedoch nicht auf das hier wiedergegebene Ausführungsbeispiel limitiert.
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Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil ist mit einer vergleichsweise großen Spulenkomponente/Spule ausstattbar, ohne dass dies eine zusätzliche Vergrößerung der parallel zu der Lichtauftrefffläche 62 ausgerichteten Ausdehnungen des Stellelements 20 bewirkt. Das mikromechanische Bauteil kann somit insbesondere zur Realisierung einer mit zwei Spiegeln ausgestatteten Mikrospiegelvorrichtung, wie beispielsweise einem Projektor oder einem Scanner, eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Lichtstrahl über einen ersten Spiegel um eine erste Achse abgelenkt werden, bevor er auf die Lichtauftrefffläche 62 des in 7a und 7b dargestellten mikromechanischen Bauteils trifft. Da der Lichtstrahl auf die Lichtauftrefffläche 62 nicht ortsfest auftrifft, ist zum Ablenken des Lichtstrahls um eine zweite Achse eine vergleichsweise große Lichtauftrefffläche 62 des mikromechanischen Bauteils vorteilhaft. Mittels der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Technologie kann jedoch ein mikromechanisches Bauteil realisiert werden, dessen Stellelement 20 trotz seiner vergleichsweise großen Lichtauftrefffläche 62 aufgrund der Ausbildung der Spulenkomponente in der Antriebsebene 66 außerhalb der optischen Ebene 70 eine vergleichsweise kleine Ausdehnung parallel zur Lichtauftrefffläche 62 aufweist.
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Die vorteilhafte Ausführungsform ist herstellbar, indem die Spulenkomponente zumindest teilweise auf oder in einer Spulenplatte angeordnet wird, und die Spulenplatte mit einem daran verankerten Abstandshalter mit einer Spiegel- oder Filterkomponente des Stellelements verbunden wird, wobei ein von der Spulenplatte weg gerichtetes Ende des Abstandshalters an eine von einer Lichtauftrefffläche der Spiegel- oder Filterkomponente weg gerichtete Innenseite der Spiegel- oder Filterkomponente angebunden wird, und wobei die mindestens eine Schwingfeder mit einem ersten Federende an der Halterung und mit einem zweiten Federende an der Spiegel- oder Filterkomponente verankert wird.
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8 zeigt eine Teildarstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
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Das in 8 schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist die oben schon beschriebenen Komponenten auf. Wie anhand der 8 erkennbar ist, ist eine vorteilhafte Kontaktierung der als Spulenkomponente ausgebildeten Aktorkomponente 26 über eine meanderförmige Metallisierung als Leitungskomponente realisierbar.
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Bevorzugter Weise ist der Verankerungspunkt der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 an der beispielsweise als Antriebsrahmen ausgebildeten Halterung 24 so gewählt, dass eine möglichst geringe Verbiegung der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 bei der Verstellbewegung des Stellelements 20 in Bezug zu der Halterung 24 erfolgt. Beispielsweise kann bei einer reinen Rotationsbewegung des mittels eines durch die Spulenkomponente geführten Stromes I verstellten Stellelements 20 ein Verankerungspunkt der mindestens einen Zuleitungsfeder 22 an einem Durchstoßpunkt der Drehachse des Stellelements 20 liegen. Somit erfolgt lediglich eine rein rotatorische Belastung der mindestens einen Zuleitungsfeder 22. Dies schont die über die mindestens eine Zuleitungsfeder 22 geführte Leitungskomponente 28.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0836265 A1 [0004]
- WO 2005/078509 A2 [0004]
