DE102012219591A1

DE102012219591A1 - Mikromechanisches Bauteil, Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil und Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils

Info

Publication number: DE102012219591A1
Application number: DE201210219591
Authority: DE
Inventors: Frank Schatz; Friedjof Heuck
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-10-25
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2014-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einer Halterung (10), einem über mindestens eine Feder (14) mit der Halterung (10) verbunden verstellbaren Teil (12), und mindestens einem an der mindestens einen Feder (14) angreifenden Biegeaktor (16), wobei der mindestens eine Biegeaktor (16) mindestens einen Zwischenbereich (14c) der mindestens einen Feder (14) kontaktiert, und wobei der mindestens eine Biegeaktor (16) in seiner Form mittels des Bereitstellens des mindestens einen elektrischen Signals so veränderbar ist, dass ein erster Teilbereich (16a) des jeweiligen Biegeaktors (16) in Bezug zu einem die mindestens eine Feder (14) kontaktierenden zweiten Teilbereich (16b) des jeweiligen Biegeaktors (16) verstellbar ist, wodurch eine Rückstellkraft (Fr) auf die mindestens eine Feder (14) und/oder das verstellbar Teil (12) ausübbar ist und das verstellbare Teil (12) in eine Bewegung versetzbar ist. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die Erfindung eine Sensorvorrichtung und eine Mikrospiegelvorrichtung. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils.
Stand der Technik
In der DE 60 2004 010 024 T2 ist ein bimorph-angetriebener schwingender Mikrospiegel beschrieben. Der Mikrospiegel weist eine in Bezug zu einem festen Teil verstellbare Spiegelplatte auf, welche mittels zweier sich entlang einer Achse erstreckender Torsionsarme an dem festen Teil asymmetrisch aufgehängt ist. Jeder der beiden Torsionsarme kontaktiert an einem von der Spiegelplatte weg gerichteten Ende je eine bimorphe Betätigungseinrichtung, welche dazu ausgelegt ist, unter der Wirkung einer Erregung ihr Volumen zu verändern. Auf diese Weise sollen die Torsionsarme bewegbar und die asymmetrisch aufgehängte Spiegelplatte um die Achse verkippbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8, eine Mikrospiegelvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9, ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 13.
Vorteile der Erfindung
Mittels der vorliegenden Erfindung ist die Rückstellkraft derart auf die mindestens eine Feder ausübbar, dass der Vektor der Rückstellkraft in Richtung einer gewünschten Verbiegung/Verformung der mindestens einen Feder gerichtet ist. Dies ist ein signifikanter Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Anregen einer Bewegung/Schwingbewegung eines verstellbaren Teils mittels zweier bimorpher Betätigungseinrichtungen in eine senkrecht zu der Drehachse aufgerichtete Richtung, welche aufgrund einer asymmetrischen Aufhängung des verstellbaren Teils erst in die gewünschte Drehbewegung um die Drehachse umzuwandeln ist. Während bei der herkömmlichen Vorgehensweise vergleichsweise viel Energie zum Anregen der für den Betrieb des Mikrospiegels unerwünschten Antriebsschwingbewegung des verstellbaren Teils aufzubringen ist, kann mittels der vorliegenden Erfindung die Rückstellkraft in einer vorteilhaften Ausrichtung auf die mindestens eine Feder ausgeübt werden. Somit ist eine zum Verstellen des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung aufzubringende Energie mittels der vorliegenden Erfindung reduzierbar.
Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung die gewünschte Verstellbarkeit des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung gewährleistet, ohne dass eine Anbindung des verstellbaren Teils an die Halterung über ein Festkörpergelenk notwendig ist. Somit entfallen bei der vorliegenden Erfindung auch die leistungsmindernden Einflüsse eines derartigen Festkörpergelenks, welches bei einem herkömmlichen System häufig einen signifikanten Teil der zum Verstellen des verstellbaren Teils bereitgestellten Energie zu seiner eigenen Verformung benötigt. Ebenso ist mittels der vorliegenden Erfindung ein mikromechanisches Bauteil herstellbar, ohne dass die aufwändigen Verfahrensschritte zum Herstellen eines Festkörpergelenks auszuführen sind.
Vorzugsweise ist mindestens eine träge Masse an dem mindestens einen Biegeaktor aufgehängt, und der mindestens eine Biegeaktor ist in seiner Form mittels des Bereitstellens des mindestens einen elektrischen Signals so veränderbar, dass der die mindestens eine träge Masse kontaktierende erste Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors zusammen mit der angebundenen trägen Masse in Bezug zu dem zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors verstellbar ist, wodurch eine gesteigerte Rückstellkraft auf die mindestens eine Feder und/oder das verstellbar Teil ausübbar ist. Die vorliegende Erfindung schafft somit einen neuartigen mechanisch verstärkten Antrieb basierend auf einer Abstoßung an der mindestens einen trägen Masse. Bei einer Verformung des mindestens einen Biegeaktors wird eine Bewegung der mindestens einen freihängenden trägen Masse erzwungen, wodurch eine resultierende Rückstellkraft/Reaktionskraft direkt auf das Federsystem aus dem verstellbaren Teil und zumindest einem Teilabschnitt der mindestens einen Feder bewirkt wird. Durch eine geeignete Wahl der mindestens einen trägen Masse und einer angepassten Anregungsfrequenz des mindestens einen Biegeaktors, insbesondere in Bezug auf eine Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems aus dem verstellbaren Teil und zumindest dem Teilabschnitt der mindestens einen Feder, kann eine optimale Leistungsübertragung auf das verstellbare Teil erreicht werden. In diesem Fall wird nur ein Bruchteil der an dem mindestens einen Biegeaktor bereitgestellten Energie in eine Bewegung der mindestens einen trägen Masse umgewandelt. Ein Großteil der an den mindestens einen Biegeaktor bereitgestellten Energie wird stattdessen zur Anregung des verstellbaren Teils in die gewünschte Schwingbewegung genutzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der mindestens eine Biegeaktor eine mittels des Bereitstellens des mindestens einen elektrischen Signals in ihrer Länge variierbare erste Schicht auf, welche direkt oder indirekt auf zumindest einer zweiten Schicht aufgebracht ist. Der mindestens eine Biegeaktor ist somit vergleichsweise einfach herstellbar.
Vorzugsweise umfasst die mittels des Bereitstellens des elektrischen Signals in ihrer Länge variierbare erste Schicht mindestens ein piezoelektrisches Material, mindestens ein magnetoresistives Material, mindestens eine Thermoeffektmaterial und/oder mindestens ein Formgedächtnismaterial. Die hier genannten Materialien gewährleisten eine gute Variierbarkeit der Länge der ersten Schicht durch eine Temperaturänderung, ein verändertes elektrisches Feld und/oder ein variierendes magnetisches Feld.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die zweite Schicht Silizium. Dies erleichtert die Herstellbarkeit des mindestens einen Biegeaktors, indem zum Bilden einer bimorphen Struktur aus zumindest den beiden Schichten lediglich das mindestens eine Material der ersten Schicht auf Silizium abzuscheiden ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Halterung, das verstellbare Teil, die mindestens eine Feder, der mindestens eine Biegeaktor und/oder die mindestens eine träge Masse zumindest teilweise aus einem Halbleitersubstrat herausstrukturiert. Somit ist das mikromechanische Bauteil mittels standardgemäßer Verfahrensschritte der Halbleitertechnologie auf einfache Weise und kostengünstig als MEMS herstellbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das mikromechanische Bauteil eine Steuervorrichtung auf, mittels welcher das verstellbare Teil durch das von der Steuervorrichtung bereitgestellte elektrische Signal in eine resonante Schwingung als die Bewegung versetzbar ist. Durch die resonante Schwingung des verstellbaren Teils können dessen Auslenkungen gesteigert werden. Außerdem muss bei einer resonanten Schwingung des verstellbaren Teils lediglich ein Dämpfungsverlust ausgeglichen werden. Des Weiteren vergrößert die resonante Schwingung des verstellbaren Teils den Teil der Anregungsenergie, welcher zum Anregen des verstellbaren Teils genutzt wird, gegenüber der zum Anregen einer Bewegung der mindestens einen trägen Masse verwendeten Energie.
Die in den oberen Absätzen aufgezählten Vorteile sind auch bei einer Sensorvorrichtung mit einem entsprechenden mikromechanischen Bauteil gewährleistet.
Die Vorteile sind auch bewirkbar durch das Einsetzen eines derartigen mikromechanischen Bauteils in einer Mikrospiegelvorrichtung.
Außerdem sind die Vorteile realisierbar durch ein Ausführen des Herstellungsverfahrens für ein entsprechendes mikromechanisches Bauteil.
Des Weiteren sind die oben genannten Vorteile bewirkbar durch das Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
2 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils; und
3 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 1 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil umfasst eine Halterung 10 und ein in Bezug zu der Halterung 10 verstellbares Teil 12, welches über mindestens eine Feder 14 mit der Halterung 10 verbunden ist. Das mikromechanische Bauteil weist auch mindestens einen an der mindestens einen Feder 14 angreifenden Biegeaktor 16 auf, an welchem mindestens ein elektrisches Signal bereitstellbar ist, und dessen Form mittels eines Bereitstellens des elektrischen Signals veränderbar ist. Der mindestens eine Biegeaktor 16 kontaktiert mindestens einen Zwischenbereich 14c der mindestens einen Feder 14 zwischen mindestens einem an der Halterung 10 angebundenen ersten Ende 14a der mindestens einen Feder 14 und mindestens einem an dem verstellbaren Teil 12 angebundenen zweiten Ende 14b der mindestens einen Feder 14. Der mindestens eine Biegeaktor 16 ist in seiner Form mittels des Bereitstellens des elektrischen Signals so veränderbar, dass ein erster Teilbereich 16a des jeweiligen Biegeaktors 16 in Bezug zu einem die mindestens eine Feder 14 kontaktierenden zweiten Teilbereich 16b des jeweiligen Biegeaktors 16 verstellbar ist. Das Verstellen des ersten Teilbereichs 16a des jeweiligen Biegeaktors 16 in Bezug zu dem zweiten Teilbereich 16b des jeweiligen Biegeaktors 16 erfolgt vorzugsweise unter einer Verbiegung mindestens eines mittleren Bereichs 16c des jeweiligen Biegeaktors 16. Auf diese Weise ist eine Rückstellkraft Fr auf die mindestens eine Feder 14 und/oder das verstellbar Teil 12 ausübbar, wodurch das verstellbare Teil 12 in eine Bewegung/Schwingbewegung (in Bezug zu der Halterung 10) versetzbar ist.
Wie anhand von 1 erkennbar ist, ist die bewirkbare Rückstellkraft Fr leicht in eine gewünschte Biegerichtung/Verdrehungsrichtung der mindestens einen angebundenen Feder 14 ausrichtbar. Somit kann die Rückstellkraft Fr zielgerichtet derart insbesondere auf die mindestens eine Feder 14 ausgeübt werden, dass die gewünschte Bewegung/Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 in Bezug zu der Halterung 10 bewirkt wird. Auf diese Weise ist das verstellbare Teil 12 beispielsweise gezielt in eine Drehbewegung als Schwingbewegung um eine Drehachse 20 anregbar, welche sich entlang der mindestens einen Feder 14 erstreckt. Durch die zielgerichtete Anregung des verstellbaren Teils 12 in die gewünschte Schwingbewegung kann eine zum Anregen der Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 aufzubringende Energie vergleichsweise niedrig sein. Das mikromechanische Bauteil gewährleistet somit eine gute Verstellbarkeit des verstellbaren Teils 12 mittels eines Anregens der Schwingbewegung bei einem vergleichsweise niedrigen Energieverbrauch.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei dem mikromechanischen Bauteil das verstellbare Teil 12 und die mindestens eine Feder 14 nicht über den mindestens einen Biegeaktor 16 mit der Halterung 10 verbunden sind. Stattdessen ist das verstellbare Teil 12 über das mindestens eine erste Ende 14a der mindestens einen Feder 14, welches beabstandet von dem mindestens einen Biegeaktor 16 vorliegt, mit der Halterung 10 verbunden. Man kann dies auch als eine Anbindung des verstellbaren Teils 12 an die Halterung 10 über die mindestens eine Feder 14 unter Umgehung des mindestens einen Biegeaktors 16 umschreiben. Der mindestens eine Biegeaktor 16 ist auch keine Untereinheit der Halterung 10.
Bevorzugter Weise ist mindestens eine träge Masse 18 an dem Biegeaktor 16 aufgehängt. In diesem Fall ist der mindestens eine Biegeaktor 16 in seiner Form mittels des Bereitstellens des elektrischen Signals so veränderbar, dass der die mindestens eine träge Masse 18 kontaktierende erste Teilbereich 16a des jeweiligen Biegeaktors 16 zusammen mit der angebundenen trägen Masse 18 in Bezug zu dem zweiten Teilbereich 16b des jeweiligen Biegeaktors 16 verstellbar ist, wodurch eine gesteigerte Rückstellkraft Fr auf die mindestens eine Feder 14 und/oder das verstellbar Teil 12 ausübbar ist. Die Rückstellkraft Fr ist somit auf einfache Weise steigerbar.
Unter der mindestens einen trägen Masse 18 ist keine Untereinheit der Halterung 10 zu verstehen. Stattdessen ist die mindestens eine träge Masse 18 bevorzugter Weise so an dem mindestens einen Biegeaktor 16 aufgehängt, dass sie freitragend beabstandet von der Halterung 10 gehalten wird. Der mindestens eine Biegeaktor 16 hält in diesem Fall die mindestens eine träge Masse 18 entgegen ihrer Gewichtskraft.
Bei der Ausführungsform der 1 ist das verstellbare Teil 12 flächig und mit einer lichtreflektierenden Außenfläche 22 ausgebildet. Das mikromechanische Bauteil kann somit vorteilhaft in einer Mikrospiegelvorrichtung genutzt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Einsetzbarkeit des mikromechanischen Bauteils nicht auf eine Mikrospiegelvorrichtung beschränkt ist. Stattdessen kann das verstellbare Teil 12 auch anders ausgebildet sein.
Beispielsweise kann das mikromechanische Bauteil auch in einer Sensorvorrichtung vorteilhaft eingesetzt werden. Eine so geartete Sensorvorrichtung kann z.B. dazu ausgelegt sein, eine durch Absorption eines nachzuweisenden Stoffes veränderte Masse des beweglichen Teiles 12, welche eine veränderte Resonanzfrequenz bewirkt, zu erkennen. Auch eine veränderte Federkonstante der Feder 14 aufgrund eines externen Einflusses, wie Temperatur, Feuchtigkeit, Strahlung, ein äußeres Magnetfeld und/oder ein äußeres elektrisches Feld, kann mittels der Sensoreinrichtung ermittelbar und entsprechend auswertbar sein. Durch eine äußere Beschleunigung können auch Kräfte in das bewegte System eingekoppelt werden, wie z.B. Corioliskräfte, welche z.B. durch ein kapazitives Verfahren (ähnlich eines Gyroskops) mittels einer Auswerteeinrichtung der Sensoreinrichtung ausgelesen werden können.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist das verstellbare Teil 12 mittig zwischen zwei Federn 14 aufgehängt, welche sich jeweils entlang der Drehachse 20 erstrecken. Anstelle einer Ausbildung der mindestens einen Feder 14 als Torsionsfeder kann jedoch auch ein anderer Federtyp, wie beispielsweise eine meanderförmige Feder, in dem mikromechanischen Bauteil eingesetzt werden.
Bevorzugter Weise weist der mindestens eine Biegeaktor 16 eine mittels des Bereitstellens des elektrischen Signals in ihrer Länge variierbare erste Schicht 24 auf, welche direkt oder indirekt auf zumindest einer zweiten Schicht 26 aufgebracht ist. Die mittels des Bereitstellens des elektrischen Signals in ihrer Länge variierbare erste Schicht 24 kann mindestens ein piezoelektrisches Material, mindestens ein magnetoresistives Material, mindestens ein Thermoeffektmaterial und/oder mindestens ein Formgedächtnismaterial umfassen. Als piezoelektrisches Material kann insbesondere Blei-Zirkon-Titanat (PZT) eingesetzt werden. Unter dem mindestens einen Thermoeffektmaterial kann ein Material verstanden werden, welches einen vergleichsweise hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Ein derartiges Thermoeffektmaterial kann beispielsweise Siliziumcarbid oder Nickel sein.
Beispielsweise kann bei einer ersten Schicht 24, welche zumindest teilweise aus mindestens einem piezoelektrischen Material gebildet ist, durch Anlegen einer variierenden Spannung als dem mindestens einen elektrischen Signal zwischen mindestens zwei an der ersten Schicht 24 angeordneten Kontakten die Länge der ersten Schicht 24 variiert werden. Ebenso kann mittels eines als elektrisches Signal durch eine Heizleitung/Heizspule geleiteten Stroms die Länge der ersten Schicht 24 aus mindestens einem Thermoeffektmaterial und/oder mindestens einem Formgedächtnismaterial verändert werden. Außerdem kann durch einen als elektrisches Signal durch eine Spule geleiteten Strom ein zeitlich veränderndes magnetisches Feld bewirkt werden, wodurch eine Länge einer ersten Schicht 24 aus mindestens einem magnetoresistiven Material veränderbar ist. In allen hier aufgezählten Fällen kann der als bimorpher Aktor ausgebildete Biegeaktor 16 so angesteuert werden, dass der bimorphe Aktor um eine ihm zugeordnete Biegeachse 28, welche vorzugsweise parallel zur Drehachse 20 ausgerichtet ist, verbiegbar ist.
Die zumindest eine zweite Schicht 26 ist vorzugsweise aus mindestens einem Material ausgebildet, welches trotz eines variierenden elektrischen Felds, eines variierenden magnetischen Felds oder einer variierenden Temperatur kaum eine/keine Formänderung ausführt. Oder die zweite Schicht 26 kann durch eine weitere Schicht in geeignete Weise von der variierenden Energiequelle isoliert werden. Die weitere Schicht sollte in diesem Falle isolierende Eigenschaften besitzen, wie z.B. eine niedrige elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit. Man kann die zumindest eine zweite Schicht 26 somit als eine in ihrer Länge (nahezu) unveränderbare mindestens eine Schicht umschreiben. Die zweite Schicht 26 umfasst bevorzugter Weise Silizium. Insbesondere kann die zweite Schicht 26 eine Siliziumschicht sein. Dies gewährleistet eine vergleichsweise einfache Herstellbarkeit der bimorphen Struktur des mindestens einen Biegeaktors 16, indem das mindestens eine Material der ersten Schicht 24 auf einem Siliziumwafer abgeschieden wird, optionaler Weise nach einem Bilden einer Isolierschicht, wie insbesondere einer Siliziumdioxidschicht, und anschließend der mindestens eine Biegeaktor 16 aus dem Siliziumwafer herausstrukturiert wird.
Bei der Ausführungsform der 1 weist das mikromechanische Bauteil vier Biegeaktoren 16 auf, wobei jeweils zwei Biegeaktoren 16 an einer Feder 14 angebunden sind. Die Ausbildung der beiden an der gleichen Feder 14 angreifenden Biegeaktoren 16 ist symmetrisch bezüglich der Drehachse 20. Außerdem weist das mikromechanische Bauteil eine senkrecht zu der Drehachse 20 ausgerichtete Symmetrieachse 30 auf, bezüglich welcher die Biegeaktoren 16 symmetrisch ausgebildet sind. Je eine träge Masse 18 ist an den Biegeaktoren 16 angebunden.
Die vorteilhafte symmetrische Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit Biegeaktoren 16 bezüglich der Achsen 20 und 30 ermöglicht ein gutes Zusammenwirken der Biegeaktoren 16. Bei jedem Verbiegen eines Biegeaktors 16 wird die zugeordnete träge Masse 18 beschleunigt, welches als Gegenkraft die Rückstellkraft Fr auf die mindestens eine Feder 14 und/oder das verstellbare Teil 12 bewirkt. Ein entscheidender Vorteil ist dabei, dass die Rückstellkraft Fr zielgerichtet auf die mindestens eine angebundene Feder 14 wirkt. Die an die Biegeaktoren 16 bereitgestellten elektrischen Signale können so mittels einer (nicht dargestellten) Steuervorrichtung bereitgestellt werden, das die auf einer ersten Seite der beiden Federn 14 angeordneten Biegeaktoren 16 in einer maximalen Verbiegung/Verkrümmung vorliegen, während die beiden auf einer anderen Seite der beiden Federn 14 angebundenen Biegeaktoren 16 in ihrer Ausgangsstellung vorliegen. Man kann dies auch als eine phasenverschobene Ansteuerung der auf verschiedenen Seiten der Federn 14 angebundenen Biegeaktoren 16 umschreiben. Dies bewirkt ein vorteilhaftes Zusammenwirken der Biegeaktoren 16 zum Versetzen des verstellbaren Teils 12 in die gewünschte Schwingbewegung um die Drehachse 20.
Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausbildbarkeit des mikromechanischen Bauteils nicht auf die genaue Anzahl von vier Biegeaktoren 16 limitiert ist. Beispielsweise können auch mehrere Biegeaktoren 16 an jeder Seite einer Feder 14 angreifen. Insbesondere kann ein Array von Biegeaktoren 16 an jeder Seite der mindestens einen Feder 14 angebunden sein. Auch kann eine Anzahl der trägen Massen 18 von einer Anzahl der Biegeaktoren 16 abweichen. Beispielsweise können auch mehrere Biegeaktoren 16 an einer trägen Masse 18 angebunden sein. Insbesondere kann eine Robustheit des mikromechanischen Bauteils gesteigert werden, indem mehrere an einer Seite der Drehachse 20 angeordnete Biegeaktoren 16 an der gleichen trägen Masse angebunden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das mikromechanische Bauteil eine (nicht skizzierte) Steuervorrichtung auf, mittels welcher das verstellbare Teil 12 durch das mindestens eine von der Steuervorrichtung bereitgestellte elektrische Signal in eine resonante Schwingung als die Schwingbewegung versetzbar ist. Das mindestens eine elektrische Signal weist in diesem Fall eine Anregungsfrequenz auf, welche einer Eigenfrequenz/Resonanzfrequenz eines aus dem verstellbaren Teil 12 und zumindest einem (verbogenen) Teilabschnitt der mindestens einen Feder 14 gebildeten Feder-Masse-System entspricht. Auf diese Weise sind hohe Beschleunigungen auf das verstellbare Teil 12 auslösbar, wodurch eine vergleichsweise große Auslenkung des verstellbaren Teils 12 (aus seiner Ruhelage) bewirkbar ist. Die Anregungsfrequenzen können insbesondere im zweistelligen kHz-Bereich liegen. Das resonante Anregen des verstellbaren Teils 12 bewirkt außerdem eine vergleichsweise große Energieeinkopplung in die gewünschte Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12, während nur ein minimaler Teil der an die Biegeaktoren 12 bereitgestellten Energie in eine Bewegung der mindestens einen trägen Masse 18 umgewandelt wird oder in die Aufhängung 14a an die Halterung fließt.
Durch eine Änderung der Masse, der Geometrie und/oder des Materials der mindestens einen trägen Masse 18 kann die Energieeinkopplung verbessert werden. Insbesondere kann die mindestens eine Masse 18 im Vergleich zu dem mindestens einen Biegeaktor 16 und/oder der mindestens einen Feder 14 eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Es wird darauf hingewiesen, dass eine große Designfreiheit bei der Ausbildung der mindestens einen trägen Masse 18 gewährleistet ist.
Zum Einstellen einer Eigenfrequenz/Resonanzfrequenz des Feder-Masse-Systems aus dem verstellbaren Teil 12 und zumindest dem (mitverbogenen) Teilabschnitt der mindestens einen Feder 14 können die Masse des verstellbaren Teils 12 und/oder die Länge, Breite, Höhe und/oder das Material der mindestens einen Feder 14 vergleichsweise frei gewählt werden. Außerdem kann die mindestens eine Feder 14 auch über mindestens eine zusätzliche Zwischenfeder an der Halterung 10 und/oder dem verstellbaren Teil 12 angebunden sein. Des Weiteren können Leitungen wahlweise über die mindestens eine Feder 14 und/oder über (optionale) weitere Federkomponenten, welche mindestens einen Zwischenraum zwischen der Halterung 10 und der mindestens einen trägen Masse 18 überspannen, geführt werden. Auch auf diese Weise kann eine Federkonstante der mindestens einen Feder 14 auf einen gewünschten Wert eingestellt werden.
Die Halterung 10, das verstellbare Teil 12, die mindestens eine Feder 14, der mindestens eine Biegeaktor 16 und/oder die mindestens eine träge Masse 18 können zumindest teilweise aus einem Halbleitersubstrat, insbesondere aus einem Siliziumwafer, herausstrukturiert sein. Das mikromechanische Bauteil ist somit auf vergleichsweise einfache Weise und kostengünstig als MEMS ausbildbar.
Der mindestens eine Biegeaktor 16 kann monolithisch in das mikromechanische Bauteil integriert werden. Der auf diese Weise ausbildbare monolithische integrierte Antrieb reduziert eine Baugröße und die Herstellungskosten des mikromechanischen Bauteils.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass bei dem hier beschriebenen mikromechanischen Bauteil der mindestens eine Biegeaktor 16 das verstellbare Teil 12 vorzugsweise nicht kontaktiert. Somit ist eine unerwünschte Verbiegung des verstellbaren Teils 12 aufgrund einer mittels des mindestens einen Biegeaktors 16 darauf ausgeübten Kraft verlässlich unterbunden. Bei der Herstellung des mikromechanischen Bauteils kann somit auf eine breite oder robuste Ausbildung des verstellbaren Teils 12 verzichtet werden. Stattdessen kann die Form des verstellbaren Teils 12 in Hinblick auf den gewünschten Einsatzzweck frei gewählt werden.
In einer (nicht dargestellten) Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils kann die Halterung 10 als Zwischenrahmen über mindestens eine äußere Feder mit einer äußeren Halterung verbunden sein. In diesem Fall kann die mindestens eine äußere Feder so ausgebildet sein, dass das verstellbare Teil 12 zusätzlich zu der Drehachse 20 um eine weitere Drehachse, welche insbesondere senkrecht zu der Drehachse 20 ausgerichtet sein kann, verstellbar ist. Während das Verstellen des verstellbaren Teils 12 um die Drehachse 20 vorzugsweise resonant erfolgt, kann das verstellbare Teil zusätzlich noch quasi-statisch um die weitere Drehachse verstellbar sein. Das oben beschriebene mikromechanische Bauteil ist auf einfache Weise mit einem herkömmlichen quasi-statischen (langsamen) Antrieb erweiterbar. Eine derartige Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils eignet sich vorteilhaft für einen Projektor, mittels welchem ein Lichtstrahl (z.B. ein Laserstrahl) zeilenweise über eine Projektionsfläche abrasterbar ist.
2 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils.
Das im Weiteren beschriebene Verfahren ist mit einem mikromechanischen Bauteil ausführbar, welches eine Halterung und ein in Bezug zu der Halterung verstellbares Teil umfasst, wobei das verstellbare Teil über mindestens eine Feder mit der Halterung verbunden ist. Beispielsweise kann das Verfahren mittels des oben beschriebenen mikromechanischen Bauteils ausgeführt werden. Die Ausführbarkeit des Verfahrens ist jedoch nicht auf ein derartiges mikromechanisches Bauteil beschränkt.
In einem Verfahrensschritt S1 wird mindestens ein elektrisches Signal an mindestens einen Biegeaktor, welcher mindestens einen Zwischenbereich der mindestens einen Feder zwischen mindestens einem an der Halterung angebundenen ersten Ende der mindestens einen Feder und mindestens einem an dem verstellbaren Teil angebundenen zweiten Ende der mindestens einen Feder kontaktiert, bereitgestellt. Der mindestens eine Biegeaktor wird mittels des Bereitstellens des elektrischen Signals in seiner Form so verändert, dass ein erster Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors in Bezug zu einem die mindestens eine Feder kontaktierenden zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktor verstellt wird. Auf diese Weise wird eine Rückstellkraft auf die mindestens eine Feder und/oder das verstellbar Teil ausgeübt, wodurch das verstellbare Teil in eine Bewegung versetzt wird.
Insbesondere kann der mindestens eine Biegeaktor in seiner Form mittels des Bereitstellens des elektrischen Signals so verändert werden, dass mindestens eine an dem mindestens einen Biegeaktor aufgehängte träge Masse zusammen mit dem die mindestens eine träge Masse kontaktierenden ersten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors in Bezug zu dem zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors verstellt wird, wodurch eine gesteigerte Rückstellkraft auf die mindestens eine Feder und/oder das verstellbar Teil ausgeübt wird.
Bevorzugter Weise wird das mindestens eine elektrische Signal mit einer Resonanzfrequenz eines Feder-Masse-Systems aus dem verstellbaren Teil und zumindest einem Teilabschnitt der mindestens einen Feder an den mindestens einen Biegeaktor bereitgestellt. Somit wird das verstellbare Teil in eine resonante Schwingung als die Schwingbewegung versetzt. Dies gewährleistet die oben schon beschriebenen Vorteile.
3 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Mittels des im Weiteren beschriebenen Herstellungsverfahrens ist beispielsweise das oben erläuterte mikromechanische Bauteil herstellbar. Die Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens ist jedoch nicht auf ein derartiges mikromechanisches Bauteil limitiert.
In einem Verfahrensschritt S10 des Herstellungsverfahrens wird ein verstellbares Teil über mindestens eine Feder derart mit einer Halterung verbunden, dass das verstellbare Teil in Bezug zu der Halterung verstellbar ist.
In einem Verfahrensschritt S11 wird mindestens ein Biegeaktor an der mindestens einen Feder angeordnet, dessen Form bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils mittels eines Bereitstellens eines elektrischen Signals veränderbar ist. Dazu wird mindestens ein Zwischenbereich der mindestens einen Feder zwischen mindestens einem an der Halterung angebundenen ersten Ende der mindestens einen Feder und mindestens einem an dem verstellbaren Teil angebundenen zweiten Ende der mindestens einen Feder mittels des mindestens einen Biegeaktors kontaktiert. Dies bewirkt, dass der mindestens eine Biegeaktor bei dem Bereitstellen des elektrischen Signals während des Betriebs des mikromechanischen Bauteils seine Form so verändert, dass ein erster Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors in Bezug zu einem die mindestens eine Feder kontaktierenden zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors verstellt wird, wodurch eine Rückstellkraft auf die mindestens eine Feder und/oder das verstellbar Teil ausgeübt wird und das verstellbare Teil in eine Bewegung versetzt wird.
Bevorzugter Weise wird in einem optionalen Verfahrensschritt S12 mindestens eine träge Masse an dem mindestens einen Biegeaktor aufgehängt, so dass der mindestens eine Biegeaktor bei dem Bereitstellen des elektrischen Signals während des Betriebs des mikromechanischen Bauteils seine Form so verändert, dass der die mindestens eine träge Masse kontaktierende erste Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors zusammen mit der angebundenen trägen Masse in Bezug zu dem zweiten Teilbereich des jeweiligen Biegeaktors verstellt wird, wodurch eine gesteigerte Rückstellkraft auf die mindestens eine Feder und/oder das verstellbar Teil ausgeübt wird.
Die Verfahrensschritte S10 bis S12 können zumindest teilweise gleichzeitig oder in einer beliebigen Reihenfolge ausgeführt werden. Beispielsweise können die Halterung, das verstellbare Teil, die mindestens eine Feder, der mindestens eine Biegeaktor und/oder die mindestens eine träge Masse zumindest teilweise aus einem Halbleitersubstrat herausstrukturiert werden. Das mikromechanische Bauteil kann somit einfach und kostengünstig als MEMS hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 602004010024 T2 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einer Halterung (10); einem in Bezug zu der Halterung (10) verstellbaren Teil (12), welches über mindestens eine Feder (14) mit der Halterung (10) verbunden ist; und mindestens einem an der mindestens einen Feder (14) angreifenden Biegeaktor (16), an welchen mindestens ein elektrisches Signal bereitstellbar ist, und dessen Form mittels eines Bereitstellens des elektrischen Signals veränderbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Biegeaktor (16) mindestens einen Zwischenbereich (14c) der mindestens einen Feder (14) zwischen mindestens einem an der Halterung (10) angebundenen ersten Ende (14a) der mindestens einen Feder (14) und mindestens einem an dem verstellbaren Teil (12) angebundenen zweiten Ende (14b) der mindestens einen Feder (14) kontaktiert, wobei der mindestens eine Biegeaktor (16) in seiner Form mittels des Bereitstellens des mindestens einen elektrischen Signals so veränderbar ist, dass ein erster Teilbereich (16a) des jeweiligen Biegeaktors (16) in Bezug zu einem die mindestens eine Feder (14) kontaktierenden zweiten Teilbereich (16b) des jeweiligen Biegeaktors (16) verstellbar ist, wodurch eine Rückstellkraft (Fr) auf die mindestens eine Feder (14) und/oder das verstellbar Teil (12) ausübbar ist und das verstellbare Teil (12) in eine Bewegung versetzbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei mindestens eine träge Masse (18) an dem mindestens einen Biegeaktor (16) aufgehängt ist, und der mindestens eine Biegeaktor (16) in seiner Form mittels des Bereitstellens des mindestens einen elektrischen Signals so veränderbar ist, dass der die mindestens eine träge Masse (18) kontaktierende erste Teilbereich (16a) des jeweiligen Biegeaktors (16) zusammen mit der angebundenen trägen Masse (18) in Bezug zu dem zweiten Teilbereich (16b) des jeweiligen Biegeaktors (16) verstellbar ist, wodurch eine gesteigerte Rückstellkraft (Fr) auf die mindestens eine Feder (14) und/oder das verstellbar Teil (12) ausübbar ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine Biegeaktor (16) eine mittels des Bereitstellens des mindestens einen elektrischen Signals in ihrer Länge variierbare erste Schicht (24) aufweist, welche direkt oder indirekt auf zumindest einer zweiten Schicht (26) aufgebracht ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3, wobei die mittels des Bereitstellens des elektrischen Signals in ihrer Länge variierbare erste Schicht (24) mindestens ein piezoelektrisches Material, mindestens ein magnetoresistives Material, mindestens ein Thermoeffektmaterial und/oder mindestens ein Formgedächtnismaterial umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zweite Schicht (26) Silizium umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterung (10), das verstellbare Teil (12), die mindestens eine Feder (14), der mindestens eine Biegeaktor (16) und/oder die mindestens eine träge Masse (18) zumindest teilweise aus einem Halbleitersubstrat herausstrukturiert sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil eine Steuervorrichtung aufweist, mittels welcher das verstellbare Teil (12) durch das mindestens eine von der Steuervorrichtung bereitgestellte elektrische Signal in eine resonante Schwingung als die Bewegung versetzbar ist.
Sensorvorrichtung mit einem mikromechanischen Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Mikrospiegelvorrichtung mit einem mikromechanischen Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Verbinden eines verstellbaren Teils (12) über mindestens eine Feder (14) derart mit einer Halterung (10), dass das verstellbare Teil (12) in Bezug zu der Halterung (10) verstellbar ist (S10); Ausbilden mindestens eines Biegeaktors (16) an der mindestens einen Feder (14), dessen Form bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils mittels eines Bereitstellens mindestens eines elektrischen Signals veränderbar ist (S11); gekennzeichnet durch den Schritt: Kontaktieren mindestens eines Zwischenbereichs (14c) der mindestens einen Feder (14) zwischen mindestens einem an der Halterung (10) angebundenen ersten Ende (14a) der mindestens einen Feder (14) und mindestens einem an dem verstellbaren Teil (12) angebundenen zweiten Ende (14b) der mindestens einen Feder (14) mittels des mindestens einen Biegeaktors (16), welcher bei dem Bereitstellen des mindestens einen elektrischen Signals während des Betriebs des mikromechanischen Bauteils seine Form so verändert, dass ein erster Teilbereich (16a) des jeweiligen Biegeaktors (16) in Bezug zu einem die mindestens eine Feder (14) kontaktierenden zweiten Teilbereich (16b) des jeweiligen Biegeaktors (16) verstellt wird, wodurch eine Rückstellkraft (Fr) auf die mindestens eine Feder (14) und/oder das verstellbar Teil (12) ausgeübt wird und das verstellbare Teil (12) in eine Bewegung versetzt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10, wobei mindestens eine träge Masse (18) an dem mindestens einen Biegeaktor (16) aufgehängt wird (S12), so dass der mindestens eine Biegeaktor (16) bei dem Bereitstellen des mindestens einen elektrischen Signals während des Betriebs des mikromechanischen Bauteils seine Form so verändert, dass der die mindestens eine träge Masse (18) kontaktierende erste Teilbereich (16a) des jeweiligen Biegeaktors (16) zusammen mit der angebundenen trägen Masse (18) in Bezug zu dem zweiten Teilbereich (16b) des jeweiligen Biegeaktors (16) verstellt wird, wodurch eine gesteigerte Rückstellkraft (Fr) auf die mindestens eine Feder (14) und/oder das verstellbar Teil (12) ausgeübt wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Halterung (10), das verstellbare Teil (12), die mindestens eine Feder (14), der mindestens eine Biegeaktor (16) und/oder die mindestens eine träge Masse (18) zumindest teilweise aus einem Halbleitersubstrat herausstrukturiert werden.
Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils mit einer Halterung (10) und einem in Bezug zu der Halterung (10) verstellbaren Teil (12), welches über mindestens eine Feder (14) mit der Halterung (10) verbunden ist, mit den Schritten: Bereitstellen mindestens eines elektrischen Signals an mindestens einen Biegeaktor (16), welcher mindestens einen Zwischenbereich (14c) der mindestens einen Feder (14) zwischen mindestens einem an der Halterung (10) angebundenen ersten Ende (14a) der mindestens einen Feder (14) und mindestens einem an dem verstellbaren Teil (12) angebundenen zweiten Ende (14b) der mindestens einen Feder (14) kontaktiert, wobei der mindestens eine Biegeaktor (16) in seiner Form mittels des Bereitstellens des mindestens einen elektrischen Signals so verändert wird, dass ein erster Teilbereich (16a) des jeweiligen Biegeaktors (16) in Bezug zu einem die mindestens eine Feder (14) kontaktierenden zweiten Teilbereich (16b) des jeweiligen Biegeaktor (16) verstellt wird, wodurch eine Rückstellkraft (Fr) auf die mindestens eine Feder (14) und/oder das verstellbar Teil (12) ausgeübt wird und das verstellbare Teil (12) in eine Bewegung versetzt wird (S1).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der mindestens eine Biegeaktor (16) in seiner Form mittels des Bereitstellens des mindestens einen elektrischen Signals so verändert wird, dass mindestens eine an dem mindestens einen Biegeaktor (16) aufgehängte träge Masse (18) zusammen mit dem die mindestens eine träge Masse (18) kontaktierenden ersten Teilbereich (16a) des jeweiligen Biegeaktors (16) in Bezug zu dem zweiten Teilbereich (16b) des jeweiligen Biegeaktors (16) verstellt wird, wodurch eine gesteigerte Rückstellkraft (Fr) auf die mindestens eine Feder (14) und/oder das verstellbar Teil (12) ausgeübt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das mindestens eine elektrische Signal mit einer Resonanzfrequenz eines Feder-Masse-Systems aus dem verstellbaren Teil (12) und zumindest einem Teilabschnitt der mindestens einen Feder (14) an den mindestens eine Biegeaktor (16) bereitgestellt wird, und das verstellbare Teil (12) in eine resonante Schwingung als die Bewegung versetzt wird.