DE102014211027A1

DE102014211027A1 - Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102014211027A1
Application number: DE102014211027.0A
Authority: DE
Inventors: Stefan Pinter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-06-10
Filing date: 2014-06-10
Publication date: 2015-12-17
Also published as: KR20170019420A; US20170101306A1; WO2015188986A1; CN106458568A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem in Bezug zu einer Halterung (10) verstellbaren Teil (12), welches zumindest über eine Aufhängestruktur (16) an der Halterung (10) aufgehängt ist, wobei Eigenschwingungen der Aufhängestruktur (16) derart anregbar sind, dass das verstellbare Teil (12) in Bezug zu der Halterung (10) mittels der in die Eigenschwingungen versetzten Aufhängestruktur (16) in eine resonante Schwingbewegung um eine erste Drehachse (34a) und in eine quasi-statische Schwingbewegung um eine geneigt zu der ersten Drehachse (34a) ausgerichtete zweite Drehachse (34b) versetzbar ist, und wobei das verstellbare Teil (12) direkt oder über mindestens eine Feder (20) an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen der Aufhängestruktur (16) angebunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der DE 10 2011 006 598 A1 sind Bauteile mit einem verstellbaren Teil und Verfahren zum Betreiben eines Bauteils mit einem verstellbaren Teil beschrieben. Zum Verstellen des verstellbaren Teils wird jeweils zumindest eine Untereinheit mindestens einer flexiblen Verbindungskomponente, über welche das verstellbare Teil mit einer Halterung verbunden ist, in eine erste Schwingbewegung entlang einer ersten Achse und in eine zweite Schwingbewegung entlang einer zu der ersten Achse geneigt ausgerichteten zweiten Achse versetzt. Dies bewirkt, dass das verstellbare Teil in Bezug zu der Halterung in eine Drehschwingbewegung um eine erste Drehachse versetzbar ist und zusätzlich zu der Drehschwingbewegung auch um eine zweite Drehachse auslenkbar ist.
Offenbarung der Erfindung
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.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile mit einem verstellbaren Teil, welches in Bezug zu einer Halterung des mikromechanischen Bauteils mittels einer resonanten Schwingbewegung um einen vergleichsweise großen „resonanten“ Drehwinkel und gleichzeitig mittels einer quasi-statischen Schwingbewegung um einen großen „statischen“ Drehwinkel verstellbar ist. Außerdem sind mittels der vorliegenden Erfindung auch mikromechanische Bauteile realisierbar, bei welchen das verstellbare Teil mittels zweier resonanter Schwingbewegungen verstellbar ist. Mittels der vorliegenden Erfindung sind mikromechanische Bauteile insbesondere so gestaltbar, dass große Amplituden für die resonante Schwingbewegung des verstellbaren Teils erreichbar sind und gleichzeitig auch eine möglichst kleine Rückstellkraft/Feder-Rückstellkraft einer konstanten Auslenkung des verstellbaren Teils mittels der quasi-statischen Schwingbewegung entgegenwirkt. Wie unten genauer ausgeführt wird, ist vor allem durch eine vorteilhafte Ankopplung/Anbindung des verstellbaren Teils an die jeweilige Aufhängestruktur des mikromechanischen Bauteils eine Resonanzüberhöhung während der resonanten Schwingbewegung des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung erzeugbar. Das verstellbare Teil kann deshalb um vergleichsweise große „resonante“ und „statische“ Drehwinkel um die beiden Drehachsen verstellt werden, wodurch eine Steigerung eines maximal möglichen Drehwinkels für das mikromechanische Bauteil erreicht ist.
Wie unten genauer ausgeführt wird, können die erfindungsgemäß realisierten mikromechanischen Bauteile einen vergleichsweise einfachen Aufbau haben. Die erfindungsgemäß realisierten mikromechanischen Bauteile sind deshalb vergleichsweise einfach herstellbar. Zusätzlich können zum Betreiben der erfindungsgemäß realisierten mikromechanischen Bauteile vergleichsweise einfache Betreiberelektroniken eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft auch mikromechanische Bauteile, bei welchen drei Rotations-Freiheitsgrade zum Verstellen des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung realisiert sind. Für alle drei Rotations-Freiheitsgrade sind außerdem relativ große „resonante“ und/oder „statische“ Drehwinkel des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung ausführbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Aufhängestruktur mindestens einen Biegebalken. Der mindestens eine Biegebalken ist mittels der mindestens einen Aktoreinrichtung verlässlich in Eigenschwingungen versetzbar, wobei ein Lager des mindestens einen Schwingungspunktes der angeregten Eigenschwingungen leicht ermittelbar ist. Außerdem können bei einer Aufhängestruktur mit dem mindestens einen Biegebalken auch Schwingungsknotenpunkte mehrerer Eigenschwingungen an gleicher Stelle liegen.
Beispielsweise kann der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur unterbrechungsfrei entlang einer vorgegebenen Balkenlängsachse verlaufen. Der jeweilige Biegebalken ist somit vergleichsweise einfach ausbildbar. Z.B. kann ein derartiger Biegebalken mittels einfach ausführbarer Ätzverfahren aus einer Halbleiterschicht herausstrukturiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur einen zwischen einem ersten Balkenabschnitt und einem zweiten Balkenabschnitt liegenden Innenrahmen, an welchem das verstellbare Teil aufgehängt ist. Insbesondere können der erste Balkenabschnitt und der zweite Balkenabschnitt entlang einer ersten Raumrichtung verlaufen, wobei das verstellbare Teil über die mindestens eine Feder, welche sich entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung verlaufenden zweiten Raumrichtung erstreckt, an dem Innenrahmen aufgehängt ist. Auch eine derart ausgebildete Aufhängestruktur ist leicht herstellbar/ätzbar und gewährleistet eine gute Verstellbarkeit des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung, beispielsweise um die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung.
Ebenso kann der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur mäanderförmig ausgebildet sein. Auch ein mäanderförmiger Biegebalken ist in Eigenschwingungen versetzbar, wobei den Eigenschwingungen (aufgrund der langen Ausbildbarkeit des mäanderförmigen Biegebalkens) eine vergleichsweise kleine Rückstellkraft entgegenwirkt. Obwohl der mäanderförmige Biegebalken zur Reduzierung der Rückstellkraft vergleichsweise lang ausbildbar ist, ist ein platzsparendes Design leicht an dem mikromechanischen Bauteil realisierbar.
Der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur kann mit einem Verankerungsbereich die Halterung kontaktieren. Als Alternative dazu kann der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur auch zumindest über mindestens eine Außenfeder mit der Halterung verbunden sein.
Die mindestens eine Außenfeder kann z.B. mindestens eine Torsionsfeder, mindestens eine mäanderförmige Feder, mindestens eine U-Feder und/oder mindestens eine Doppel-U-Feder sein. Somit kann eine Vielzahl von einfach strukturierbaren Außenfedern zum Aufhängen des mindestens einen Biegebalkens an der Halterung verwendet werden. Jedoch sind auch von den hier aufgezählten Beispielen abweichende Formen für die mindestens eine Außenfeder möglich.
Die oben beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen des korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil realisierbar. Es wird darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1a und 1b eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine schematische Wiedergabe von Eigenschwingungen von dessen Aufhängestruktur;
2a bis 2c schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3a und 3b schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
5a und 5b eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine schematische Wiedergabe von Eigenschwingungen von dessen Aufhängestruktur;
6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
7 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
8 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
9 eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
10 eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
11a bis 11d schematische Darstellungen verschiedener als Außenfeder für das mikromechanische Bauteil verwendbarer Federtypen;
12 eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
13 eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
14 eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
15 eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
16 eine schematische Darstellung einer fünfzehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
17 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
1a und 1b zeigen eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine schematische Wiedergabe von Eigenschwingungen von dessen Aufhängestruktur.
Das in 1a schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist eine (nur teilweise dargestellte) Halterung 10 und ein in Bezug zu der Halterung 10 verstellbares Teil 12 auf. In der Ausführungsform der 1a ist das verstellbare Teil 12 ein mit einer Spiegelfläche 14 bestückter Mikrospiegel. Das verstellbare Teil 12 kann jedoch auch eine andere optisch aktive Fläche aufweisen oder in mindestens einer Raumrichtung durchgehend aus einem optisch aktiven Material gebildet sein. Somit kann das verstellbare Teil 12 beispielsweise auch als ein optisches Gitter, ein Strahlteiler, ein Filter und/oder ein Prisma ausgebildet sein.
Das verstellbare Teil 12 ist zumindest über eine Aufhängestruktur 16 an der Halterung 10 aufgehängt. In der Ausführungsform der 1a ist die Aufhängestruktur 16 ein Biegebalken 16, welcher einen zwischen einem ersten Balkenabschnitt 16a und einem zweiten Balkenabschnitt 16b liegenden Innenrahmen 18 umfasst. Der erste (stabförmige) Balkenabschnitt 16a und der zweite (stabförmige) Balkenabschnitt 16b verlaufen (gerade/abweichungsfrei) entlang einer ersten Raumrichtung x. Das verstellbare Teil 12 ist mittels mindestens einer Feder 20 an dem Innenrahmen 18 aufgehängt. Die mindestens eine Feder 20 erstreckt sich entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung x verlaufenden zweiten Raumrichtung y’. Speziell ist in der Ausführungsform der 1a das verstellbare Teil 12 zwischen zwei Federn 20 in einem von dem Innenrahmen 18 aufgespannten Innenraum aufgehängt.
In der Ausführungsform der 1a kontaktiert der Biegebalken 16 mit einem Verankerungsbereich 30 die Halterung 10. Für den Biegebalken 16 ist eine Länge L definierbar, welche sich entlang der ersten Raumrichtung x von dem Verankerungsbereich 30 bis zu einem davon weg gerichteten Endabschnitt 32 erstreckt. Der in 1a wiedergegebene Biegebalken 16 kann somit als einseitig eingespannter Biegebalken 16 bezeichnet werden. Die einseitige Aufhängung des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 an der Halterung 10 vermindert eine Rückstellkraft, welche einer Verformung, Verbiegung oder Torsion des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16, wie z.B. einer Torsionsauslenkung des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16, entgegen wirkt.
Das mikromechanische Bauteil umfasst auch mindestens eine Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24. Die mindestens eine Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 ist derart ausgelegt, dass mittels eines Betriebs der mindestens einen Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 mindestens ein erster Unterabschnitt 26a der Aufhängestruktur 16 in eine erste harmonische Schwingbewegung entlang einer ersten Schwingachse 28a versetzbar ist. Gleichzeitig ist mittels des Betriebs der mindestens einen Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 mindestens ein zweiter Unterabschnitt 26b der Aufhängestruktur 16 in eine zweite harmonische Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der ersten Schwingachse 28a ausgerichteten zweiten Schwingachse 28b versetzbar. Die Schwingachsen 28a und 28b sind vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet. Insbesondere verlaufen in der Ausführungsform der 1a und 1b die Schwingachsen 28a und 28b senkrecht zu der ersten Raumrichtung x, wobei die erste Schwingachse 28a parallel zu der zweiten Raumrichtung y‘ ausgerichtet ist und die zweite Schwingachse 28b senkrecht zu der ersten Raumrichtung x und der zweiten Raumrichtung y‘ liegt. Außerdem wird ein Betrieb der mindestens einen Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 bevorzugt, bei welchem die erste Schwingbewegung in einer festen Phasenbeziehung zu der zweiten Schwingbewegung liegt. Bevorzugter Weise ist die erste Schwingbewegung um 90° phasenverschoben zu der zweiten Schwingbewegung.
Dies ist auch damit umschreibbar, dass die Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 mindestens eine Schwingung des Biegebalkens 16 in mindestens einer Schwingebene erzeugt. Die durch die Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 angeregten Schwingungsmodi sind in 1b für eine Schwingebene gezeigt. Die Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 erzeugt jedoch auch weitere Schwingungsmodi in einer senkrecht zu der Bildebene der 1b verlaufenden Schwingebene.
Man kann das angewandte Aktorprinzip auch damit umschreiben, dass zwei translatorische sinusoidale Bewegungen/Schwingungsbewegungen der Unterabschnitte 26a und 26b erzeugt werden, welche vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Wie unten genauer erläutert wird, können diese Bewegungen/Schwingungsbewegungen der Unterabschnitte 26a und 26b zum Verstellen des verstellbaren Teils 12 genutzt werden.
Mittels der mindestens einen Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 sind auf die vorausgehend beschriebene Weise Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 anregbar. Insbesondere sind sowohl Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 in einer von der ersten Raumrichtung x und der ersten Schwingachse 28a aufgespannten ersten Ebene als auch Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 in einer von der ersten Raumrichtung x und der zweiten Schwingachse 28b aufgespannten zweiten Ebene anregbar. (Das tatsächliche Schwingverhalten der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 entspricht einer Überlagerung der verschiedenen angeregten Eigenschwingungen.)
In 1b sind eine erste Eigenschwingung S1 des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der zweiten Ebene bei einer ersten Eigenfrequenz, eine zweite Eigenschwingung S2 des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der zweiten Ebene bei einer zweiten Eigenfrequenz und eine dritte Eigenschwingung S3 des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der zweiten Ebene bei einer dritten Eigenfrequenz schematisch dargestellt. (Auf ein Einzeichnen des Innenrahmens 18 ist in 1b der besseren Übersichtlichkeit wegen verzichtet.) Die erste Eigenschwingung S1 weist keinen Schwingungsknotenpunkt auf. Die zweite Eigenschwingung S2 hat einen Schwingungsknotenpunkt P2 (welcher bei etwa ¾ L liegt). Für die dritte Eigenschwingung S3 sind ein erster Schwingungsknotenpunkt P31 (bei etwa ½ L) und ein zweiter Schwingungsknotenpunkt P32 (bei etwa 21/24 L) ermittelbar. (Die Positionen der Schwingungsknotenpunkte P2, P31 und P32 können sich verschieben, sobald Abweichungen von einem idealen Balken vorliegen.)
Die Länge L des Biegebalkens 16 (bzw. seine Breite und/oder seine Höhe) kann insbesondere so gewählt sein, dass Schwingungsknotenpunkte P2, P31 und P32 von Eigenschwingungen S1 bis S3 in der zweiten Ebene (von der ersten Raumrichtung x und der zweiten Schwingachse 28b aufgespannt) mit Schwingungsknotenpunkten von Eigenschwingungen in der ersten Ebene (von der ersten Raumrichtung x und der ersten Schwingachse 28a aufgespannt) zusammenfallen. Dies ist z.B. für den Schwingungsknotenpunkt P2 der zweiten Eigenschwingung S2 bei ¾ L oder für die beiden Schwingungsknotenpunkte P31 und P32 der dritten Eigenschwingung S3 bei ½L und 21/24 L realisierbar.
Das verstellbare Teil 12 ist über die mindestens eine Feder 20 an mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2, P31 und P32 mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16 angebunden. (Die mindestens eine Feder 20 kontaktiert damit den mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2, P31 und P32 der angeregten Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16.) Vorzugsweise ist das verstellbare Teil 12 über die mindestens eine Feder 20 an mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2, P31 und P32 mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16 in der (senkrecht zu der zweiten Raumrichtung y‘) ausgerichteten zweiten Ebene angebunden. Bevorzugt wird eine Anbindung des verstellbaren Teils 12 über die mindestens eine Feder 20 an mindestens einen Punkt des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16, in welchem die Schwingungsknotenpunkte P2, P31 und P32 von Eigenschwingungen S1 bis S3 in der zweiten Ebene mit Schwingungsknotenpunkten von Eigenschwingungen in der ersten Ebene zusammenfallen.
In der Ausführungsform der 1a ist das verstellbare Teil 12 über die mindestens eine Feder 20 an den Schwingungsknotenpunkt P2 der zweiten Eigenschwingung S2 des Biegebalkens in der zweiten Ebene angebunden. (Die zweite Raumrichtung y‘ verlauft durch den in 1b eingezeichneten Schwingungsknotenpunkt P2 der zweiten Eigenschwingung S2 des Biegebalkens in der zweiten Ebene.) Bei der Anbindung des verstellbaren Teils 12 an den mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2 der mindestens einen anregbaren Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 ist berücksichtigt, dass die Position des mindestens einen Schwingungsknotenpunkts P2 der mindestens einen anregbaren Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 in der Regel von der Anbindung des verstellbaren Teils 12 beeinflusst ist.
Mittels der Anbindung des verstellbaren Teils 12 über die mindestens eine Feder 20 an den mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2, P31 und P32 mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen S1 bis S3 des Biegebalkens/der Aufhängestruktur 16 ist verlässlich gewährleistbar, dass das verstellbare Teil 12 mittels der in die Eigenschwingungen S1 bis S3 versetzten Aufhängestruktur 16 in eine resonante Schwingbewegung um die zweite Raumrichtung y‘ als eine erste Drehachse 34a (in Bezug zu der Halterung 10) versetzbar ist.
Außerdem erzeugen die Eigenschwingungen des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der ersten Ebene (von der ersten Raumrichtung x und der ersten Schwingachse 28a aufgespannt) noch eine Kraft F auf das in die resonante Schwingbewegung (um eine erste Drehachse 34a) verstellbare Teil 12. Die Kraft F ist proportional zum Produkt einer ersten Auslenkamplitude des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der ersten Ebene und einer zweiten Auslenkamplitude des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der zweiten Ebene. Außerdem ist die Kraft F senkrecht zu der ersten Ebene ausgerichtet. Die Kraft F bewirkt deshalb ein Drehmoment auf das verstellbare Teil 12. Das verstellbare Teil 12 ist deshalb während seiner resonanten Schwingbewegung (um die erste Drehachse 34a/die zweite Raumrichtung y‘) auch (in Bezug zu der Halterung 10) in eine (vorzugsweise quasi-statische) Schwingbewegung/Drehbewegung um die (geneigt zu der ersten Drehachse 34a ausgerichtete) erste Raumrichtung x als eine zweite Drehachse 34b versetzbar. Wie in 1a dargestellt, können die beiden Drehachsen 34a und 34b (bzw. die beiden Raumrichtungen x und y‘) senkrecht zueinander ausgerichtet sein.
Zusammenfassend kann deshalb das verstellbare Teil 12 mit einer vergleichsweise hohen Frequenz, welche z.B. zwischen 15–30 kHz liegen kann, (in Bezug zu der Halterung 10) um die erste Drehachse 34a/die zweite Raumrichtung y‘ und mit einer deutlich langsameren Frequenz oder mit einer Frequenz von (nahezu) Null (in Bezug zu der Halterung 10) um die zweite Drehachse 34b/die erste Raumrichtung x verstellt werden. Bezüglich einer weiteren Erklärung für das Auftreten der Kraft F, welche die quasi-statische Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 (in Bezug zu der Halterung 10) bewirkt, wird auf die oben schon zitierte DE 10 2011 006 598 A1 verwiesen.
Vorzugsweise ist das verstellbare Teil 12 so dimensioniert, dass seine Eigenfrequenz bezüglich der resonanten Schwingbewegung um die erste Drehachse 34a (bzw. ein Vielfaches dieser Eigenfrequenz) mit mindestens einer Eigenfrequenz einer Eigenschwingung des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 (bzw. einem Vielfachen einer derartigen Eigenfrequenz) übereinstimmt. Vorzugsweise stimmt die jeweilige Eigenfrequenz des verstellbaren Teils 12 (bzw. ein Vielfaches dieser Eigenfrequenz) mit mindestens einer Eigenfrequenz einer Eigenschwingung des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der von der ersten Raumrichtung x und der zweiten Schwingachse 28b aufgespannten zweiten Ebene (bzw. dem Vielfachen einer derartigen Eigenfrequenz) überein. Damit ist auf einfache Weise beim Verstellen des verstellbaren Teils 12 um die erste Drehachse 34a in Bezug zu der Halterung 10 eine Amplitudenüberhöhung realisierbar. Ein in 1b eingezeichneter Winkel α16 gibt eine sinusoidale Neigung des in der zweiten Ebene in seine zweite Eigenschwingung S2 versetzten Biegebalkens 16 am Schwingungsknotenpunkt P2 an. Außerdem ist in 1b auch ein Winkel α12 eingezeichnet, welcher eine gleichzeitig bewirkte Neigung des verstellbaren Teils um die erste Drehachse 34a in Bezug zu seiner Ruhelage/der Halterung 10 wiedergibt. Erkennbar ist, dass mittels einer geeigneten Festlegung der Eigenfrequenz des verstellbaren Teils 12 bezüglich der resonanten Schwingbewegung um die erste Drehachse 34a ein gegenüber dem Winkel α16 signifikant gesteigerter Winkel α12 bewirkbar ist.
In der Ausführungsform der 1 weist das mikromechanische Bauteil Piezoelemente 22a, 22b und 24 als die mindestens eine Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 auf. Zum Anregen der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Unterabschnitts 26a entlang der ersten Schwingachse 28a sind zwei (streifenförmige) Piezoelemente 22a und 22b auf eine parallel zu der ersten Schwingachse 28a ausgerichtete Fläche des ersten Unterabschnitts 26a aufgebracht, wobei ein erstes Piezoelement 22a der zwei Piezoelemente 22a und 22b auf einer ersten Seite der zweiten Ebene und ein zweites Piezoelement 22b der zwei Piezoelemente 22a und 22b auf einer zweiten Seite der zweiten Ebene liegen. Bei einem Betrieb werden die zwei Piezoelemente 22a und 22b um 180° phasenverschoben angesteuert. Die auf diese Weise realisierbare Verkrümmung jeweils einer Seite der parallel zu der ersten Schwingachse 28a ausgerichteten Fläche des ersten Unterabschnitts 26a führt zu der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Unterabschnitts 26a (bzw. des Biegebalkens 16).
Die zweite harmonische Schwingbewegung des zweiten Unterabschnitts 26b entlang der zweiten Schwingachse 28b ist mittels eines (streifenförmigen) Piezoelements 24 bewirkbar, welches auf einer senkrecht zu der zweiten Schwingachse 28b ausgerichteten Fläche des zweiten Unterabschnitts 26b aufgebracht ist. Bei einem Betrieb ist das Piezoelement 24 periodisch komprimierbar, was eine periodische Komprimierung der senkrecht zu der zweiten Schwingachse 28b ausgerichteten Fläche des zweiten Unterabschnitts 26b bewirkt. Dies löst die zweite harmonische Schwingbewegung des zweiten Unterabschnitts 26b (bzw. des Biegebalkens 16) aus.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausbildung der mindestens einen Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 als (streifenförmige) Piezoelemente 22a, 22b und 24 lediglich beispielhaft zu interpretieren ist. Beispielsweise können auch mindestens eine elektrostatisch wirkenden Interdigitalelektrode, mindestens eine Plattenelektrode und/oder mindestens eine elektromagnetische Aktuierung zum Anregen der Schwingbewegungen der Unterabschnitte 26a und 26b eingesetzt werden.
2a bis 2c zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 2a in einer parallel zur ersten Raumrichtung x ausgerichteten Seitenansicht und in 2b in einer parallel zur zweiten Raumrichtung y‘ ausgerichteten Seitenansicht schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist als die mindestens eine Aktoreinrichtung 40a bis 40d vier Piezoelemente 40a bis 40d auf. Wie in 2c erkennbar ist, sind die vier Piezoelemente 40a bis 40d jeweils auf einem (ersten) Unterabschnitt 26a des Biegebalkens 16 so angeordnet, dass jede Außenseite des (ersten) Unterabschnitts 26a genau ein Piezoelement 40a bis 40d trägt. Ein erstes Paar von zwei Piezoelementen 40a und 40b der vier Piezoelemente 40a bis 40d liegen auf senkrecht zur ersten Schwingachse 28a ausgerichteten Außenseiten des (ersten) Unterabschnitts 26a. Ein zweites Paar von zwei Piezoelementen 40c und 40d der vier Piezoelemente 40a bis 40d sind auf Außenseiten des (ersten) Unterabschnitts 26a angeordnet, welche senkrecht zur zweiten Schwingachse 28b verlaufen.
Die vier Piezoelemente 40a bis 40d sind so verschaltet, dass, sofern ein erstes Piezoelement 40a und 40c des gleichen Paars komprimiert wird, ein zweites Piezoelement 40b und 40d des gleichen Paars sich expandiert. Entsprechend wird, sofern das erste Piezoelement 40a und 40c des gleichen Paars sich expandiert, das zweite Piezoelement 40b und 40d des gleichen Paars komprimiert. Als Folge verbiegt sich der (erste) Unterabschnitt 26a. Sofern die zwei Paare von Piezoelementen 40a bis 40d mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert werden, ergibt sich eine „Hula-Hoop“-Bewegung des (ersten) Unterabschnitts 26a (bzw. des Biegebalkens 16), welche mittels des Pfeils 42 wiedergegeben ist. Die Punkte einer mittig zwischen den Flächen mit den Piezoelementen 40a bis 40d verlaufenden Mittelachse führen während der „Hula-Hoop“-Bewegung eine elliptische Bewegung (vorzugsweise eine Kreisbewegung) aus. Man kann dies auch damit umschreiben, dass der (erste) Unterabschnitt 26a in die erste harmonische Schwingbewegung entlang der ersten Schwingachse 28a und in die zweite Schwingbewegung entlang der geneigt zu der ersten Schwingachse 28a ausgerichteten zweiten Schwingachse 28b versetzt wird. Auch auf diese Weise können die Eigenschwingungen des Biegebalkens 16 in der ersten Ebene und die Eigenschwingungen S1 bis S3 des Biegebalkens 16 in der zweiten Ebene angeregt werden. Dies bewirkt, wie oben beschrieben, die resonante Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 (in Bezug zu der Halterung 10) um die erste Drehachse 34a (bzw. die zweite Raumrichtung y‘) und die quasi-statische Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 (in Bezug zu der Halterung 10) um die zweite Drehachse 34b (bzw. die erste Raumrichtung x). Die quasi-statische Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 ist in 2b mittels des Winkels β schematisch (im Schnitt) wiedergegeben.
3a und 3b zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Biegebalken 16 der Ausführungsform der 3a und 3b einen benachbart zu der Halterung 10 ausgebildeten lokal verjüngten Abschnitt 44 auf. Mittels der Ausbildung eines derartigen lokal verjüngten Abschnitts 44 ist eine Torsionssteifigkeit des Biegebalkens 16, insbesondere bei einer Drehbewegung des Biegebalkens 16 um die erste Raumrichtung x, reduzierbar.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 4 schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist als Aufhängestruktur 50 einen (einseitig eingespannten) Biegebalken 50 auf, welcher unterbrechungsfrei (abweichungsfrei) entlang der ersten Raumrichtung x als einer vorgegebenen Balkenlängsachse verläuft. Der Biegebalken 50 kann auch als ein gerader (rahmenloser) Biegebalken 50 bezeichnet werden. Speziell kann unter dem Biegebalken 50 ein stabförmiger Biegebalken 50 verstanden werden.
Das verstellbare Teil 12 ist direkt an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt P2 mindestens einer der (mittels der nicht skizzierten mindestens einen Aktoreinrichtung anregbaren) Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 50/des Biegebalkens 50 angebunden. Insbesondere kann das verstellbare Teil 12 direkt an einer Außenseite des Biegebalkens 50 befestigt sein. Beispielhaft ist in der Ausführungsform der 4 das verstellbare Teil 12 direkt an einer Verbindungsstelle auf einer parallel zur ersten Raumrichtung x (und senkrecht zur zweiten Schwingachse 28b) ausgerichteten Außenseite des Biegebalkens 50 befestigt.
Die Verbindungsstelle zwischen dem verstellbaren Teil und dem Biegebalken 50 ist vorzugsweise so kleinflächig gestaltet, dass das Schwingverhalten des Biegebalkens 50 kaum/nicht beeinflusst ist. Bei der Anbindung des verstellbaren Teils 12 an den mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2 der mindestens einen anregbaren Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 50/des Biegebalkens 50 ist berücksichtigt, dass die Position des mindestens einen Schwingungsknotenpunktes P2 der mindestens einen anregbaren Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 50/des Biegebalkens 50 in der Regel von der Anbindung des verstellbaren Teils 12 beeinflusst ist. Optionaler Weise kann das verstellbare Teil 12 auch einen Verbindungspfosten umfassen, welcher an dem mindestens einen auf der Außenseite des Biegebalkens 50/der Aufhängestruktur 50 liegenden Schwingungsknotenpunkt P2 fußt.
Auch bei der Ausführungsform der 4 werden zwei senkrechte translatorische sinusoidale Bewegungen (als Schwingbewegungen/externe Erregerschwingungen) zum Versetzen des Biegebalkens 50 in seine Eigenschwingungen in der ersten Ebene und in seine Eigenschwingungen S1 bis S3 in der zweiten Ebene genutzt. Bei einer konstante Phasenverschiebung zwischen den angeregten Schwingbewegungen, vorzugsweise von 90°, ergibt sich im zeitlichem Mittel ein Drehmoment um die erste Raumrichtung x. Auch in der Ausführungsform der 4 kann das verstellbare Teil 12 deshalb in die resonante Schwingbewegung um die erste Drehachse 34a (mit einer vergleichsweise hohen Frequenz) und in die quasi-statische Schwingbewegung/Drehbewegung um die zweite Drehachse 34b (mit einer deutlich langsameren Frequenz) in Bezug zu der Halterung 10 versetzt werden.
Auch in diesem Fall sind große Schwingamplituden für das verstellbare Teil 12 erreichbar, weshalb ein mittels des verstellbaren Teils 12 abgelenkter Lichtstrahl weitwinkelig ablenkbar ist.
5a und 5b zeigen eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine schematische Wiedergabe von Eigenschwingungen von dessen Aufhängestruktur.
Der mittels der 5a und 5b schematisch wiedergegebene Biegebalken 16 liegt ohne eine Einspannung an der Halterung 10 vor. Stattdessen ist der Biegebalken 16 als Aufhängestruktur 16 zumindest über mindestens eine (nicht dargestellte) Außenfeder mit der Halterung 10 verbunden. Ein Abstand der zwei am weitesten voneinander beabstandeten Endabschnitte 32a und 32b des Biegebalkens 16 entlang der ersten Raumrichtung x definiert die Länge L des Biegebalkens 16. Insbesondere die beiden Endabschnitte 32a und 32b des Biegebalkens 16 können frei (d.h. ohne einen mechanischen Kontakt mit der mindestens einen Außenfeder) vorliegen. Der in 5a und 5b dargestellte Biegebalken 16 kann somit als ein beidseitig freier Biegebalken 16 umschrieben werden.
Wie anhand der 5b erkennbar ist, kann auch der beidseitig freie Biegebalken 16 in seine Eigenschwingungen in der ersten Ebene und in seine Eigenschwingungen in seiner zweiten Ebene versetzt werden. Von den anregbaren Eigenschwingungen sind in 5b ein erster Hula-Hoop-Schwingungsmodus H1 mit zwei außermittig liegenden Schwingungsknotenpunkten PH11 und PH12 und ein zweiter Hula-Hoop-Schwingungsmodus H2 mit einem zentral liegenden Schwingungsknotenpunkt PH21 und zwei außermittig liegenden Schwingungsknotenpunkten PH22 und PH23 dargestellt. (Auf ein Einzeichnen des Innenrahmens 18 ist in 5b der besseren Übersichtlichkeit wegen verzichtet.)
Bei der Ausführungsform der 5a und 5b ist das verstellbare Teil 12 über die mindestens eine Feder 20 an einem der außermittig liegenden Schwingungsknotenpunkte PH11 oder PH12 des ersten Hula-Hoop-Schwingungsmodus H1 des angeregten Biegebalkens 16 angebunden. Somit gewährleistet auch die Ausführungsform der 5a und 5b die oben schon beschriebenen Vorteile.
Des Weiteren kann das verstellbare Teil 12 auch (wie in 4 abgebildet) ohne die mindestens eine Feder 20 an dem Biegebalken 16 angebunden sein.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei dem mittels der 6 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteil ist das verstellbare Teil 12 über die mindestens eine Feder 20 an den zentral liegenden Schwingungsknotenpunkt PH21 der zweiten Hula-Hoop-Schwingungsmodus H2 des Biegebalkens 16 angebunden. (Die Lage des Innenrahmens 18, bzw. die Längen der Balkenabschnitte 16a und 16b, ist/sind entsprechend angepasst.) Auch mittels einer derartigen Anbindung sind die oben schon beschriebenen Vorteile realisierbar.
Der Vollständigkeit wird auch darauf hingewiesen, dass das verstellbare Teil 12 auch in dieser Ausführungsform ohne die mindestens eine Feder 20 an dem Biegebalken 16 angebunden sein kann.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das mikromechanische Bauteil der 7 ist eine Weiterbildung der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform. Die beiden Endabschnitte 32a und 32b des Biegebalkens 16 der 7 sind über je eine Außenfeder 52 mit der Halterung 10 verbunden. Für jede Außenfeder 52 verläuft eine Federgerade durch ihren Verankerungspunkt an der Halterung 10 und durch ihren Verankerungspunkt an dem Biegebalken 16 entlang der ersten Raumrichtung x.
Speziell ist jede der Außenfedern 52 als Doppel-U-Feder 52 ausgebildet. Jede Doppel-U-Feder 52 weist zwischen einem sich entlang der Federgerade erstreckenden ersten Federlängsabschnitt und einem sich entlang der Federgerade erstreckenden zweiten Federlängsabschnitt zwei U-Bögen auf, welche derart aneinander ausgebildet sind, dass die U-Bögen von der Federgerade weg gerichtet sind. Die hier beschriebene Ausbildung der Außenfedern 52 als Doppel-U-Federn 52 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Mittels der beidseitigen Anbindung des Biegebalkens 16 an die Halterung 10 unter Verwendung der Doppel-U-Federn 52 ist eine vergleichsweise weiche Aufhängung des Biegebalkens 16 realisierbar. Dies erleichtert ein Anregen der oben schon beschriebenen Hula-Hoop-Schwingungsmoden H1 und H2 und der Torsionsauslenkung.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der 8 ist der Biegebalken 16 über vier Außenfedern 52 mit der Halterung 10 verbunden. Jeweils zwei der vier Außenfedern 52 sind an je einem Balkenabschnitt 16a und 16b zwischen dem daran ausgebildeten Endabschnitt 32a oder 32b und dem Innenrahmen 18 derart verankert, dass der jeweilige Balkenabschnitt 16a oder 16b zwischen den beiden Außenfedern 52 liegt und die Federgerade der beiden Außenfedern 52 zusammenfallen. Die Federgeraden aller vier Außenfedern 52 sind senkrecht zur ersten Raumrichtung x ausgerichtet.
Die Aufhängung des Biegebalkens 16 mittels der von den Endabschnitten 32a und 32b beabstandeten Außenfedern 52 erleichtert das Anregen von Hula-Hoop-Schwingungsmoden H1 und H2 zusätzlich. Zusätzlich ist auch die Torsionsauslenkung leicht anregbar.
Auch bei dem mikromechanischen Bauteil der 8 sind die Außenfedern 52 als Doppel-U-Federn 52 ausgebildet. Eine derartige Ausbildung der Außenfedern 52 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
9 zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das mikromechanische Bauteil der 9 ist eine Weiterbildung der vorausgehend beschriebenen Ausführungsform. In der Ausführungsform der 9 ist der Biegebalken 16 über die vier Außenfedern 52 mit einem Außenrahmen 54 verbunden. Außerdem erstrecken sich entlang der ersten Raumrichtung x beidseitig am Außenrahmen 54 zwei weitere Außenfedern 56, welche an der Halterung 10 verankert sind. Eine „weiche“ Federaufhängung des Biegebalkens ist auch auf diese Weise realisierbar, um eine Torsionsauslenkung zu erreichen.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Die Ausführungsform der 10 weist einen unterbrechungsfrei (abweichungsfrei) entlang der ersten Raumrichtung x (als der vorgegebenen Balkenlängsachse) verlaufenden Biegebalken 50 auf. Das verstellbare Teil 12 ist direkt an mindestens einen Schwingungsknotenpunkt PH21 der Hula-Hoop-Schwingungsmode H2 der Aufhängestruktur 50/des Biegebalkens 50 angebunden. Insbesondere kann das verstellbare Teil 12 direkt an einer Außenseite des Biegebalkens 50 befestigt sein.
An den beiden Endabschnitten 32a und 32b des Biegebalkens 50 ist je eine Außenfeder 52 verankert. Über die beiden Außenfedern 52 ist der Biegebalken 50 mit der Halterung 10 verbunden. Auch in der Ausführungsform der 10 sind die Außenfedern 52 Doppel-U-Federn 52, deren Federgeraden sich entlang der ersten Raumrichtung x erstrecken. Eine derartige Ausbildung der Außenfedern 52 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Außerdem kann die Ausführungsform der 10 auch entsprechend der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile der 8 und 9 umgeändert und weitergebildet werden.
11a bis 11d zeigen schematische Darstellungen verschiedener als Außenfeder für das mikromechanische Bauteil verwendbarer Federtypen.
Wie anhand der 11a bis 11d erkennbar ist, kann die mindestens eine Außenfeder mindestens eine mäanderförmige Feder 58 und 60 (11a und 11d), mindestens eine U-Feder 62 (11b) und/oder mindestens eine Doppel-U-Feder 52 (11c) sein. Insbesondere können verschiedene Typen von mäanderförmigen Federn 58 und 60 als die mindestens eine Außenfeder verwendet werden. In der Ausführungsform der 11a weisen die Bögen von der Federgeraden der mäanderförmigen Feder 58 weg. Demgegenüber weisen bei dem Ausführungsbeispiel der 11d die Bögen der mäanderförmigen Feder 60 teils zu ihrem Verankerungspunkt an der Halterung 10 und teils zu ihrem Verankerungspunkt an dem Biegebalken 16.
12 zeigt eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 12 schematisch dargestellt mikromechanische Bauteil weist eine Aufhängestruktur 70 aus zwei Biegebalken 72 auf. Jeder der beiden Biegebalken 72 hat je einen die Halterung 10 kontaktierenden Verankerungsbereich 30. Außerdem ist das verstellbare Teil 12 über je eine Feder 20 mit jedem der zwei Biegebalken 72 verbunden, wobei jede der Federn 20 den zugeordneten Biegebalken 72 an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt von Eigenschwingungen, in welche die Aufhängestruktur 70 aus den zwei Biegebalken 72 versetzbar ist, kontaktiert. Das verstellbare Teil 12 ist somit zweiseitig über die Aufhängestruktur 70 aus den zwei Biegebalken 72 an der Halterung 10 aufgehängt. Die beiden Federn 20 sind auch bei dieser Ausführungsform entlang der zweiten Raumrichtung y’ ausgerichtet.
Die beiden Biegebalken 72 der Aufhängestruktur 70 sind mäanderförmig ausgebildet. Jeder der beiden Biegebalken 72 hat einen ersten Endabschnitt 72a, dessen Verankerungsbereich 30 die Halterung 10 kontaktiert. Jede der Federn 20 kontaktiert mindestens einen auf einen zweiten Endabschnitt 72b des zugeordneten Biegebalkens 72 liegenden Schwingungsknotenpunkt von Eigenschwingungen. Während die beiden ersten Endabschnitte 72a entlang der ersten Raumrichtung x verlaufen, ist jeder der beiden zweiten Endabschnitte 72b (seitlich versetzt zu den ersten Endabschnitten 72a) parallel zur ersten Raumrichtung x ausgerichtet. Jeder erste Endabschnitt 72a ist über einen windungsförmigen Zwischenabschnitt 72c mit dem zugehörigen zweiten Endabschnitt 72b verbunden. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass auch mehrere windungsförmige Zwischenabschnitte 72c zwischen einem ersten Endabschnitt 72a und dem zweiten Endabschnitt 72b des gleichen Biegebalkens 72 liegen können.
Trotz der zweiseitigen Aufhängung des verstellbaren Teils 12 ist mittels einer vergleichsweise großen Gesamtlänge der beiden mäanderförmigen Biegebalken 72, welche (nahezu) gleich einer Summe der Längen der ersten Endabschnitte 72a, der Längen der windungsförmigen Zwischenabschnitte 72c und der Längen der zweiten Endabschnitte 72b ist, eine „weiche“ Aufhängung des verstellbaren Teils 12 des mikromechanischen Bauteils der 12 realisiert. Insbesondere ist mittels der mäanderförmigen Ausbildung der beiden mäanderförmigen Biegebalken 72 das mikromechanische Bauteil trotz der vergleichsweise großen Gesamtlänge der beiden mäanderförmigen Biegebalken 72 vergleichsweise klein ausbildbar.
Die in 12 eingezeichneten Pfeile 71 geben Schwingbewegungen der einzelnen Elemente des mikromechanischen Bauteils wieder.
13 zeigt eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
In der Ausführungsform der 13 ist das verstellbare Teil 12 über je eine Feder 20 an die zwei zweiten Endabschnitte 74b der beiden gewinkelten Biegebalken 74 des mikromechanischen Bauteils angebunden. Die zwei zweiten Endabschnitte 74b verlaufen jeweils senkrecht zu der zweiten Raumrichtung y’, entlang welcher sich die beiden Federn 20 erstrecken. Jeder zweite Endabschnitt 74 kontaktiert den ersten Endabschnitt 74a des gleichen Biegebalkens 74. Allerdings sind die ersten Endabschnitte 74a geneigt zu den zweiten Endabschnitten 74b ausgerichtet. Beispielsweise kann ein Winkel von 90° zwischen einem zweiten Endabschnitt 74b und einem zugeordneten ersten Endabschnitt 74a des gleichen Biegebalkens 74 vorliegen. Auch eine Aufhängestruktur 70 aus den beiden gewinkelten Biegebalken 74 gewährleistet die vorausgehend beschriebenen Vorteile.
14 zeigt eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der 14 sind die beiden zweiten Endabschnitte 76b jedes der zwei Biegebalken 76 der Aufhängestruktur 70 entlang einer senkrecht zu der zweiten Raumrichtung y’ ausgerichteten zweiten Drehachse 34b ausgerichtet. Der erste Endabschnitt 76a jedes der zwei Biegebalkens 76 der Aufhängestruktur 70 ist über einen Zwischenabschnitt 76c mit dem zugeordneten zweiten Endabschnitt 76b verbunden. Der Zwischenabschnitt 76c kann senkrecht zu den Endabschnitten 76a und 76b des gleichen Biegebalkens 76 ausgerichtet sein. Auch die Biegebalken 76 der Ausführungsform der 14 weisen somit eine mäandrierte (bzw. gewinkelte) Form auf.
15 zeigt eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der 15 ist der zweite Endabschnitt 78b jedes Biegebalkens 78 der Aufhängestruktur 70 kürzer als der erste Endabschnitt 78a des gleichen Biegebalkens 78 ausgebildet. Außerdem verläuft der zweite Endabschnitt 78b jedes Biegebalkens 78 parallel zu einem Teilabschnitt des ersten Endabschnitts 78a des gleichen Biegebalkens 78. Die beiden Endabschnitte 78a und 78b eines Biegebalkens 78 sind über einen senkrecht dazu ausgerichteten Zwischenabschnitt 78c miteinander verbunden.
Die in 15 wiedergegebene Ausbildung der beiden Biegebalken 78 des mikromechanischen Bauteils erlaubt vergleichsweise große Gesamtlängen der beiden Biegebalken 78 trotz einer vergleichsweise flächensparenden Ausbildung des mikromechanischen Bauteils. Eine Federsteifigkeit der beiden Biegebalken 78 ist somit ohne eine Steigerung eines Bauraumbedarfs des mikromechanischen Bauteils reduzierbar.
16 zeigt eine schematische Darstellung einer fünfzehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
In der Ausführungsform der 16 liegen zwischen jedem ersten Endabschnitt 80a und dem zugeordneten zweiten Endabschnitt 80b des gleichen Biegebalkens 80 drei Zwischenabschnitte 80c bis 80e, wobei jeder der drei Zwischenabschnitte 80c bis 80e um einen Winkel von 90° geneigt zu dem mindestens einen benachbarten Zwischenabschnitt 80c bis 80e ausgerichtet ist. Außerdem sind die von den beiden Endabschnitten 80a und 80b kontaktierten Zwischenabschnitte 80c und 80e senkrecht zu dem kontaktierten Endabschnitt 80a oder 80b ausgerichtet. Man kann dies auch damit umschreiben, dass die beiden Biegebalken 80 des mikromechanischen Bauteils der 16 schneckenartig gewunden ausgebildet sind. Trotz der vergleichsweise großen Gesamtlänge jedes Biegebalkens 80 (welche nahezu einer Summe der Einzellängen der beiden Endabschnitte 80a und 80b und der drei Zwischenabschnitte 80c bis 80e entspricht) benötigt das verstellbare Teil 12 bei der Ausführungsform der 16 nur eine vergleichsweise geringe Aufhängefläche. Das mikromechanische Bauteil der 16 ist deshalb besonders platzsparend und bauraumsparend ausgebildet.
Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können beispielsweise in einem Scanner eingesetzt werden. Mittels eines derartigen Scanners kann ein Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, mit einer schnellen Frequenz um eine erste vorgegebene Achse und mit einer niedrigeren konstanten Frequenz oder statisch (abhängig von den Anregungsfrequenzen und deren Phasenbeziehungen) um eine vorgegebene zweite Achse abgelenkt werden. Alternativ können die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile auch in Mikrospiegeln, optischen Schaltern oder optischen Multiplexern eingesetzt werden.
17 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile sind mittels zumindest der nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte St1 und St2 herstellbar. Die Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens ist jedoch nicht auf das Herstellen dieser mikromechanischen Bauteile beschränkt.
In dem Verfahrensschritt St1 wird ein in Bezug zu einer Halterung des mikromechanischen Bauteils verstellbares Teil gebildet, wobei das verstellbare Teil (zumindest) über eine Aufhängestruktur an der Halterung aufgehängt wird. In dem weiteren Verfahrensschritt St2 wird mindestens eine Aktoreinrichtung derart gebildet, dass mittels der mindestens einen Aktoreinrichtung bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils mindestens ein erster Unterabschnitt der Aufhängestruktur in eine erste harmonische Schwingbewegung entlang einer ersten Schwingachse und der mindestens eine erste Unterabschnitt und/oder mindestens ein zweiter Unterabschnitt der Aufhängestruktur in eine zweite harmonische Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der ersten Schwingachse ausgerichteten zweiten Schwingachse versetzt werden. Auf diese Weise werden Eigenschwingungen der Aufhängestruktur derart angeregt, dass das verstellbare Teil mittels der in die Eigenschwingungen versetzten Aufhängestruktur in eine resonante Schwingbewegung um eine erste Drehachse und in eine quasi-statische Schwingbewegung um eine geneigt zu der ersten Drehachse ausgerichtete zweite Drehachse versetzt wird. Um die oben schon erläuterten Vorteile zu realisieren, wird in dem Verfahrensschritt St1 das verstellbare Teil direkt oder über mindestens eine Feder an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen der Aufhängestruktur angebunden.
Die Verfahrensschritte St1 und St2 können in beliebiger Reihenfolge oder (zumindest teilweise) gleichzeitig ausgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011006598 A1 [0002, 0046]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einer Halterung (10); einem in Bezug zu der Halterung (10) verstellbaren Teil (12), welches zumindest über eine Aufhängestruktur (16, 50, 70) an der Halterung (10) aufgehängt ist; und mindestens einer Aktoreinrichtung (22a, 22b, 24, 40a bis 40d); wobei die mindestens eine Aktoreinrichtung (22a, 22b, 24, 40a bis 40d); derart ausgelegt ist, dass mittels eines Betriebs der mindestens einen Aktoreinrichtung (22a, 22b, 24, 40a bis 40d); mindestens ein erster Unterabschnitt (26a) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine erste harmonische Schwingbewegung entlang einer ersten Schwingachse (28a) und der mindestens eine erste Unterabschnitt (26a) und/oder mindestens ein zweiter Unterabschnitt (26b) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine zweite harmonische Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der ersten Schwingachse (28a) ausgerichteten zweiten Schwingachse (28b) versetzbar sind, wodurch Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) derart anregbar sind, dass das verstellbare Teil (12) in Bezug zu der Halterung (10) mittels der in die Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) versetzten Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine resonante Schwingbewegung um eine erste Drehachse (34a) und in eine quasi-statische Schwingbewegung um eine geneigt zu der ersten Drehachse (34a) ausgerichtete zweite Drehachse (34b) versetzbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Teil (12) direkt oder über mindestens eine Feder (20) an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt (P2, P31, P32, PH11 bis PH23) mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) angebunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei die Aufhängestruktur (16, 50, 70) mindestens einen Biegebalken (16, 50, 72 bis 80) umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei der einzige Biegebalken (50) der Aufhängestruktur (50) oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur unterbrechungsfrei entlang einer vorgegebenen Balkenlängsachse (x) verläuft.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, wobei der einzige Biegebalken (16) der Aufhängestruktur (16) oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur einen zwischen einem ersten Balkenabschnitt (16a) und einem zweiten Balkenabschnitt (16b) liegenden Innenrahmen (18), an welchem das verstellbare Teil (12) aufgehängt ist, umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei der erste Balkenabschnitt (16a) und der zweite Balkenabschnitt (16b) entlang einer ersten Raumrichtung (x) verlaufen, und wobei das verstellbare Teil (12) über die mindestens eine Feder (20), welche sich entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung (x) verlaufenden zweiten Raumrichtung (y‘) erstreckt, an dem Innenrahmen (18) aufgehängt ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken (72 bis 80) der Aufhängestruktur (70) mäanderförmig ausgebildet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der einzige Biegebalken (16, 50) der Aufhängestruktur (16, 50) oder mindestens einer der Biegebalken (72 bis 80) der Aufhängestruktur (70) mit einem Verankerungsbereich (30) die Halterung (10) kontaktiert.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der einzige Biegebalken (16, 50) der Aufhängestruktur (16, 50) oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur zumindest über mindestens eine Außenfeder (52, 58, 60, 62) mit der Halterung (10) verbunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine Außenfeder (52, 58, 60, 62) mindestens eine Torsionsfeder, mindestens eine mäanderförmige Feder (58, 60), mindestens eine U-Feder (62) und/oder mindestens eine Doppel-U-Feder (52) ist.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Bilden eines in Bezug zu einer Halterung (10) des mikromechanischen Bauteils verstellbaren Teils (12), wobei das verstellbare Teil (12) zumindest über eine Aufhängestruktur (16, 50, 70) an der Halterung (10) aufgehängt wird (St1); und Bilden mindestens einer Aktoreinrichtung (22a, 22b, 24, 40a bis 40d);, mittels welcher bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils mindestens ein erster Unterabschnitt (26a) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine erste harmonische Schwingbewegung entlang einer ersten Schwingachse (28a) und der mindestens eine erste Unterabschnitt (26a) und/oder mindestens ein zweiter Unterabschnitt (26b) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine zweite harmonische Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der ersten Schwingachse (28a) ausgerichteten zweiten Schwingachse (28b) versetzt wird, wodurch Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) derart angeregt werden, dass das verstellbare Teil (12) mittels der in die Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) versetzten Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine resonante Schwingbewegung um eine erste Drehachse (34a) und in eine quasi-statische Schwingbewegung um eine geneigt zu der ersten Drehachse (34a) ausgerichtete zweite Drehachse (34b) versetzt wird (St2); dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Teil (12) direkt oder über mindestens eine Feder (20) an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt (P2, P31, P32, PH11 bis PH23) mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) angebunden wird.