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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2010 064 218 A1 ist ein magnetisch antreibbarer Mikrospiegel beschrieben. Der Mikrospiegel umfasst zwei mittels je eines Spulenträgers gehaltene Spulenwicklungen und einen mit den beiden Spulenwicklungen verbundenen Spiegel, wobei die Spulenwicklungen und der Spiegel über zwei Federn derart mit einer Halterung verbunden sind, dass der Spiegel durch ein Bestromen der Spulenwicklungen und ein Bewirken eines äußeren Magnetfelds um eine Drehachse in Bezug zu der Halterung verstellt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Ausbildung der mindestens einen Spulenwicklung jeweils als Spulenwicklung mit dem mindestens einen freitragenden Teilabschnitt, bzw. die Ausbildung des mindestens einen von dem mindestens einen freitragenden Teilabschnitt überspannten Zwischenspalts in dem mindestens einen zugeordneten Spulenträger, kann ein Trägheitsmoment des mindestens einen Spulenträgers (bezüglich der Drehachse) reduziert werden. Entsprechend wird auch ein (Gesamt-) Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse) der in eine Drehbewegung um die Drehachse verstellbaren/verstellten Massen des mikromechanischen Bauteils reduziert. Die Verringerung des (Gesamt- )Trägheitsmoment reduziert einen Energieverbrauch/Energiebedarf des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils, und trägt damit zu einer Erleichterung von dessen Energieversorgung und einer Erweiterung seiner Einsetzbarkeit bei. Außerdem bewirkt die Verringerung des (Gesamt- )Trägheitsmoments eine Steigerung einer Eigenfrequenz einer resonanten Schwingbewegung des verstellbaren Teils um die Drehachse, was eine gezielte Anregung der resonanten Schwingbewegung (ohne eine Mitanregung von unerwünschten Schwingmoden) häufig erleichtert. Wie unten genauer erläutert wird, trägt die Verringerung des (Gesamt-)Trägheitsmoments auch zur Erhöhung einer Fallfestigkeit des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauteils bei.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils umfasst der mindestens eine freitragende Teilabschnitt der mindestens einen Spulenwicklung mindestens einen Spulenwicklung-Teilabschnitt, in welchem Leiterbahn-Teilabschnitte der Leiterbahnen einen maximalen Abstand zu der Drehachse im Vergleich mit weiteren Leiterbahn-Teilabschnitten dergleichen Spulenwicklung aufweisen. Somit ist mindestens ein Teilbereich des mindestens einen Spulenträgers „eingespart“ oder „weg gelassen“, welcher aufgrund seines vergleichsweise großen Abstands zu der Drehachse signifikant zu einer Steigerung des (Gesamt-) Trägheitsmoments betragen würde
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Vorzugsweise verlaufen die Leiterbahnen der mindestens einen Spulenwicklung senkrecht über mindestens eine Kante, welche zwischen mindestens einer mit dem mindestens einen ersten Teilabschnitt der mindestens einen Spulenwicklung bestückten Trägerfläche des mindestens einen Spulenträgers und einer den jeweils benachbarten Zwischenspalt begrenzenden Außenfläche des gleichen Spulenträgers ausgebildet ist. Dieser Verlauf der Leiterbahnen senkrecht über die mindestens eine jeweilige Kante trägt zur Steigerung einer Stabilität der mindestens einen Spulenwicklung bei. Für die mittels der vorliegenden Erfindung bewirkbare Verringerung des (Gesamt- )Trägheitsmoments (bezüglich der Drehachse) muss somit zumindest bei dieser Ausführungsform keine Verringerung der Stabilität der mindestens einen Spulenwicklung in Kauf genommen werden.
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Beispielsweise können Zwischenvolumen zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen der gleichen Spulenwicklung mit mindestens einem elektrischisolierenden Material gefüllt sein. Auch mittels des mindestens einen zwischen den benachbarten Leiterbahnen eingefüllten elektrisch-isolierenden Materials kann die Stabilität der Spulenwicklung gesteigert werden.
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Als Alternative oder als Ergänzung dazu kann auch auf einer zu dem mindestens einen Spulenträger ausgerichteten Seite der mindestens einen Spulenwicklung eine elektrisch-isolierende Pufferschicht zumindest zwischen dem mindestens einen ersten Teilabschnitt der mindestens einen Spulenwicklung und dem jeweils zugeordneten Spulenträger ausgebildet sein. Vorzugsweise überspannt mindestens ein freitragender Teilabschnitt der elektrisch-isolierenden Pufferschicht an dem mindestens einen freitragenden Teilabschnitt der mindestens einen Spulenwicklung den mindestens einen Zwischenspalt mit. Auch dies trägt zur Steigerung einer Stabilität der jeweiligen Spulenwicklung bei.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der mindestens eine Spulenträger zumindest einen sich entlang oder parallel zu der Drehachse erstreckenden ersten Trägersteg und einen sich entlang oder parallel zu der Drehachse erstreckenden zweiten Trägersteg, wobei das verstellbare Teil oder ein Verankerungsbereich des verstellbaren Teils zwischen dem ersten Trägersteg und dem zweiten Trägersteg liegt. Insbesondere kann die einzige Spulenwicklung des mikromechanischen Bauteils ausschließlich an dem ersten Trägersteg und dem zweiten Trägersteg verankert sein. Ebenso kann das mikromechanische Bauteil genau zwei Spulenwirklungen aufweisen, und eine erste Spulenwicklung der zwei Spulenwicklungen ist ausschließlich an dem ersten Trägersteg und eine zweite Spulenwicklung der zwei Spulenwicklungen ist ausschließlich an dem zweiten Trägersteg verankert. In beiden Fällen weisen die Spulenträger nur ein relativ kleines Trägheitsmoment bezüglich der Drehachse auf.
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Optionaler Weise kann der mindestens eine Spulenträger noch mindestens einen sich senkrecht zu der Drehachse erstreckenden Querstreben umfassen. Die einzige Spulenwicklung des mikromechanischen Bauteils kann ausschließlich an dem ersten Trägersteg, dem zweiten Trägersteg und dem mindestens einen Querstreben verankert sein. Wenn das mikromechanische Bauteil genau zwei Spulenwirklungen aufweist, können eine erste Spulenwicklung der zwei Spulenwicklungen ausschließlich an dem ersten Trägersteg und den mindestens einen daran angeordneten Querstreben und eine zweite Spulenwicklung der zwei Spulenwicklungen ausschließlich an dem zweiten Trägersteg und den mindestens einen daran angeordneten Querstreben verankert sein. Auch in diesen Fällen sind die Trägheitsmomente der Spulenträger vergleichsweise niedrig.
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Wenn das mikromechanische Bauteil genau zwei Spulenwirklungen aufweist, können auch je ein erster Stützsteg (44a, 44b) an jeweils einem ersten Ende des ersten und zweiten Trägerstegs (42a, 42b) und je ein zweiter Stützsteg (46a, 46b) an jeweils einem zweiten Ende des ersten und zweiten Trägerstegs (42a, 42b) angeordnet sein, und eine erste Spulenwicklung der zwei Spulenwicklungen kann ausschließlich an dem ersten Trägersteg, dem angeordneten ersten Stützsteg und dem angeordneten zweiten Stützsteg und eine zweite Spulenwicklung der zwei Spulenwicklungen kann ausschließlich an dem zweiten Trägersteg, dem angeordneten ersten Stützsteg und dem angeordneten zweiten Stützsteg verankert sein. Damit ist auch bei dieser Ausführungsform ein niedriges (Gesamt-) Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse) der in eine Drehbewegung um die Drehachse verstellbaren/verstellten Massen des mikromechanischen Bauteils gewährleistet.
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Beispielsweise kann das mikromechanische Bauteil ein Mikrospiegel mit einer verstellbaren Spiegelplatte als dem verstellbaren Teil sein. Das als Mikrospiegel ausgebildete mikromechanische Bauteil ist vielseitig einsetzbar. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit des mikromechanischen Bauteils nicht auf Mikrospiegel beschränkt ist.
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Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil gewährleistet. Es wird darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist.
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Figurenliste
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1a bis 1d schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 2a bis 2c schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 3a bis 3c schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 4a und 4b schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
- 5a bis 5d schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
- 6 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1a bis 1d zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 1a eine Draufsicht, 1b einen Querschnitt entlang einer Linie A-A' der 1a, 1c einen Querschnitt entlang einer Linie B-B' der 1a und 1d einen vergrößerten Teilausschnitt der 1a zeigen.
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Das in 1a bis 1d schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist eine (teilweise skizzierte) Halterung 10 (z. B. ein Gehäuse oder Gehäuseteil 10), mindestens eine mittels mindestens eines Spulenträgers 12 gehaltene Spulenwicklung 14 und ein verstellbares Teil 16 auf. Der mindestens eine Spulenträger 12 und das verstellbare Teil 16 sind miteinander verbunden. Außerdem sind der mindestens eine Spulenträger 12 und das verstellbare Teil 16 über mindestens ein Federelement 18 derart mit der Halterung 10 verbunden, dass das verstellbare Teil 16 in Bezug zu der Halterung 10 um zumindest eine Drehachse 20 verstellbar ist.
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In der Ausführungsform der 1a bis 1d ist das mikromechanische Bauteil beispielhaft ein Mikrospiegel mit einer verstellbaren Spiegelplatte 16 als dem verstellbaren Teil 16. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine derartige Ausbildung des mikromechanischen Bauteils nur beispielhaft zu interpretieren ist.
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Die mindestens eine Spulenwicklung 14 umfasst jeweils Leiterbahnen 22 aus mindestens einem elektrisch-leitfähigen Material. Beispielsweise können die Leiterbahnen 22 aus Kupfer (Cu) als dem mindestens einen elektrisch-leitfähigen Material gebildet sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der mindestens einen Spulenwicklung 14/deren Leiterbahnen 22 nicht auf die Verwendung von Kupfer als dem mindestens einen elektrischleitfähigen Material limitiert ist. Beispielsweise können die Leiterbahnen 22 auch aus (dotiertem) Polysilizium sein.
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Vorzugsweise ist die mindestens eine Spulenwicklung 14 Teil einer magnetischen Aktoreinrichtung des mikromechanischen Bauteils derart, dass (während eines Betriebs des mikromechanischen Bauteils) mittels eines Bestromens der Leiterbahnen 22 der mindestens einen Spulenwicklung 14 und eines Bewirkens eines externen Magnetfelds eine Lorentzkraft derart auf das verstellbare Teil 16 übertragbar ist, dass das verstellbare Teil 16 um die Drehachse 20 verstellt wird. Insbesondere kann das verstellbare Teil 16 in eine resonante Schwingbewegung um die Drehachse 20 versetzbar sein. Da zum Bestromen der Leiterbahnen 22 geeignete Strom- und Spannungssignale und zum Bewirken des externen Magnetfelds ausgelegte Magneteinrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.
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Mindestens ein erster Teilabschnitt 14a der mindestens einen Spulenwicklung 14 ist (als mindestens ein verankerter Teilabschnitt 14a) an dem zugeordneten Spulenträger 12 verankert (siehe 1b). Man kann dies auch damit umschreiben, dass der mindestens eine verankerte Teilabschnitt 14a der mindestens einen Spulenwicklung 14 den zugeordneten Spulenträger 12 (direkt oder indirekt) kontaktiert. Insbesondere können in dem mindestens einen verankerten Teilabschnitt 14a der mindestens einen Spulenwicklung 14 liegende verankerte Leiterbahn-Teilabschnitte 22a der Leiterbahnen 22 (aus dem mindestens einen elektrisch-leitfähigen Material) den zugeordneten Spulenträger 12 direkt kontaktieren (siehe 1b). Während der mindestens eine erste Teilabschnitt/verankerte Teilabschnitt 14a der mindestens einen Spulenwicklung 14 an dem zugeordneten Spulenträger 12 verankert ist, überspannt jedoch mindestens ein zweiter Teilabschnitt 14b der gleichen Spulenwicklung 14 als freitragender Teilabschnitt 14b mindestens einen in dem zugeordneten Spulenträger 12 ausgebildeten Zwischenspalt 24 (siehe 1c). Der mindestens eine freitragende Teilabschnitt 14b ist mit dem zugeordneten Spulenträger 12 somit nur über den mindestens einen verankerten Teilabschnitt 14a der gleichen Spulenwicklung 14 verbunden, ohne den zugeordneten Spulenträger 12 (direkt) zu kontaktieren. In dem Fall, dass die in dem mindestens einen verankerten Teilabschnitt 14a liegenden verankerten Leiterbahn-Teilabschnitte 22a der Leiterbahnen 22 den zugeordneten Spulenträger 12 direkt kontaktieren, liegt kein Kontakt zwischen in dem mindestens einen freitragenden Teilabschnitt 14b der gleichen Spulenwicklung 14 liegenden freitragenden Leiterbahn-Teilabschnitten 22b der Leiterbahnen 22 (aus dem mindestens einen elektrisch-leitfähigen Material) und dem zugeordneten Spulenträger 12 vor (siehe 1c).
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Durch die Ausbildung des mindestens einen freitragenden Teilabschnitts 14b an der mindestens einen Spulenwicklung 14, bzw. die Ausbildung des mindestens einen von dem mindestens einen freitragenden Teilabschnitt 14b überspannten Zwischenspalts 24 in dem mindestens einen zugeordneten Spulenträger 12, kann Masse an dem mindestens einen Spulenträger 12 „eingespart“ werden. (Beispielsweise kann beim Materialabscheiden die „eingesparte“ Masse des mindestens einen Spulenträgers 12 weggelassen werden. Ebenso kann unter der „eingesparten“ Masse des mindestens einen Spulenträgers 12 auch eine entfernte Masse verstanden werden.) Damit kann der mindestens eine Spulenträgers 12 mit einem geringeren Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse 20) ausgebildet werden. Entsprechend kann ein (Gesamt- )Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse 20) der in eine Drehbewegung um die Drehachse 20 verstellbaren/verstellten Massen 12, 14 und 16 des mikromechanischen Bauteils reduziert werden.
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Durch die Verringerung des (Gesamt-)Trägheitsmoments der verstellbaren Massen 12, 14 und 16 des mikromechanischen Bauteils (bezüglich der Drehachse 20) kann eine zum Verstellen des verstellbaren Teils 16 um die Drehachse 20 aufzubringende Energie reduziert werden. Außerdem bewirkt die Verringerung des (Gesamt-)Trägheitsmoments eine Steigerung einer Eigenfrequenz der resonanten Schwingbewegung des verstellbaren Teils 16 um die Drehachse 20. Auch Frequenzen von unerwünschten Schwingmoden des verstellbaren Teils 16 können mittels der Verringerung des (Gesamt- )Trägheitsmoments gesteigert werden. Auf die Vorteile der hier beschriebenen Frequenzsteigerungen wird unten noch eingegangen.
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Vorzugsweise ist der mindestens eine Zwischenspalt 24 mit Luft, Gas oder Vakuum (vollständig) gefüllt. Unter dem mindestens einen in dem mindestens Spulenträger 12 ausgebildeten Zwischenspalt 24 kann beispielsweise ein von Unterkomponenten des jeweiligen Spulenträgers 12 aufgespanntes Zwischenvolumen verstanden werden. Der mindestens eine Zwischenspalt 24 kann insbesondere in dem mindestens einen Spulenträger 12 hineinstrukturiert sein, beispielsweise mittels mindestens eines Ätzprozesses. In diesem Fall ist der mindestens freitragende Teilabschnitt 14b durch (teilweises) Entfernen/Wegätzen des mindestens einen Materials des mindestens einen Spulenträgers 12 realisiert. Vorzugsweise ist der mindestens eine Spulenträger 12 aus einem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium, gebildet. Dies erleichtert ein Strukturieren des mindestens einen Spulenträgers 12 derart, dass die mindestens eine damit gehaltene Spulenwicklung 14 mindestens einen freitragenden Teilabschnitt 14b (zusätzlich zu dem mindestens einen an dem zugeordneten Spulenträger 12 verankerten Teilabschnitt 14a) aufweist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine leichte Ausbildbarkeit des mindestens einen Spulenträgers 12 auch bei einer Verwendung eines anderen Halbleitermaterials anstelle oder als Ergänzung zu Silizium gewährleistet ist.
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Vorzugsweise umfasst der mindestens eine freitragende Teilabschnitt 14a der mindestens einen Spulenwicklung 14 mindestens einen Spulenwicklung-Teilabschnitt 14x, in welchem (freitragende) Leiterbahn-Teilabschnitte 22x der Leiterbahnen 22 einen maximalen Abstand zu der Drehachse 20 im Vergleich mit weiteren Leiterbahn-Teilabschnitten 22a oder 22b der gleichen Spulenwicklung 14 aufweisen. Man kann dies auch damit umschreiben, dass mindestens ein Spulenwicklung-Teilabschnitt 14x, dessen (freitragende) Leiterbahn-Teilabschnitte 22x den maximalen Abstand zu der Drehachse 20 (im Vergleich mit weiteren Leiterbahn-Teilabschnitten 22a oder 22b der gleichen Spulenwicklung 14) aufweisen, durch Weglassen oder Entfernen von Teilen des zugeordneten Spulenträgers 12 spulenträgerlos ausgebildet ist. Damit weist der jeweilige Spulenträger 12 relativ wenig/keine Masse an mindestens einem (bezüglich der Drehachse 20) achsenfernen Bereich der zugeordneten Spulenwicklung auf. Dies trägt zur zusätzlichen Reduzierung des Trägheitsmoments des mindestens einen Spulenträgers 12 (bezüglich der Drehachse 20), und damit zur weiteren Reduzierung des (Gesamt- )Trägheitsmoments der verstellbaren Massen 12, 14 und 16 des mikromechanischen Bauteils (bezüglich der Drehachse 20) bei.
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Bei dem mikromechanischen Bauteil der 1a bis 1d sind Zwischenvolumen zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen 22 der gleichen Spulenwicklung 14 mit mindestens einem elektrisch-isolierenden Material 26 gefüllt. Als das mindestens eine elektrisch-isolierende Material können beispielsweise Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid verwendet sein. Somit können vergleichsweise kostengünstige und leicht verarbeitbare Materialien eingesetzt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die hier genannten Materialien nur beispielhaft zu interpretieren sind. Durch das Auffüllen der Zwischenvolumen zwischen den benachbarten Leiterbahnen 22 mit dem mindestens einen elektrisch-isolierenden Material 26 ist die mindestens eine Spulenwicklung 14 (sowohl an ihrem mindestens einen verankerten Teilabschnitt 14a als auch an ihrem mindestens einen freitragenden Teilabschnitt 14b) relativ kompakt ausgebildet. Die mindestens eine Spulenwicklung 14 hat somit trotz der Realisierung des mindestens einen freitragenden Teilabschnitts 14b eine hohe Stabilität. Die mindestens eine Spulenwicklung 14 kann deshalb weiterhin verlässlich als Teil einer magnetischen Aktoreinrichtung eingesetzt werden. Alternativ können jedoch auch Luft, Gas oder Vakuum in den Zwischenvolumen zwischen zwei benachbarten Leiterbahnen 22 der gleichen Spulenwicklung 14 vorliegen, welche als „Isolator“ für die mindestens eine Spulenwicklung 14 eingesetzt werden.
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1d zeigt (teilweise) eine mit dem mindestens einen verankerten Teilabschnitt 14a der mindestens einen Spulenwicklung 14 bestückte Trägerfläche 28 des zugeordneten Spulenträgers 12. Dargestellt ist auch eine an dem gleichen Spulenträger 12 ausgebildete Kante 30, welche zwischen der Trägerfläche 28 und einer den benachbarten Zwischenspalt 24 begrenzenden Außenfläche 32 des gleichen Spulenträgers 12 ausgebildet ist. (Die den benachbarten Zwischenspalt 24 begrenzende Außenfläche 32 kann insbesondere durch den Spulenträger 12 strukturiert sein.) Erkennbar ist in 1d, dass die Leiterbahnen 22 der jeweiligen Spulenwicklung 14 senkrecht über die Kante 30 verlaufen. Man kann dies auch damit umschreiben, dass die Leiterbahnen 22 der jeweiligen Spulenwicklung 14 über der Kante 30 senkrecht zu der Kante 30 ausgerichtet sind. Die senkrechte Ausrichtung der Leiterbahnen 22 an der Kante 30 steigert eine lokale Stabilität der Leiterbahnen 22. Entsprechend können die Leiterbahnen 22 der mindestens einen Spulenwicklung 14 auch senkrecht über andere (nicht dargestellte) Kanten verlaufen, welche zwischen der mindestens einen Trägerfläche 28 des mindestens einen Spulenträgers 12 und mindestens einer weiteren den jeweils benachbarten Zwischenspalt 24 begrenzenden Außenfläche 32 des mindestens einen Spulenträgers 12 ausgebildet sind. (In diesem Fall sind die Leiterbahnen 22 der mindestens einen Spulenwicklung 14 auch über der mindestens einen anderen Kante senkrecht zu der jeweiligen Kante ausgerichtet.) Dies trägt zur zusätzlichen Steigerung der Stabilität der mindestens einen Spulenwicklung 14 bei.
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Die Ausführungsform der 1a bis 1d weist beispielhaft nur eine einzige Spulenwicklung 14 auf. Der (einzige) Spulenträger 12 der einzigen Spulenwicklung 14 umfasst einen sich entlang der Drehachse 20 erstreckenden ersten Trägersteg 34a und einen sich entlang der Drehachse 20 erstreckenden zweiten Trägersteg 34b, wobei das verstellbare Teil 16 oder ein (nicht dargestellter) Verankerungsbereich des verstellbaren Teils 16 zwischen dem ersten Trägersteg 34a und dem zweiten Trägersteg 34b liegt. Insbesondere kann die (einzige) Spulenwicklung 14 (mittels des mindestens einen verankerten Teilabschnitts 14a) lediglich an dem ersten Trägersteg 34a und an dem zweiten Trägersteg 34b verankert sein. In diesem Fall ist der (einzige) Spulenträger 12 nur aus dem ersten Trägersteg 34a und dem zweiten Trägersteg 34b aufgebaut/gebildet. Der (einzige) Spulenträger 12 ist somit mit einem relativ niedrigen Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse 20) realisierbar.
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Beispielhaft umfasst der (einzige) Spulenträger 12 des mikromechanischen Bauteils der 1a bis 1d noch mindestens einen sich senkrecht zu der Drehachse 20 erstreckenden (optionalen) Querstreben 36, an welchem die einzige Spulenwicklung 14 abschnittsweise (d.h. mittels des mindestens einen verankerten Teilabschnitts 14a) verankert ist. Der mindestens eine Querstreben 36 kann an dem ersten Trägersteg 34a, dem zweiten Trägersteg 34b, dem verstellbaren Teil 16 und/oder dem Verankerungsbereich des verstellbaren Teils 16 fest angebunden sein. Vorzugsweise ist der mindestens eine Querstreben 36 spiegelsymmetrisch bezüglich einer die Drehachse 20 umfassenden Spiegelsymmetrieebene ausgebildet. Der mindestens eine Querstreben 36 kann zusätzlich derart platziert sein, dass das mikromechanische Bauteil auch bezüglich einer senkrecht zu der Drehachse 20 ausgerichteten und das verstellbare Teil 16 mittig schneidenden weiteren Spiegelsymmetrieebene spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. (In der Ausführungsform der 1a bis 1d ist außerdem der erste Trägersteg 34a spiegelsymmetrisch bezüglich der weiteren Spiegelsymmetrieebene zu dem zweiten Trägersteg 34b.)
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Vorteilhafterweise ist bei der Ausführungsform der 1a bis 1d die (einzige) Spulenwicklung 14 ausschließlich an dem ersten Trägersteg 34a, dem zweiten Trägersteg 34b und dem mindestens einen (optionalen) Querstreben 36 verankert. Man kann dies auch damit umschreiben, dass der (einzige) Spulenträger 12 ausschließlich aus dem ersten Trägersteg 34a, dem zweiten Trägersteg 34b und dem mindestens einen Querstreben 36 aufgebaut/gebildet ist. Auch in diesem Fall weist der (einzige) Spulenträger ein relativ niedriges Trägheitsmoment auf.
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2a bis 2c zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 2a eine Draufsicht, 2b einen Querschnitt entlang einer Linie A-A' der 2a und 2c einen Querschnitt entlang einer Linie B-B' der 2a zeigen.
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Die in den 2a bis 2c schematisch wiedergegebene Ausführungsform unterscheidet sich von dem zuvor erläuterten mikromechanischen Bauteil lediglich darin, dass der erste Trägersteg 34a und der zweite Trägersteg 34b (in Richtung senkrecht zu der Drehachse 20) eine höhere Breite aufweisen und je zwei (entlang der Drehachse 20 sich erstreckende und bezüglich der die Drehachse 20 umfassenden Spiegelsymmetrieebene spiegelsymmetrische) Stützrippen 38 an dem ersten Trägersteg 34a und dem zweiten Trägersteg 34b ausgebildet sind. Bezüglich weiterer Merkmale der Ausführungsform der 2a bis 2c wird auf das zuvor erläuterte mikromechanische Bauteil verwiesen.
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3a bis 3c zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 3a eine Draufsicht, 3b einen Querschnitt entlang einer Linie A-A' der 3a und 3c einen Querschnitt entlang einer Linie B-B' der 3a zeigen.
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Als Weiterbildung zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform weist das mikromechanisches Bauteil der 3a bis 3c noch eine elektrisch-isolierende Pufferschicht 40 auf, welche auf einer zu dem mindestens einen Spulenträger 12 ausgerichteten Seite der mindestens einen Spulenwicklung 14 ausgebildet ist. Die elektrisch isolierende Pufferschicht 40 liegt sowohl zwischen dem mindestens einen ersten/verankerten Teilabschnitt 14a der mindestens einen Spulenwicklung 14 und dem jeweils zugeordneten Spulenträger 12 (siehe 3b) als auch an dem mindestens einen freitragenden Teilabschnitt 14b der mindestens einen Spulenwicklung 14 vor, so dass mindestens ein freitragender Teilabschnitt 40b der elektrisch-isolierenden Pufferschicht 40 den mindestens einen Zwischenspalt 24 mitüberspannt (siehe 3c). (Während mindestens ein den mindestens einen verankerten Teilabschnitt 14a kontaktierender verankerter Teilabschnitt 40a der elektrisch-isolierenden Pufferschicht 40 den zugeordneten Spulenträger 12 direkt kontaktiert, liegt der mindestens eine den mindestens einen freitragenden Teilabschnitt 14b kontaktierende freitragende Teilabschnitt 40b der elektrisch-isolierenden Pufferschicht 40 ohne einen direkten Kontakt zu dem Spulenträger 12 vor.) Damit verbessert die elektrisch-isolierende Pufferschicht 40 nicht nur eine elektrische Isolierung zwischen den Leiterbahnen 22 und dem damit bestückten Spulenträger 12, sondern steigert auch eine Stabilität des mindestens einen freitragenden Teilabschnitts 14b der jeweiligen Spulenwicklung 14.
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Die elektrisch-isolierende Pufferschicht 40 kann beispielsweise aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid gebildet sein. Somit können vergleichsweise kostengünstige und leicht verarbeitbare Materialien für die elektrisch-isolierende Pufferschicht 40 eingesetzt werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit der elektrisch-isolierenden Pufferschicht 40 nicht auf die Verwendung eines bestimmten Materials oder Materialgemisches limitiert ist. Die elektrisch-isolierende Pufferschicht 40 kann auch einen mehrschichtigen Aufbau haben.
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Bezüglich weiterer Merkmale der Ausführungsform der 3a bis 3c wird auf die Beschreibung der zuvor erläuterten mikromechanischen Bauteile verwiesen. Wie in der Ausführungsform der 1a bis 1d können außerdem der erste Trägersteg 34a und der zweite Trägersteg 34b (in Richtung senkrecht zu der Drehachse 20) schmäler und/oder ohne die Stützrippen 38 ausgebildet werden.
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4a und 4b zeigen schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 4a das verstellbare Teil des mikromechanischen Bauteils in seiner Ruhestellung und 4b das verstellbare Teil mikromechanischen Bauteils in seiner resonanten Schwingbewegung zeigen.
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Im Unterschied zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen weist das mikromechanische Bauteil der 4a und 4b zwei Spulenwicklungen 14 auf, welche bezüglich der die Drehachse 20 umfassenden Spiegelsymmetrieebene spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. Jeder der zwei Spulenwicklungen 14 ist ein eigener Spulenträger 12 zugeordnet, wobei auch die zwei Spulenträger 12 bezüglich der die Drehachse 20 umfassenden Spiegelsymmetrieebene spiegelsymmetrisch ausgebildet sind. Ein erster Spulenträger 12 der zwei Spulenträger 12 umfasst den sich parallel zu der Drehachse 20 erstreckenden ersten Trägersteg 42a, während ein zweiter Spulenträger 12 der zwei Spulenträger 12 den sich parallel zu der Drehachse 20 erstreckenden zweiten Trägersteg 42b aufweist, wobei das verstellbare Teil 16 oder der Verankerungsbereich des verstellbaren Teils 16 zwischen dem ersten Trägersteg 42a und dem zweiten Trägersteg 42b liegt. Der erste Trägersteg 42a liegt auf einer ersten Seite der Drehachse 20 und ist einer ersten Spulenwicklung 14 der zwei Spulenwicklungen 14 zugeordnet, während der zweite Trägersteg 42b auf einer zweiten Seite der Drehachse 20 ausgebildet und einer zweiten Spulenwicklung 14 der zwei Spulenwicklungen 14 zugeordnet ist. Insbesondere können die erste Spulenwicklung 14 (mittels ihres mindestens einen verankerten Teilabschnitts 14a) ausschließlich an dem ersten Trägersteg 42a und die zweite Spulenwicklung 14 (mittels ihres mindestens einen verankerten Teilabschnitts 14a) lediglich an dem zweiten Trägersteg 42b verankert sein. In diesem Fall sind der erste Spulenträger 12 nur aus dem ersten Trägersteg 42a und der zweite Spulenträger 12 ausschließlich aus dem zweiten Trägersteg 42b gebildet/aufgebaut. Die zwei Trägerstege können somit mit einem relativ kleinen Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse 20) ausgebildet sein.
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In der Ausführungsform der 4a und 4b sind je ein erster Stützsteg 44a oder 44b an jeweils einem ersten Ende des ersten und zweiten Trägerstegs 42a und 42b und je ein zweiter Stützsteg 46a oder 46b an jeweils einem zweiten Ende des ersten und zweiten Trägerstegs 42a und 42b angehängt, wobei die Stützstege 44a, 44b, 46a und 46b sich senkrecht von der Drehachse 20 weg erstrecken. Vorteilhafterweise sind die erste Spulenwicklung 14 (mittels ihres mindestens einen verankerten Teilabschnitts 14a) ausschließlich an dem ersten Trägersteg 42a, dem angebundenen ersten Stützsteg 44a und dem angebundenen zweiten Stützsteg 46a und die zweite Spulenwicklung 14 (mittels ihres mindestens einen verankerten Teilabschnitts 14a) lediglich an dem zweiten Trägersteg 42b, dem angebundenen ersten Stützsteg 44b und dem angebundenen zweiten Stützsteg 46b verankert. Damit sind der erste Spulenträger 12 nur aus dem ersten Trägersteg 42a, dem angebundenen ersten Stützsteg 44a und dem angebundenen zweiten Stützsteg 46a und der zweite Spulenträger 12 ausschließlich aus dem zweiten Trägersteg 42b, dem angebundenen ersten Stützsteg 44b und dem angebundenen zweiten Stützsteg 46b gebildet/aufgebaut. (Eine Form der Spulenträger 12 kann somit als „klammerförmig“ umschrieben werden.) Beide Spulenträger 12 weisen deshalb ein niedriges Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse 20) auf. (Zusätzlich umfasst auch bei dieser Ausführungsform der mindestens eine freitragende Teilabschnitt 14a der mindestens einen Spulenwicklung 14 mindestens einen Spulenwicklung-Teilabschnitt 14x, in welchem (freitragende) Leiterbahn-Teilabschnitte 22x der Leiterbahnen 22 einen maximalen Abstand zu der Drehachse 20 im Vergleich mit weiteren Leiterbahn-Teilabschnitten 22a oder 22b der gleichen Spulenwicklung 14 aufweisen.)
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5a bis 5d zeigen schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei 5a eine spulenbestückte erste Seite des mikromechanischen Bauteils, 5b einen vergrößerten Teilausschnitt der 5a, 5c eine von der ersten Seite weg gerichtete zweite Seite des mikromechanischen Bauteils und 5d einen vergrößerten Teilausschnitt der 5c zeigen.
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Bei der Ausführungsform der 5a bis 5d sind im Unterschied zu dem zuvor beschriebenen mikromechanischen Bauteil Querstreben 48a oder 48b (anstelle der Stützstege 44a, 44b, 46a und 46b) an dem ersten Trägersteg 42a und an dem zweiten Trägersteg 42b befestigt, welche sich von der Drehachse 20 senkrecht weg erstrecken. Die Querstreben 48a des ersten Spulenträgers 12 sind bezüglich der die Drehachse 20 umfassenden Spiegelsymmetrieebene spiegelsymmetrisch zu den Querstreben 48b des zweiten Spulenträgers 12 ausgebildet. Vorteilhafterweise sind die erste Spulenwicklung 14 (mittels ihres mindestens einen verankerten Teilabschnitts 14a) ausschließlich an dem ersten Trägersteg 42a und dem mindestens einen befestigten Querstreben 48a und die zweite Spulenwicklung 14 (mittels ihres mindestens einen verankerten Teilabschnitts 14a) lediglich an dem zweiten Trägersteg 42b und dem mindestens einen befestigten Querstreben 48a verankert. Deshalb sind der erste Spulenträger 12 nur aus dem ersten Trägersteg 42a und dem mindestens einen befestigten Querstreben 48a und der zweite Spulenträger 12 ausschließlich aus dem zweiten Trägersteg 42b und dem mindestens einen befestigten Querstreben 48b gebildet/aufgebaut. Damit haben beide Spulenträger 12 ein niedriges Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse 20). Bezüglich weiterer Merkmale des mikromechanischen Bauteils der 5a bis 5d wird auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen verwiesen.
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Bei allen oben beschriebenen mikromechanischen Bauteilen weisen die Spulenträger 12 ein relativ niedriges Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse 20) auf. Entsprechend ist das (Gesamt-)Trägheitsmoment (bezüglich der Drehachse 20) der in eine Drehbewegung um die Drehachse 20 verstellbaren/verstellten Massen 12, 14 und 16 der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile vergleichsweise klein. Eine Eigenfrequenz der resonanten Schwingbewegung des verstellbaren Teils 16 um die Drehachse 20 in Bezug zu der Halterung 10 ist deshalb vergleichsweise hoch. (Beispielsweise ist bei der Ausführungsform der 4a und 4b die Eigenfrequenz von 0,76 kHz auf 1,1 kHz gesteigert.) Entsprechend sind auch Frequenzen von unerwünschten Schwingmoden (wie z.B. einer „lateralen“ Schwingmode des verstellbaren Teils 16 innerhalb einer von der mindestens einen Spulenwicklung 14 aufgespannten Ebene und einer „senkrechten“ Schwingmode des verstellbaren Teils 16 senkrecht aus der von der mindestens einen Spulenwicklung 14 aufgespannten Ebene heraus) gesteigert. Die Reduzierung des (Gesamt-)Trägheitsmoments (bezüglich der Drehachse 20) kann somit nicht nur zur Festlegung einer gewünschten Eigenfrequenz der resonanten Schwingbewegung des verstellbaren Teils 16 um die Drehachse 20, sondern auch zum Vermeiden/Unterdrücken der unerwünschten Schwingmoden genutzt werden.
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Bei allen oben beschriebenen mikromechanischen Bauteilen sind außerdem Bi-Metall-Effekte, bzw. daraus resultierende intrinsische Spannungen, vermieden. Insbesondere eine Verformung des mindestens einen Spulenträgers 12 muss selbst bei einer signifikanten Temperaturänderung im Umfeld des jeweiligen mikromechanischen Bauteils nicht befürchtet werden.
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Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile haben auch eine vergleichsweise hohe Fallfestigkeit. Durch die erreichte Verringerung des Trägheitsmoments des mindestens einen Spulenträgers 12 (bezüglich der Drehachse 20) wird eine Belastung der mindestens einen Feder 18 bei einem Anstoßen/Aufprallen des jeweiligen mikromechanischen Bauteils verringert.
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6 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
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In einem Verfahrensschritt S1 werden mindestens ein Spulenträger und ein verstellbares Teil an einer Halterung angeordnet. Der Spulenträger und das verstellbare Teil werden miteinander und über mindestens ein Federelement mit der Halterung derart verbunden, dass das verstellbare Teil in Bezug zu der Halterung um zumindest eine Drehachse verstellbar an der Halterung aufgehängt wird.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S2 wird auch mindestens eine mittels des mindestens einen Spulenträgers gehaltene und Leiterbahnen aus mindestens einem elektrisch-leitfähigen Material umfassende Spulenwicklung an der (späteren) Halterung angeordnet. Dazu wird mindestens ein erster Teilabschnitt der mindestens einen Spulenwicklung an dem zugeordneten Spulenträger verankert. Während jedoch der mindestens eine erste Teilabschnitt der mindestens einen Spulenwicklung an dem zugeordneten Spulenträger verankert wird, wird mindestens ein in dem zugeordneten Spulenträger ausgebildeten Zwischenspalt von mindestens einen zweiter Teilabschnitt der gleichen Spulenwicklung als freitragender Teilabschnitt überspannt.
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Auch das hier beschriebene Herstellungsverfahren schafft die oben erläuterten Vorteile. Die Verfahrensschritte S1 und S2 können in beliebiger Reihenfolge, teilweise überschneidend oder gleichzeitig ausgeführt werden. Außerdem kann das Herstellungsverfahren gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen weitergebildet werden.
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Der mindestens eine Spulenträger kann z.B. aus einer 35 µm bis 50 µm dicken Halbleiterschicht herausstrukturiert werden. Zum Bilden der mindestens einen Spulenwicklung kann zuerst eine Schicht aus dem mindestens einen elektrischisolierenden Material (beispielsweise mit einer Höhe zwischen 3 bis 8 µm) abgeschieden werden. Anschließend können Gräben in die Schicht strukturiert werden, welche danach mit dem mindestens einen elektrisch leitfähigen Material der Leiterbahnen, wie beispielsweise Kupfer, befüllt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010064218 A1 [0002]
