DE102018216611A1

DE102018216611A1 - MEMS-Bauelement mit Aufhängungsstruktur und Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelementes

Info

Publication number: DE102018216611A1
Application number: DE102018216611.0A
Authority: DE
Inventors: Stephan Gerhard Albert; Franz Michael Darrer; Marcus Edward Hennecke; Hendrikus VAN LIEROP
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2018-05-22
Filing date: 2018-09-27
Publication date: 2019-11-28
Anticipated expiration: 2038-09-28
Also published as: CN110510567B; DE102018216611B4; DE102018010451B4; US11300778B2; US20190361223A1; CN110510567A

Abstract

Ein MEMS-Bauelement weist einen Körper, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, eine Halterung und eine Aufhängungsstruktur auf, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt. Die Aufhängungsstruktur weist ein Torsionselement, das die Schwenkachse definiert, sowie ein erstes und ein zweites Federelement auf, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert. Die Erstreckung des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ist größer als die Erstreckung des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf MEMS-Bauelemente (MEMS = mikroelektromechanisches System), die einen Körper aufweisen, der über eine Aufhängungsstruktur mechanisch mit einer Halterung gekoppelt ist, um sich um eine Schwenkachse zu schwenken, und auf Verfahren zum Herstellen entsprechender MEMS-Bauelemente.
Hintergrund der Erfindung
MEMS-Bauelemente wie zum Beispiel MEMS-Abtastspiegel werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt. MEMS-Bauelemente können einen Körper aufweisen, z. B. einen Spiegelkörper, der sich um zumindest eine Schwenkachse schwenkt, um eine gewünschte Wirkung zu erzielen, zum Beispiel um elektromagnetische Energie, sichtbares oder unsichtbares Licht beispielsweise in unterschiedliche Richtungen zu reflektieren. Beispielsweise können MEMS-Abtastspiegel beim Projizieren zweidimensionaler Bilder auf einen Bildschirm verwendet werden. MEMS-Abtastspiegel können auch in LIDAR-Anwendungen verwendet werden. LIDAR kann als Abkürzung für „Light Imaging, Detection, and Ranging“ (Lichtdetektion und -entfernungsmessung) oder als Kunstwort aus den Begriffen Licht und Radar betrachtet werden. Im Allgemeinen kann LIDAR als Vermessungsverfahren betrachtet werden, das den Abstand zu einem Ziel misst, indem das Ziel mit gepulstem Laserlicht beleuchtet und die reflektierten Pulse mit einem Sensor gemessen werden. MEMS-Abtastspiegel können für LIDAR in Automobilanwendungen verwendet werden. Im Allgemeinen können MEMS-Abtastspiegel für LIDAR-Anwendungen relativ große Abmessungen und große Abtastwinkel für eine hohe optische Leistung aufweisen. Zusätzlich dazu sollten derartige MEMS-Abtastspiegel eine hohe Robustheit aufweisen, d. h., sie sollten unempfindlich gegen Vibrationen und thermische Belastungen sein und geringe mechanische Beanspruchungen entwickeln. Es ist schwierig, einen Gestaltungs- und Herstellungsprozess zu finden, der diese Ziele erfüllt.
Um einen MEMS-Abtastspiegel robust gegen Vibrationen zu gestalten, sollte der Spiegel eine geringe Trägheit aufweisen, d. h. einen leichten und steifen Spiegelkörper. Darüber hinaus sollte der Spiegel eine hohe Steifigkeit seiner Aufhängung für alle Freiheitsgrade (DOF, Degrees-Of-Freedom) des Spiegelkörpers mit Ausnahme der gewünschten Schwingungsmode(n) aufweisen. Um einen leichten und steifen Spiegelkörper zu erhalten, kann der Spiegelkörper einen relativ dünnen Spiegel und eine dickere Verstärkungsstruktur für den Spiegel aufweisen. Der Spiegelkörper kann mechanisch mit einer Halterung, z. B. mit einem Spiegelrahmen, gekoppelt sein, um um eine Schwenkachse herum drehbar zu sein, d. h. um eine Drehachse. Die Schwenkachse kann sich zu einem ersten und einem zweiten gegenüberliegenden Endabschnitt des Spiegelkörpers erstrecken. Der Spiegel kann eine reflektierende Ebene auf einer ersten Hauptoberfläche aufweisen und kann gegenüber der ersten Hauptoberfläche eine zweite Hauptoberfläche aufweisen, die mit der Verstärkungsstruktur versehen ist.
Eine Art solcher MEMS-Bauelemente wird in Resonanz eines Freiheitsgrads (DOF) der Drehung um die Schwenkachse betrieben. Beispielsweise kann die x-Achse als die Schwenkachse betrachtet werden, d. h. Rx stellt die Drehung um die x-Achse dar. Solche MEMS-Bauelemente können mit einem elektrostatischen Kammantrieb angeregt werden. Zusätzlich zu dem gewünschten DOF, z. B. Rx, kann der Schwenkkörper eines MEMS-Bauelementes wie etwa einer MEMS-Abtastvorrichtung andere mechanische Freiheitsgrade und zugehörige ungewünschte Eigenmoden aufweisen: Tx, Ty, Tz, Ry, Rz, d. h. Translationen in x-, y- und z-Richtung und Drehungen um die y- und z-Achse. Für eine robuste Gestaltung ist es in der Regel wünschenswert, diese unerwünschten Moden zu unterdrücken, was einer Verschiebung auf hohe (Eigen-)Frequenzen mittels einer geeigneten Gestaltung gleichkommt.
Kurzdarstellung der Erfindung
Beispiele der vorliegenden Offenbarung sehen ein MEMS-Bauelement vor, das einen Körper, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, eine Halterung und eine Aufhängungsstruktur aufweist, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt. Die Aufhängungsstruktur weist ein Torsionselement, das die Schwenkachse definiert, sowie ein erstes und ein zweites Federelement auf, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert. Die Erstreckung des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ist größer als die Erstreckung des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung sehen ein MEMS-Bauelement vor, das einen Körper, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, eine Halterung und eine Aufhängungsstruktur aufweist, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt. Die Aufhängungsstruktur weist ein Torsionselement, das die Schwenkachse definiert, sowie ein erstes und ein zweites Federelement auf, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert. Die Aufhängungsstruktur weist eine Entlastungsverbindung auf, die zumindest das erste und das zweite Federelement oder das Torsionselement mechanisch mit der Halterung koppelt, wobei die Entlastungsverbindung dazu ausgebildet ist, eine Translation des ersten und des zweiten Federelementes oder des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse an deren Enden benachbart zu der Entlastungsverbindung zu ermöglichen.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung sehen ein MEMS-Bauelement vor, das einen Körper, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, eine Halterung und eine Aufhängungsstruktur aufweist, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt. Die Aufhängungsstruktur weist ein Torsionselement, das die Schwenkachse definiert, sowie ein erstes und ein zweites Federelement auf, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert. Das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement sind in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels gebildet.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen MEMS-Bauelemente, die eine Modentrennung zwischen einer gewünschten Schwingungsmode und unerwünschten Schwingungsmoden ermöglichen und die auf einfache Weise hergestellt werden können. Gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann eine ähnliche Modentrennung wie bei einer Blattfedergestaltung erzielt werden, indem eine spezifische Aufhängungsstruktur verwendet wird. Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen es, dass der Torsionsstab und die Federelemente der Aufhängungsstruktur in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Stapels aus Materialschichten gebildet werden.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen Verfahren zum Herstellen derartiger MEMS-Bauelemente.
Figurenliste
Beispiele der Offenbarung werden unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:

1 eine schematische Draufsicht auf ein Beispiel eines MEMS-Bauelementes zeigt, das eine Aufhängungsstruktur aufweist;
2 eine schematische Draufsicht auf ein Beispiel eines MEMS-Bauelementes zeigt, das zwei Aufhängungsstrukturen an zwei gegenüberliegenden Enden eines Körpers aufweist;
3 ein Beispiel einer Aufhängungsstruktur zeigt, bei der ein Schwenkkörper einen Vorsprung aufweist, mit dem ein Torsionsträger mechanisch gekoppelt ist;
4 ein Beispiel einer Aufhängungsstruktur zeigt, bei der eine Halterung einen Vorsprung aufweist, mit dem ein Torsionsträger mechanisch gekoppelt ist;
5A bis 5C schematische Unterseitenansichten einer Aufhängungsstruktur, die einen Torsionsstab aufweist, einer Aufhängungsstruktur, die V-Federn aufweist, und einer Aufhängungsstruktur zeigen, die eine Kombination aus einem Torsionsstab und V-Federn aufweist;
6A und 6B eine Unterseitenansicht und eine Querschnittsansicht eines MEMS-Spiegelbauelementes gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung zeigen;
7A und 7B eine Unterseitenansicht und eine Perspektivansicht einer Aufhängungsstruktur des MEMS-Spiegelbauelementes aus 6A und 6B zeigen;
8A und 8B eine perspektivische Draufsicht und eine perspektivische Unterseitenansicht des MEMS-Spiegelbauelementes aus 6A und 6B zeigen;
9 bis 14, 15A und 15B schematische Draufsichten auf beispielhafte Aufhängungsstrukturen gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigen;
16A bis 16C Flussdiagramme von Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelementes gemäß Beispielen der vorliegenden Offenbarung zeigen; und
17 ein Modentrennungsdiagramm zeigt, das eine Modentrennung eines Beispiels der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Ausführliche Beschreibung
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung ausführlich unter Verwendung der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist zu beachten, dass dieselben Elemente oder Elemente mit derselben Funktionalität mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind und dass eine wiederholte Beschreibung von Elementen, die mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, für gewöhnlich ausgelassen wird. Somit sind Beschreibungen, die für Elemente mit demselben oder ähnlichen Bezugszeichen bereitgestellt sind, untereinander austauschbar. In der folgenden Beschreibung ist eine Mehrzahl von Details dargelegt, um eine umfassendere Erläuterung von Beispielen der Offenbarung bereitzustellen. Jedoch ist es Fachleuten ersichtlich, dass Beispiele ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Bauelemente in der Form von Blockdiagrammen und nicht im Detail gezeigt, um Beispiele der vorliegenden Offenbarung nicht undeutlich darzustellen. Zusätzlich dazu können Merkmale der unterschiedlichen Beispiele der vorliegenden Offenbarung kombiniert werden, solange nichts Gegenteiliges angegeben ist.
Ein MEMS-Spiegelbauelement, bei dem ein Spiegelkörper durch zwei Torsionsstäbe an zwei gegenüberliegenden Enden davon gehalten wird, wird betrachtet. Die Torsionsstäbe erstrecken sich in der Richtung der Schwenkachse und definieren somit die Schwenkachse. Die Torsionsstäbe wirken außerdem als Biegebalken für die Ty- und Tz-Mode sowie für die Moden Rz und Ry. Ty und Tz können unterdrückt werden, indem die Länge L der Torsionsstäbe aufgrund der unterschiedlichen Skalierung der Biege- und Torsionssteifigkeit mit der Länge L verringert wird. Die Torsionssteifigkeit skaliert mit 1/L, während die Biegesteifigkeit mit 1/L³ skaliert. Da es jedoch nach oben hin Beschränkungen in Bezug auf die mechanische Belastung in den Torsionsstäben bei einem bestimmten Neigungswinkel gibt, können die Torsionsstäbe nicht willkürlich gekürzt werden. Wenn in der Praxis eine obere Grenze einer Belastung von beispielsweise 1,1 GPa festgelegt wird, werden die Torsionsstäbe eine Länge aufweisen, bei der Ty und Tz sehr nah an Rx sind, was in Bezug auf die Robustheit ungünstig ist.
Um eine Aufhängung mit hoher Steifigkeit zu erzielen und Moden unterschiedlicher DOF zu unterdrücken, kann der Spiegelkörper unter Verwendung der Torsionsstäbe als Haltebalken und sich senkrecht zu der Schwenkachse erstreckender zusätzlicher Blattfedern in dem Spiegelrahmen gehalten werden. Die Torsionsstäbe können durch schmale Torsionsstäbe mit einer geringen Breite in einer Richtung parallel zu einer Substratebene und senkrecht zu der Drehachse gebildet werden, um die Steifigkeit in Bezug auf Rx zu reduzieren. Solche schmalen Torsionsstäbe, die die Drehachse definieren, können die Moden Tz und Ry unterdrücken. Beim Blattfederprinzip wird eine Rückstellkraft hauptsächlich durch die Blattfedern bereitgestellt. Die Blattfedern führen eine Biegebewegung aus, wenn sich das Bauelement um die Schwenkachse, d.h. die x-Achse, schwenkt. Die Blattfedern ermöglichen es der Struktur, in Bezug auf Rz und Ty steif zu sein. Jedoch würden die Blattfedern allein die Steifigkeitskurve, d. h. das Rückstelldrehmoment im Vergleich zum Drehwinkel, stark nichtlinear gestalten, was zu ungünstigen Belastungsbedingungen führt. Außerdem wäre der maximal erzielbare Drehwinkel aufgrund der zunehmenden Steifigkeit beschränkt. Aus diesem Grund werden Entlastungsfedern im Allgemeinen dazu verwendet, die Enden der Blattfedern entfernt von dem Spiegelkörper mit dem Spiegelrahmen zu koppeln. Die Bereitstellung der Entlastungsfedern gestaltet die Struktur in Bezug auf Ty und Rz weicher, was im Hinblick auf Modentrennungsanforderungen ungünstig ist. Daher stellt die genaue Steifigkeit der Entlastungsfedern einen Gestaltungskompromiss zwischen Modentrennungsanforderungen und der notwendigen Reduktion der Nichtlinearität dar.
Im Allgemeinen kann die Begründung der Blattfedergestaltung darin liegen, die ungewünschten Dreh- und Translationsmoden zu höheren Frequenzen zu verschieben. Um eine zu hohe Steifigkeit in Bezug auf die gewünschte Mode (Drehung um die Schwenkachse) zu verhindern, ist die Dicke der Blattfedern in einer Richtung senkrecht zu der durch den Spiegelrahmen definierten Ebene kleiner als die Dicke der Haltebalken. Somit ist eine recht dünne Schicht bereitzustellen, um die Blattfedern zu bilden, da deren Steifheit mit t³ skaliert, wobei t die Dicke senkrecht zu der Substratebene ist, d. h. zu der Spiegelebene. Im Allgemeinen können die Spiegelstruktur, die Torsionsstäbe und die Blattfedern aufgrund der unterschiedlichen Dickenanforderungen nicht in derselben Schicht gebildet werden. Den Spiegelkörper in derselben Schicht wie die Blattfeder ohne eine zusätzliche Steifigkeitseinrichtung zu bilden, würde den Spiegelkörper zu weich gestalten, was sehr große dynamische Verformungen zur Folge hat. Auch die Torsionsstäbe können nicht in derselben Schicht wie die Blattfedern gebildet werden, da die Modenunterdrückung von Tz und Ry sich darauf stützt, dass ihre Dicke größer ist als die Dicke der Blattfedern. Für eine kapazitive (elektrostatische) Betätigung des Spiegelkörpers mit Kammantrieben skalieren die Antriebskapazität und somit die Energie, die pro Zyklus in den mechanischen Oszillator eingebracht werden kann, und somit der maximal erreichbare Drehwinkel ferner mit der Dicke des Kammantriebes. Um eine geeignete Antriebskapazität zu erzielen, ist im Vergleich zu den Blattfedern im Allgemeinen eine wesentlich größere Dicke des einen oder der mehreren Kammantriebe erforderlich. Somit erfordert die Blattfedergestaltung die Bildung unterschiedlicher Schichten für die Blattfedern einerseits und für andere Strukturen wie etwa den Kammantrieb, die schmalen Torsionsstäbe und die Steifigkeitsstruktur des Spiegelkörpers andererseits. Dieses gestaltet die Herstellung schwieriger, da im Allgemeinen mehr Prozessschritte erforderlich sind. Außerdem hat das Anbringen der dünnen Blattfedern an den Spiegelkörper einspringende Ecken mit Belastungssingularitäten zur Folge, welche die Zuverlässigkeit kompromittieren.
1 zeigt ein Beispiel eines MEMS-Bauelementes, das einen Körper 10, der sich um eine Schwenkachse A schwenkt, eine Halterung 20 und eine Aufhängungsstruktur 30 aufweist, die den Körper 10 mechanisch mit der Halterung 20 koppelt. Manchmal wird die Schwenkachse auch Drehachse genannt.
Im Allgemeinen kann das MEMS-Bauelement in einem Substrat gebildet werden. Eine Substratebene kann als parallel zu zumindest einer Hauptoberfläche des Substrates oder zu zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen des Substrates definiert sein. Die Hauptoberflächen des Substrates sind die Oberflächen, die durch die Oberflächen definiert sind, die größere Flächen aufweisen als Oberflächen, die die Hauptoberflächen verbinden. Im Allgemeinen können eine x-Richtung und eine y-Richtung in einem dreidimensionalen Koordinatensystem in der Substratebene liegen und eine z-Richtung kann senkrecht zu der Substratebene verlaufen. Die Schwenkachse kann zu der Substratebene parallel sein. Im Fall eines MEMS-Spiegelbauelementes kann eine Spiegelebene eines Spiegels des MEMS-Spiegelbauelementes in einem nicht-ausgelenkten Zustand des Spiegels parallel zu der Substratebene sein.
Das MEMS-Bauelement kann eine einzelne Aufhängungsstruktur 30 aufweisen, die einen Abschnitt des Schwenkkörpers 10 mechanisch mit der Halterung 20 koppelt, wie in 1 gezeigt ist. Bei Beispielen kann das MEMS-Bauelement eine Mehrzahl von Aufhängungsstrukturen aufweisen, die unterschiedliche Abschnitte des Schwenkkörpers mechanisch mit der Halterung koppeln. 2 zeigt ein Beispiel, bei dem zwei gegenüberliegende Enden des Schwenkkörpers 10 über die Aufhängungsstrukturen 30 mechanisch mit der Halterung 20 gekoppelt sind. Die Halterung 20 kann einen Rahmen aufweisen, wie in 2 gezeigt ist. Die Aufhängungsstruktur 30 auf beiden Seiten des Körpers 10 kann in Bezug auf eine Symmetrieebene senkrecht zu der Schwenkachse A symmetrisch sein.
Bei Betrieb des MEMS-Bauelementes wird der Schwenkkörper 10 dahin gehend angetrieben, um die Schwenkachse A zu schwingen, Ein Antrieb, z. B. ein Kammantrieb, kann an dem Antriebskörper 10 bereitgestellt sein. Der Antrieb kann erste Antriebsstrukturen, z. B. erste Kammelektroden, an dem Schwenkkörper 10 sowie zweite Antriebsstrukturen, z. B. Kammelektroden, an der Halterung 20 aufweisen. Antriebssignale können an den Antrieb angelegt werden, um zu bewirken, dass der Schwenkkörper 10 um die Schwenkachse A schwingt.
3 und 4 zeigen Beispiele von Aufhängungsstrukturen und können dahin gehend betrachtet werden, Vergrößerungen von Bereichen V in 1 und 2 darzustellen.
Ein Beispiel einer Aufhängungsstruktur 30a gemäß der vorliegenden Offenbarung ist in 3 gezeigt. Die Aufhängungsstruktur 30a weist ein Torsionselement 50, ein erstes Federelement 52 und ein zweites Federelement 54 auf. Ein erstes Ende jedes Federelementes 52, 54 ist mechanisch mit dem Körper 10 gekoppelt und ein zweites Ende jedes Federelementes 52, 54 ist mechanisch mit der Halterung 20 gekoppelt. Ein erstes Ende des Torsionsstabes 50 ist mechanisch mit einem Vorsprung 60 des Körpers 10 gekoppelt. Der Vorsprung 60 steht von dem Körper 10 zu der Halterung 20 hin hervor. Ein zweites Ende des Torsionsstabes 50 ist mechanisch mit der Halterung 20 gekoppelt. Die Form des Vorsprunges 60 kann an die Konfiguration der Federelemente 52, 54 angepasst werden. Der Vorsprung 60 kann eine Form aufweisen, die sich in der Richtung der Schwenkachse ändert, beispielsweise eine Form, die in der Richtung der Schwenkachse enger wird. Bei einigen Beispielen kann der Vorsprung 60 eine Form mit zumindest einer Oberfläche aufweisen, die im Wesentlichen parallel zu der Erstreckung eines Federelementes der Federelemente 52, 54 ist. Beispielsweise kann der Vorsprung 60 ein Trapez sein, wie gezeigt ist. Der Vorsprung 60 kann es ermöglichen, dass der Torsionsstab 50 gekürzt werden kann. Es ist zu beachten, dass der Vorsprung 60 viel massiver als der Torsionsstab 50 ist, da der Vorsprung 60 eine wesentlich größere Erstreckung in der Richtung senkrecht zu der Schwenkachse aufweist als der Torsionsstab 50. Somit ist der Vorsprung 60 im Vergleich zu dem Torsionsstab 50 im Wesentlichen torsionsfrei.
Das Torsionselement oder die Torsionselemente definiert/definieren die Schwenkachse. Bei Beispielen weist das Torsionselement 50 einen länglichen Schwenkstab auf. Bei Beispielen weist das Torsionselement 50 eine Mehrzahl von länglichen Schwenkstäben auf, die sich parallel zueinander erstrecken können. Bei Beispielen kann/können der Torsionsstab oder die Torsionsstäbe kollinear zu der Schwenkachse A sein. Bei Beispielen erstreckt sich das Torsionselement im Wesentlichen in der Richtung der Schwenkachse. Wenn sich das Torsionselement im Wesentlichen in der Richtung der Schwenkachse erstreckt, liegt die Richtung der größten Abmessung des Torsionselementes hauptsächlich in der Richtung der Schwenkachse, d. h. ein Winkel zwischen der Richtung der größten Abmessung des Torsionselementes und der Schwenkachse bis zu 45 ° beträgt, jedoch nicht mehr. Bei Beispielen kann der Winkel wesentlich geringer als 45° sein, beispielsweise höchstens 10° oder höchstens 2°. Parallele Torsionselemente oder Torsionselemente mit einem geringen Winkel ermöglichen es, eine nichtplanare Biegung für Rx zu vermeiden oder zu reduzieren. Bei Beispielen kann das Torsionselement Torsionsstäbe in einer V-Anordnung aufweisen, so dass ein Winkel zwischen der Richtung der größten Abmessung jedes Torsionsstabes und der Schwenkachse geringer als 45° ist. Bei solchen Beispielen kann die Schwenkachse durch die Halbierungslinie zwischen den Torsionsstäben definiert sein. Bei Beispielen kann sich die V-Form einer solchen V-Anordnung eines Torsionselementes zu einer Richtung hin erstrecken, die der Richtung gegenüberliegt, in der sich eine V-Form des ersten und des zweiten Federelementes öffnet.
Das erste und das zweite Federelement 52 und 54 erstrecken sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes 50, so dass sich ein Abstand zwischen denselben in der Richtung der Schwenkachse A ändert. Bei dem gezeigten Beispiel ist ein Abstand zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes 52 und 54 näher an dem Körper 10 größer als ein Abstand zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes 52, 54 näher an der Halterung 20. Bei dem gezeigten Beispiel weisen das erste und das zweite Federelement 52 und 54 gerade Federstäbe auf, die in einer V-Form angeordnet sind. Bei Beispielen können die Federelemente Federstäbe mit ersten und zweiten Abschnitten aufweisen, wobei die ersten Abschnitte sich parallel zueinander erstrecken und sich die zweiten Abschnitte derart erstrecken, dass sich der Abstand dazwischen in der Richtung der Schwenkachse ändert. Bei solchen Beispielen können die Federstäbe in einer Y-Form angeordnet sein.
Eine erste Erstreckung d1 der Federelemente 52, 54 in der Richtung der Schwenkachse kann größer sein als eine zweite Erstreckung d2 der Federelemente 52, 54 in einer Richtung senkrecht zu der Schwenkachse. Bei Beispielen sind die Federelemente 52, 54 oder zumindest Abschnitte davon stabförmig und ein Winkel zwischen der Längsrichtung der stabförmigen Federelemente oder der stabförmigen Abschnitte der Federelemente kann in der Größenordnung von 5° bis 30° oder in der Größenordnung 5° bis 25° liegen. Bei Beispielen kann der Winkel in der Größenordnung von 10° bis 20° liegen. Somit kann bei Beispielen ein Winkel zumindest zwischen den stabförmigen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Größenordnung von 10° bis 60° oder in der Größenordnung von 10° bis 50° liegen, und bei Beispielen kann ein Winkel zumindest zwischen den Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Größenordnung von 20° bis 40° liegen.
Die Erstreckung des ersten und des zweiten Federelementes 52 und 54 in der Richtung der Schwenkachse A ist größer als die Erstreckung des Torsionselementes 50 in der Richtung der Schwenkachse. Die Erstreckung eines jeweiligen Elementes in der Richtung der Schwenkachse ist die Projektion des jeweiligen Elementes auf die Schwenkachse A, d. h. die Länge des Elementes multipliziert mit dem Kosinus des Winkels zwischen dem Element und der Schwenkachse.
4 zeigt ein weiteres Beispiel einer Aufhängungsstruktur 30b, bei der die Halterung 20 einen Vorsprung 62 aufweist, mit dem das zweite Ende des Torsionsstabes 50 mechanisch gekoppelt ist. Der Vorsprung 62 erstreckt sich von der Halterung 20 zu dem Körper 10. Die Form des Vorsprunges 62 kann an die Konfiguration der Federelemente 52, 54 angepasst sein und kann trapezförmig sein, wie in 4 gezeigt ist.
Das erste und das zweite Ende des Torsionselementes 50 und das erste und das zweite Ende der Federelemente 52, 54 können jeweils an dem Körper 10 und der Halterung 20 befestigt sein. Bei Beispielen kann die Aufhängungsstruktur eine Entlastungsverbindung aufweisen, die die zweiten Enden des ersten und des zweiten Federelementes oder das zweite Ende des Torsionselementes oder die zweiten Enden des ersten und des zweiten Federelementes und des Torsionselementes mechanisch mit der Halterung koppelt. Die Entlastungsverbindung kann dazu ausgebildet sein, eine Translation zumindest des ersten und des zweiten Federelementes oder des zweiten Endes des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse an deren Enden benachbart zu der Entlastungsverbindung zu ermöglichen. Bei derartigen Beispielen muss die Erstreckung des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse nicht größer sein als die des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse.
Bei Beispielen sind zumindest das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels gebildet. Demgemäß können Beispiele auf einfache Weise hergestellt werden. Bei derartigen Beispielen müssen die Erstreckungen des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse nicht größer sein als die des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse.
Bei Beispielen weist das MEMS-Bauelement einen Antrieb auf, und eine Antriebsstruktur eines Körpers ist in derselben Materialschicht oder denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels wie das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement gebildet. Bei Beispielen ist das MEMS-Bauelement ein MEMS-Spiegelbauelement und ein Spiegel des MEMS-Spiegelbauelementes ist in derselben Materialschicht oder denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels wie das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement gebildet. Bei Beispielen weist das MEMS-Spiegelbauelement eine Versteifungsstruktur, die den Spiegel versteift, und einen Vorsprung auf, mit dem das Torsionselement mechanisch gekoppelt ist.
Bei Beispielen ist die Aufhängungsstruktur oder sind die Aufhängungsstrukturen in Bezug auf die Schwenkachse symmetrisch gebildet, um das Oszillationsverhalten des schwenkbaren Körpers zu verbessern. Bei Beispielen ist das Torsionselement durch einen Torsionsstab gebildet. Bei Beispielen ist das Torsionselement durch eine Mehrzahl von Torsionsstäben gebildet, die sich parallel zueinander erstrecken können. Bei Beispielen sind das erste und das zweite Federelement durch einen Federstab gebildet. Bei Beispielen kann das erste Federelement eine Mehrzahl von Federstäben aufweisen, die sich parallel zueinander erstrecken können. Bei Beispielen kann das zweite Federelement eine Mehrzahl von Federstäben aufweisen, die sich parallel zueinander erstrecken können.
Bei Beispielen ist eine Mindestbreite von einem Torsionsstab oder von Torsionsstäben des Torsionselementes geringer als eine Mindestbreite von Torsionsstäben des ersten und des zweiten Federelementes.
Wie hierin verwendet, kann der Begriff „Stab“ sich im Allgemeinen auf ein längliches Element beziehen, das eine Länge in der Längsrichtung, eine Breite senkrecht zu der Längsrichtung und eine Dicke senkrecht zu der Längsrichtung und zu der Breitenrichtung aufweist. In der vorliegenden Beschreibung können die Längenrichtung und die Breitenrichtung im Allgemeinen parallel zu der Substratebene verlaufen, und die Dickenrichtung kann senkrecht zu der Substratebene verlaufen.
Bei Beispielen sind der Körper und die Aufhängungsstruktur derart gestaltet, dass Translationsoszillationen und Rotationsoszillationen um Achsen senkrecht zu der Schwenkachse Resonanzfrequenzen aufweisen, die sich von harmonischen Frequenzen der Resonanzfrequenz der Rotationsoszillation um die Schwenkachse unterscheiden. Die Translation DOF Tx wird bei Beispielen relevant, in denen die Aufhängungsstruktur eine Entlastungsverbindung aufweist. Bei Beispielen ohne Entlastungsverbindungen wird die Struktur in Bezug auf Translationsoszillationen Tx steif sein, das heißt, Oszillationen sind auf sehr hohe Frequenzen verschoben.
Im Folgenden werden Beispiele der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf MEMS-Spiegelbauelemente beschrieben. Es ist zu beachten, dass sich andere Beispiele auf andere MEMS-Bauelemente beziehen können, die einen Körper aufweisen können, der sich um eine Schwenkachse schwenkt. Bei Beispielen kann sich der Körper schwenken, um auf ein Fluid einzuwirken, z. B. um einen Lüftereffekt zu erzielen, oder um einen Fluidweg zu öffnen oder zu schließen.
Hierin beschriebene Beispiele erzielen eine ähnliche Modentrennung wie bei einer Blattfedergestaltung, ohne jedoch Blattfedern zu verwenden, so dass für alle Federn, den Spiegel und den Kammantrieb eine Dicke verwendet werden kann. Eine zusätzliche Verstärkungsschicht zur Implementierung einer dicken Spiegelversteifungsstruktur kann verwendet werden. Die Modentrennung kann durch die Kombination aus V-Federn und kurzen schmalen Torsionsstäben realisiert werden. Der Begriff V-Feder wird hier zur Bezeichnung einer Federstruktur verwendet, die zumindest zwei Federelemente aufweist, die derart angeordnet sind, dass zumindest Abschnitte davon die zwei Striche des Buchstaben V bilden.
5A zeigt eine Aufhängungsstruktur, die einen einfach konstruierten Torsionsstab 50' aufweist. Der Torsionsstab 50' ist an einem ersten Ende desselben an einem Kopplungsabschnitt 68 des Spiegelkörpers 10 befestigt. Der Spiegelkörper 10 weist eine Kammantriebsstruktur 70 auf. Ein zweites Ende des Torsionsstabes 50' stellt einen Anker 72 dar, der an einer Halterung befestigt ist. Bei der Aufhängungsstruktur, die einen einfach konstruierten Torsionsstab aufweist, stehen alle anderen Moden mit der Rx-Mode in Wettbewerb, insbesondere die Ty- und Tz-Mode, da der Torsionsstab als Biegebalken für Ty und Tz agiert. Diese Struktur hat somit eine schlechte Modentrennung zur Folge.
5B zeigt eine Aufhängungsstruktur, die eine V-Feder-Gestaltung aufweist. Ein erster und ein zweiter Federstab 52' und 54' erstrecken sich in einem Winkel relativ zu der Schwenkachse (x-Achse), so dass sich der Abstand zwischen den Federstäben an ersten Enden derselben von dem Abstand zwischen den Federstäben an zweiten Enden derselben unterscheidet. Die ersten Enden der Federstäbe 52', 54' sind an einem Kopplungsabschnitt des Spiegelkörpers 10 befestigt und die zweiten Enden der Federstäbe 52', 54' sind über einen Anker 72 an einer Halterung befestigt. Die V-Federn weisen den Effekt auf, die Ty-Mode und die Rz-Mode zu unterdrücken. Jedoch können die V-Federn die Tz-Mode und die Ry-Mode nicht unterdrücken.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung kombinieren V-Federn und einen kurzen schmalen Torsionsstab, um alle Moden Ty, Rz, Tz und Ry zu unterdrücken. Das Ergebnis einer solchen Kombination ist in 5C gezeigt und weist einen kurzen Torsionsstab 50 sowie einen ersten und einen zweiten V-Federstab 52, 54 auf. Ein erstes Ende des Torsionsstabes 50 ist an einem Kopplungsvorsprung 60 des Körpers 10 befestigt und ein zweites Ende des Torsionsstabes 50 ist an einer Halterung befestigt, z. B. über einen Anker 72. Erste Enden der Federstäbe 52, 54 sind an dem Körper 10 befestigt und zweite Enden der Federstäbe 52, 54 sind an der Halterung befestigt, z. B. über den Anker 72. Wie in 5C gezeigt ist, können die zweiten Enden des Torsionsstabes 50 und der Federstäbe 52, 54 durch den Anker 72 gekoppelt sein. Auch eine Versteifungsstruktur 74 des Körpers 10 ist in 5C angezeigt. Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung ist der Torsionsstab 50 kurz und schmal, d. h. kürzer als die V-Federn in der Richtung der Schwenkachse und schmaler als die V-Federn. Bei Beispielen ist die Dicke des Torsionsstabes 50 gleich groß wie die Dicke der Federstäbe 52, 54. 5C zeigt eine einzelne Aufhängungsstruktur an einem Ende des Körpers 10. Im Allgemeinen ist bei Beispielen ein Paar entsprechender Aufhängungsstrukturen bereitgestellt, eine an jeder Seite des Körpers.
Unter Verwendung solch einer Kombination aus einer V-Feder und einem Torsionsstab können die Moden Ty und Rz unterdrückt werden, da die V-Feder für diese Moden nicht nur durch eine Biegekomponente belastet wird, sondern auch durch eine Zugkomponente. Die V-Feder ist in Bezug auf die Zuglastkomponente sehr steif.
Die Unterdrückung von Tz und Ry durch den schmalen kurzen Torsionsstab beziehungsweise die Torsionsstäbe tritt aufgrund der Tatsache auf, dass die Torsionsstäbe für diese Moden als Biegebalken agieren. Aufgrund ihrer kurzen Länge L (Steifigkeit ~ 1/L³) und ihrer großen z-Richtung-Dicke t (z. B. 55 µm, Steifigkeit ~ t³ ) sind sie in Bezug auf nichtplanares Biegen sehr steif. Im Gegensatz dazu sind die Torsionsstäbe in Bezug auf die gewünschte Ry-Mode sehr weich, da die Breite derselben im Wesentlichen geringer ist als die Dicke derselben, z. B. zumindest 10-mal geringer als die Dicke derselben. Die niedrige planare Breite (z. B. 4 µm) der Torsionsstäbe reduziert deren Torsionsfederkonstante. Dies liegt daran, dass für einen Torsionsstab mit einem hohen Aspektverhältnis des Querschnittsrechteckes die lange Seite t (Dicke) des Querschnittsrechteckes im Wesentlichen linear für die Steifigkeit zählt, d. h. ~ t, jedoch die kurze Seite w (Breite) im Wesentlichen kubisch zählt, d. h. ~ w³ . Ferner zählt die Länge als 1/L für die Drehsteifigkeit. Aus diesem Grund fügt das Kürzen eines Torsionsstabes sehr viel mehr Steifigkeit zu den Moden Tz und Ry hinzu, als dieses Drehsteifigkeit zu Rx hinzufügt.
Somit hilft bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung das Reduzieren der Länge des Torsionsstabes im Vergleich zu der Länge der V-Federn dabei, die Modentrennung zu erhöhen.
Bei Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann das Anpassen der Form des Vorsprunges 60 dazu verwendet werden, die Masse des Schwenkkörpers anzupassen. Dies kann dazu genutzt werden, Resonanzfrequenzen unerwünschter störender Oszillationsmoden zu verschieben, damit dieselben nicht mit Harmonischen der Resonanzfrequenz der gewünschten Mode überlappen.
Ein Beispiel eines MEMS-Spiegelbauelementes gemäß der vorliegenden Offenbarung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf 6 bis 8 beschrieben, wobei 6A und 6B eine schematische Unterseitenansicht und eine schematische Seitenansicht eines MEMS-Spiegelbauelementes zeigen, 7A und 7B eine schematische Unterseitenansicht und eine Perspektivansicht einer Aufhängungsstruktur des MEMS-Spiegelbauelementes zeigen und 8A und 8B eine perspektivische Draufsicht und Unterseitenansicht des MEMS-Spiegelbauelementes zeigen.
Das MEMS-Spiegelbauelement weist einen Schwenkspiegelkörper 10, zwei Aufhängungsstrukturen 30 und eine Halterung 20 auf. Bei einigen der Figuren ist die Halterung 20 als Anker gezeigt, es ist jedoch zu beachten, dass der Anker ein Teil einer Halterungsstruktur sein kann, zum Beispiel eines Halterungsrahmens, der in einem Substrat gebildet ist. Der Spiegel 10 ist über die Aufhängungsstrukturen 30 an gegenüberliegenden Seiten desselben entlang der Schwenkachse A mit der Halterung 20 gekoppelt.
Der Spiegelkörper 10 weist einen Spiegel 100 und einen Spiegelträger 102 auf, wobei der Spiegelträger 102 am besten in 8B gezeigt ist. Das MEMS-Spiegelbauelement kann ferner einen Rahmen (in 6 bis 8 nicht gezeigt) aufweisen, wobei der Spiegelkörper und der Rahmen in einem Substrat gebildet sein können und wobei der Spiegelkörper in dem Rahmen angeordnet sein kann. Das Substrat (oder der Rahmen) kann eine Ebene definieren, d. h. die (x-, y-)Ebene in 6A. Die durch das Substrat definierte Ebene kann zu Ebenen parallel verlaufen, die durch Hauptoberflächen des Substrates definiert sind. Das Substrat kann eine Mehrzahl von Schichten aufweisen, in denen der Spiegelkörper, die Aufhängungsstrukturen und der Rahmen gebildet sind.
Der Spiegelkörper 10 ist um die Schwenkachse A drehbar. Die Schwenkachse A erstreckt sich parallel zu der Substratebene. Wie am besten in 8A und 8B gezeigt ist, kann der Spiegelträger 102 einen länglichen Halterungsstab 104 umfassen, der sich entlang der Schwenkachse A erstreckt. Der Halterungsstab 104 kann von dem Spiegel 100 auf beiden Seiten desselben in der Richtung der Schwenkachse A hervorstehen. Abschnitte des Halterungsstabes 104, die von dem Spiegel 100 hervorstehen, erstrecken sich unter Vorsprüngen 60 des Spiegelkörpers. Ferner kann der Spiegelträger 102 Verstärkungsbalken 106 umfassen. Ein erstes Paar von Verstärkungsbalken 106 kann sich von einem ersten Endabschnitt des Spiegels 100 in entgegengesetzte Richtungen weg von der Schwenkachse A erstrecken. Ein zweites Paar von Verstärkungsbalken 106 kann sich von einem gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt des Spiegels 100 in entgegengesetzte Richtungen weg von der Schwenkachse A erstrecken. Die Verstärkungsbalken 106 des ersten Paares können sich zu entsprechenden des zweiten Paares erstrecken.
Der Spiegel 100 kann auf dem Spiegelträger 102 gebildet sein. Bei einem anderen Beispiel kann der Spiegel 100 an dem Spiegelträger 102 angebracht sein. Die Fläche des Spiegels 100, die dem Spiegelträger 102 gegenüberliegt, definiert eine Spiegelebene des Spiegels 100. Es ist Fachleuten ersichtlich, dass die Form des Spiegels 100 und des Spiegelträgers 102 unabhängig sind und jegliche Form einnehmen können, die für eine bestimmte Anwendung erwünscht ist, z. B. ein Kreis, eine Ellipse, ein Viereck, ein Rechteck oder eine andere Form.
Das MEMS-Spiegelbauelement kann auch zumindest ein Betätigungsbauglied umfassen, um dem Spiegelkörper 10 um die Schwenkachse A herum ein Drehmoment bereitzustellen. Bei einem Beispiel kann das Betätigungsbauglied Spiegelkammantriebsstrukturen 70 umfassen, die an dem Spiegelkörper 10 angebracht sind. Die Spiegelkammantriebsstrukturen 70 können mit Halterungskammantriebsstrukturen verschachtelt sein, die an der Halterung angebracht sind, z. B. ein Rahmen, der den Schwenkspiegelkörper hält. Das Anlegen einer Differenz eines elektrischen Potenzials zwischen den verschachtelten Spiegelkammantriebsstrukturen und Halterungskammantriebsstrukturen kann eine Antriebskraft zwischen den Spiegelkammantriebsstrukturen und den Halterungskammantriebsstrukturen erzeugen, welche ein Drehmoment um die Schwenkachse A herum auf den Spiegelkörper 10 erzeugen kann. Ein oszillierendes elektrisches Potenzial kann angelegt werden, um das Spiegelbauelement auf seiner Eigenfrequenz anzusteuern. Bei anderen Beispielen können Betätigungsverfahren eine elektromagnetische Betätigung und eine piezoelektrische Betätigung umfassen.
Wie am Besten in 7A und 7B gezeigt ist, weist jede der Aufhängungsstrukturen 30 ein Torsionselement 150 sowie ein erstes und ein zweites Federelement 52, 54 auf. Bei dem vorliegenden Beispiel weist das Torsionselement zwei Torsionsstäbe 150a und 150b auf, die sich parallel zueinander erstrecken. Erste Enden der Torsionsstäbe 150a, 150b sind mechanisch mit dem Vorsprung 60 gekoppelt. Zweite Enden der Torsionsstäbe 150a, 150b sind mechanisch mit der Halterung 20 gekoppelt. Die Torsionsstäbe 150a, 150b erstrecken sich parallel zu der Schwenkachse A. Wie oben ausführlich erläutert ist, erstrecken sich die Federelemente 52, 54 mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse A, um eine V-Feder zu bilden.
Wie in 6B gezeigt ist, können die Strukturen des Spiegelkörpers 10 in einem Substrat gebildet sein, das einen Stapel an Schichten aufweist. Ein erster Teilstapel 160 und ein zweiter Teilstapel 162 sind in 6B gezeigt. Alle Strukturen außer dem Spiegelträger 102 sind in dem ersten Teilstapel gebildet und der Spiegelträger 102 ist in dem zweiten Teilstapel gebildet. Jeder Teilstapel 160 und 162 kann durch eine oder mehrere Materialschichten gebildet sein. Bei Beispielen kann der erste Teilstapel 160 zwei Siliziumschichten und eine dielektrische Schicht, zum Beispiel ein Oxid, zwischen den Siliziumschichten aufweisen. Alle Strukturen des Spiegelkörpers außer dem Spiegelträger (Versteifungsstruktur) sind in denselben Schichten des Teilstapels 160 gebildet. Bei Beispielen kann der zweite Teilstapel 162 eine einzelne Siliziumschicht umfassen, in der der Spiegelträger 102 gebildet ist.
Bei Beispielen können Strukturen der Halterung 20 in demselben Substrat wie der Spiegelkörper gebildet sein. Bei Beispielen kann die Halterung 20 einen Halterungsrahmen aufweisen. Der Halterungsrahmen kann eine Spiegelausnehmung definieren, in der der Spiegelkörper 10 angeordnet ist. Die Spiegelausnehmung kann durch eine Ausnehmungsperipherie des Halterungsrahmens definiert sein.
Bei dem gezeigten Beispiel weist das Torsionselement 150 zwei Torsionsstäbe auf. Die Verwendung von zwei Torsionsstäben anstelle eines Torsionsstabes derselben Breite ermöglicht es, die Steifigkeit des Torsionselements zu verdoppeln, insbesondere für die unerwünschten Moden Tz und Ry, jedoch nicht nur für diese, während sich die Belastung in Bezug auf eine Drehung um die Schwenkachse (Mode Rx) in den einzelnen Torsionsstäben nicht wesentlich erhöht und sich insbesondere nicht verdoppelt. Somit kann eine erhöhte Steifigkeit in Bezug auf die unerwünschte Translationsmode Tz und die unerwünschte Drehmode Ry erhalten werden, ohne die Struktur in Bezug auf eine Drehung um die Schwenkachse (erwünschte Mode Rx) wesentlich zu versteifen, da ihre Rx-Steifigkeit durch die V-Federn dominiert wird. Bei anderen Beispielen können die Torsionselemente eine unterschiedliche Anzahl an Torsionsstäben aufweisen, zum Beispiel drei oder vier. Kurze schmale Torsionsstäbe, die parallel angeordnet sind, sind in Bezug auf die Biegung in der z-Richtung im Vergleich zur Torsion viel steifer. Somit kann das Hinzufügen von kurzen schmalen Torsionsstäben die Tz- und Ry-Moden unterdrücken, während die Mode Rx kaum beeinflusst wird, wie oben erläutert ist.
17 zeigt ein Modentrennungsdiagramm, das eine Modentrennung zeigt, die durch das oben in Bezug auf 6 bis 8 beschriebene Beispiel der vorliegenden Offenbarung erhalten wird. 17 zeigt eine Modentrennung über die Frequenz in kHz hinweg, wobei die erste und die zweite Linie von unten eine Modentrennung bekannter Ansätze unter Verwendung von Blattfedern zeigen, die dritte Linie von unten eine Modentrennung im Fall von Torsionsstäben ohne V-Federn zeigt, die vierte Linie von unten eine Modentrennung im Fall von V-Federn ohne Torsionsstäbe zeigt, und die oberste Linie eine Modentrennung im Fall von V-Federn und kurzen schmalen Torsionsstäben zeigt. Es ist ersichtlich, dass Beispiele der vorliegenden Offenbarung eine beträchtlich bessere Trennung zwischen der Rx-Mode und der Rz-Mode ermöglichen als bekannte Blattfedergestaltungen. Die Trennung kann ferner durch eine Anpassung der Masseverteilung des Schwenkkörpers optimiert werden.
Im Vergleich zu Belastungswerten in bekannten Ansätzen unter Verwendung von Blattfedern haben Simulationen gezeigt, dass eine solche verbesserte Modentrennung erzielt werden kann, ohne die Belastung in den Torsionsstäben und den V-Federn bei einem Maximalablenkungswinkel zu erhöhen. Im Einzelnen treten gemäß hierin beschriebenen Ansätzen keine Belastungssingularitäten aufgrund von einspringenden Ecken an den Enden der Blattfeder auf (Blattfederbasis und Blattfederkopf). Hier bezeichnet eine einspringende Ecke eine scharfe Ecke mit einem Winkel, der über mehr als 180° reicht, in dem Material, welches das MEMS-Bauelement ausbildet. Somit kann eine Zuverlässigkeit erhöht werden.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung ermöglichen eine vereinfachte Verarbeitung und Handhabung, da keine zusätzliche Verarbeitung von dünnen Schichten zum Erzeugen von Blattfedern erforderlich ist. Ferner sind im Gegensatz zu Blattfederansätzen keine Belastungssingularitäten aufgrund von um 90° einspringenden Ecken vorhanden. Im Vergleich zu einer Modentrennung, die mit Blattfederansätzen erhalten werden kann, ermöglichen Beispiele zusätzlich dazu eine bessere Modentrennung.
Alternative Beispiele von Aufhängungsstrukturen sind im Folgenden unter Bezugnahme auf 9 bis 15 beschrieben. Im Folgenden sind Unterschiede zwischen den jeweiligen Aufhängungsstrukturen hervorgehoben und eine Wiederholung ähnlicher oder identischer Merkmale ist ausgelassen.
Bei dem in 7A gezeigten Beispiel sind die zweiten Enden der parallelen Torsionsstäbe 150a und 150b und der eine V-Feder bildenden Blattfedern 52, 54 an der Halterung 20 befestigt, z. B. an dem Halterungsrahmen. Bei dem in 9 gezeigten Beispiel sind die parallelen Torsionsstäbe 150a, 150b und die eine V-Feder bildenden Blattfedern 52, 54 an einem Anker 172 befestigt und der Anker 172 ist über eine Entlastungsverbindung 174 mechanisch mit einer Halterung 20 gekoppelt, z. B. mit einem Halterungsrahmen. Die Entlastungsverbindung 174 kann eine Anzahl von Entlastungsfederstäben aufweisen, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Schwenkachse A erstrecken. Erste Enden der Entlastungsfederstäbe sind an dem Anker 172 befestigt und zweite Enden der Entlastungsfederstäbe sind an der Halterung 20 befestigt. Die Entlastungsverbindung 174 ist dazu ausgebildet, eine Translation der Enden der Torsionsstäbe 150a, 150b und der Federstäbe 52, 54 zu ermöglichen, die sich in der x-Richtung nahe an der Halterung befinden. Somit dient die Entlastungsverbindung 174 dazu, eine Beanspruchung wie zum Beispiel eine thermische Beanspruchung in der x-Richtung zu kompensieren. Genauer gesagt kann die Entlastungsverbindung dazu ausgebildet sein, thermische Beanspruchungseffekte, z. B. eine Dehnung des Spiegelkörpers aufgrund von Temperaturunterschieden, zu kompensieren, die sonst eine Ausbeulung zur Folge haben könnten. Sie kann außerdem externe Belastungen von auf den Rahmen wirkenden Kräften kompensieren und auch in solch einer Situation eine Ausbeulung verhindern.
10 zeigt ein Beispiel einer Aufhängungsstruktur, die ein Torsionselement 150 mit drei Torsionsstäben 150a, 150b, 150c aufweist, welche parallel zueinander angeordnet sind. Wie gezeigt ist, sind die Torsionsstäbe 150a, 150b, 150c und die Federstäbe 52, 54 an einem Anker 172 befestigt. Der Anker 172 kann an einer Halterung befestigt sein oder kann Teil einer Halterung sein. Alternativ dazu kann der Anker 172 über eine Entlastungsverbindung mit einer Halterung gekoppelt sein, wie in 9 gezeigt ist.
11 zeigt ein Beispiel einer Aufhängungsstruktur, die das Torsionselement 150 mit zwei Torsionsstäben aufweist und die Federelemente 152 und 154 aufweist, die jeweils erste und zweite Federstäbe 152a, 152b bzw. 154a, 154b aufweisen. Somit können die Federstäbe als in einer doppelten V-Anordnung angeordnet betrachtet werden, wobei die Federstäbe 152a, 154b ein erstes V bilden und die Federstäbe 154a, 152b ein zweites V bilden. Eine Unterdrückung der unerwünschten Ty- und Rz-Mode kann unter Verwendung von Federelementen verbessert werden, die eine Mehrzahl von Federstäben umfassen, welche parallel zueinander angeordnet sein können. Zusätzlich dazu kann eine Doppel-V-Feder-Gestaltung das Rückstelldrehmoment für die Rx-Mode ohne eine signifikante Erhöhung der mechanischen Belastung in einem einzelnen Federstab ungefähr verdoppeln.
12 bis 15 zeigen unterschiedliche Beispiele, wie eine mechanische Koppelung der Aufhängungsstrukturen an dem Körper und der Halterung erzielt werden kann.
Gemäß 12 weist die Halterung 20 einen Vorsprung 62 auf, mit dem die zweiten Enden der Torsionsstäbe 150a und 150b mechanisch gekoppelt sind. Die ersten Enden der Torsionsstäbe 150a und 150b sind mit dem Körper 10 gekoppelt. Somit ist bei diesem Beispiel das Torsionselement 150 näher an dem Körper 10 angeordnet als an der Halterung 20. Der Vorsprung 62 der Halterung 20 kann in denselben Substratschichten gebildet sein, in denen der Schwenkkörper 10 gebildet ist. Ähnlich zu dem oben beschriebenen Vorsprung 60 kann sich die Form des Vorsprunges 62 in der Richtung der Schwenkachse ändern. Wie in 12 gezeigt ist, kann die Breite des Vorsprunges 62 fortlaufend zu dem Spiegel hin zunehmen.
Gemäß 13 sind die Federstäbe 52 und 54 derart angeordnet, dass ein Abstand zwischen Abschnitten derselben näher zu dem Körper 10 geringer ist als ein Abstand zwischen Abschnitten derselben näher zu der Halterung 20. Hier öffnet sich die V-Form der Federn zu der Halterung 20 hin. Solch eine Anordnung kann zwar noch eine verbesserte Unterdrückung oder Trennung der unerwünschten Moden bereitstellen, kann jedoch zu einer erhöhten Steifigkeit in Bezug auf eine Drehung um die Schwenkachse A führen. Wie in 13 gezeigt ist, kann die Breite des Vorsprunges 62 bei diesem Ausführungsbeispiel fortlaufend zu dem Spiegel hin abnehmen.
Gemäß 14 sind die Federstäbe 52 und 54 auch derart angeordnet, dass ein Abstand zwischen Abschnitten derselben näher zu dem Körper 10 geringer ist als ein Abstand zwischen Abschnitten derselben näher zu der Halterung 20. Im Vergleich zu 13 ist der Vorsprung 60 jetzt jedoch an dem Schwenkkörper 10 gebildet, so dass das Torsionselement 150 näher an der Halterung 20 angeordnet ist als an dem Schwenkkörper 10.
Bei Beispielen können die Vorsprünge, die sich zwischen den Federelementen erstrecken, sowohl an dem Schwenkkörper 10 als auch an der Halterung 20 angeordnet sein. Bei solchen Beispielen kann das Torsionselement zwischen dem Schwenkkörper und der Halterung mit demselben Abstand zu dem Schwenkkörper und der Halterung angeordnet sein.
15A zeigt ein Beispiel, das dem in 9 gezeigten Beispiel ähnelt. Bei dem in 15A gezeigtem Beispiel ist jedoch das Torsionselement 150, d. h. beide Torsionsstäbe desselben, an der Halterung 20 befestigt, und die Federelemente 52 und 54 sind über eine jeweilige Entlastungsverbindung 174a, 174b mit der Halterung 20 gekoppelt. Bei diesem Beispiel sind die V-Federn durch Entlastungsverbindungen von der Halterung entkoppelt, um eine Ausbeulung aufgrund von thermischer Ausdehnung zu vermeiden. Die Bereitstellung von Entlastungsverbindungen für die V-Federn kann ausreichen, falls nicht erwartet wird, dass das Torsionselement, z. B. kurze schmale Torsionsstäbe 150a, 150b, 150c, zu einer beträchtlichen Ausbeulung führt. Das Vermeiden der Entkopplung des Torsionselementes unter Verwendung einer Entlastungsverbindung kann wirksam sein, um die unerwünschte Tx-Mode zu unterdrücken.
15B zeigt ein Beispiel, das dem in 9 und 15A gezeigten Beispiel ähnelt. Jedoch sind bei dem in 15B gezeigten Beispiel die Federelemente 52 und 54 an der Halterung 20 befestigt und das Torsionselement 150, d. h. beide Torsionsstäbe desselben, sind über eine Entlastungsverbindung 174a, 174b mit der Halterung 20 gekoppelt. Bei diesem Beispiel ist das Torsionselement über die Entlastungsverbindung von der Halterung entkoppelt. Dies kann in Situationen wünschenswert sein, in denen ein starker Einfluss äußerer Kräfte auf die Spiegeldynamiken über die V-Federn nicht erwartet wird, wo jedoch das Torsionselement von solchen Kräften zu schützen ist.
Es wurden unterschiedliche Beispiele von Aufhängungsstrukturen beschrieben. Es ist Fachleuten ersichtlich, dass die Merkmale der unterschiedlichen Beispiele auf geeignete Weise kombiniert werden können. Lediglich beispielhaft kann eine unterschiedliche Anzahl von Torsionsstäben und Federstäben bei den Beispielen aus 15A und 15B sowie bei anderen Beispielen bereitgestellt werden, z. B. ein oder drei Torsionsstäbe, wie in 5C und 10 gezeigt ist, oder zwei Torsionsstäbe pro Federelement, wie in 11 gezeigt ist.
Die oben beschriebenen Entlastungsverbindungen können an der Aufhängungsstruktur auf einer Seite des Schwenkkörpers bereitgestellt sein oder können an den Aufhängungsstrukturen an beiden Seiten des Schwenkkörpers bereitgestellt sein.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung können eine verbesserte Modentrennung und daher eine mechanische Robustheit zur Folge haben, insbesondere in Fällen, in denen ein Bauelement in einem System betrieben wird, das äußeren Vibrationen ausgesetzt ist, z. B. im Falle einer Automobilumgebung. Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen eine Federgestaltung für ein MEMS-Bauelement wie etwa ein MEMS-Mikrospiegelbauelement bereit, das bei Resonanz eines Drehfreiheitsgrades betrieben wird. Die Federgestaltung stellt eine Einrichtung zum Unterdrücken aller Steifkörpermoden des Schwenkkörpers bereit, z. B. des Spiegels. Dies wird durch eine Kombination aus V-Federn und kurzen schmalen Torsionsstäben ermöglicht, die alle dieselbe nichtplanare (z-Richtung) Dicke aufweisen. Zusätzlich dazu kann die Federgestaltung bei Beispielen mit Federn kombiniert werden, die eine Entlastung in der x-Richtung bereitstellen und die somit eine thermische Beanspruchung und/oder äußere Belastung kompensieren können.
Eine Simulation der Federgestaltung mithilfe der Finite-Elemente-Analyse hat gezeigt, dass Beispiele, insbesondere Beispiele, die ein Torsionselement mit zwei schmalen kurzen Torsionsstäben aufweisen, eine bessere Modentrennung zur Folge haben als eine Referenzblattfedergestaltung. Dies würde erreicht, ohne ein anderes Verhalten wie etwa eine dynamische Verformung, Versteifungskurve, dynamische Antwortkurven und Belastungsverteilung unvorteilhaft zu beeinflussen.
Zusätzlich dazu erfordern Blattfederarisätze im Allgemeinen die Bildung einer dünnen Membranschicht, z. B. mit einer Dicke von 10 µm, um die Blattfeder in einem Herstellungsprozessablauf zu realisieren. Die Bildung dünner Membranen in der Membranschicht, die Flächenbereiche in einer Substratebene von für gewöhnlich mehreren Hunderten Mikrometern und bis zu Millimetern überspannen, beinhaltet eine sehr feine und fehlerbehaftete Handhabung. Solche Membranen können während der Verarbeitung brechen. Genauer gesagt können diese Membranen während des Prozessablaufes Hohlräume in einem Materialschichtstapel hermetisch abdichten, wenn das MEMS-Bauelement noch nicht vollständig strukturiert ist. Druckunterschiede zwischen solchen abgedichteten Hohlräumen unter den Membranen und dem Außendruck treten regelmäßig in Prozesskammern auf und führen zu starken mechanischen Belastungen in den Membranen, die schlussendlich zum Bruch führen können. Da Beispiele der vorliegenden Offenbarung solche Membranen nicht erfordern, ist eine vereinfachte Verarbeitung und Handhabung möglich und eine Herstellung kann zuverlässiger sein. Im Allgemeinen erfordert die Bildung von Blattfedern zumindest eine zusätzliche Schicht in der Verarbeitungstechnologie im Vergleich zu Beispielen der vorliegenden Offenbarung. Neben dem Problem der Handhabung abgedichteter Hohlräume kann diese zusätzliche Schicht zu zusätzlichen Verarbeitungsschwierigkeiten führen, zum Beispiel zur Notwendigkeit, Wafer-Bonden auf vorstrukturierten Wafer-Oberflächen auszuführen, und zur Notwendigkeit, mehrere Schritte des reaktiven lonentiefätzens (DRIE, Deep Reactive-Ion Etching) nacheinander für unterschiedliche Schichten auf derselben Wafer-Seite auszuführen. Das Bonden auf vorstrukturierten Oberflächen kann im Vergleich zum Bonden unstrukturierter Oberflächen die Bondqualität kompromittieren, und mehrere DRIE-Schritte auf derselben Wafer-Seite beinhalten das Risiko, dass spätere DRIE-Schritte die Ätzseitenwände beschädigen, die in vorherigen DRIE-Schritten gebildet wurden. Bei solchen Verarbeitungsanforderungen ist es im Allgemeinen eine Herausforderung, einen zuverlässigen Herstellungsablauf zu erzielen.
Ferner erfordert die Bildung einer dünnen Membranschicht bei einem Blattfederansatz im Allgemeinen, dass eine Einrichtung zum Bilden ihrer Dicke auf kontrollierte Weise implementiert werden muss. Beispielsweise könnte es erforderlich sein, dass ihre Dicke nicht um mehr als 3 % variiert. Solch eine Anforderung kann durch das Bilden der dünnen Membranschicht in der Bauelementschicht eines ersten Silizium-auf-Isolator-Wafers (SOI-Wafer) erfüllt werden. Jedoch ist dann zumindest ein zusätzlicher (zweiter) SOI-Wafer erforderlich, um die zwei Dicken für die Schichten bereitzustellen, in denen die anderen Merkmale gebildet sind, z. B. Kammantriebe, Torsionsstäbe, der Spiegelkörper und die Versteifungsstrukturen. Hierdurch sind die zwei diskreten Dicken durch die Bauelementschicht und die Handhabungsschicht des zweiten SOI-Wafers bereitgestellt. Somit können zwei SOl-Wafer erforderlich sein, um eine Blattfedergestaltung auf kontrollierte Weise zu verarbeiten. Da Beispiele der vorliegenden Offenbarung keine Blattfedern verwenden, können Beispiele der vorliegenden Offenbarung unter Verwendung lediglich eines SOI-Wafers hergestellt werden. Dies kann Rohmaterialkosten signifikant reduzieren, da SOI-Wafer teuer sind.
Zusätzlich dazu wird das Auftreten einspringenden Ecken an mechanisch beanspruchten Stellen, die zu unkontrollierten mechanischen Belastungsbedingungen führen, durch den Gestaltungsansatz vermieden, der durch Beispiele der vorliegenden Offenbarung dargelegt ist. Solche Stellen treten in Blattfedergestaltungen auf, wo die dünnen Blattfedern mit anderen Elementen gekoppelt sind, z. B. mit Ankerelementen, Verbindungselementen oder Körperhalteelementen, die mit beträchtlich größerer Dicke gebildet sind.
Beispiele der vorliegenden Offenbarung stellen Verfahren zum Herstellen derartiger MEMS-Bauelemente bereits.
Wie in 16A gezeigt ist, weist das Verfahren bei Beispielen ein Bilden 200 eines Körpers, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, einer Halterung und einer Aufhängungsstruktur, die mechanisch mit dem Körper der Halterung gekoppelt ist, in einem Substrat auf. Das Bilden der Aufhängungsstruktur weist ein Bilden 202 eines Torsionselementes, das die Schwenkachse definiert, sowie eines ersten und eines zweiten Federelementes auf, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert. Die Erstreckung des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ist größer als die Erstreckung des Torsionselementes in der Schwenkachse.
Wie in 16B gezeigt ist, weist das Verfahren bei Beispielen ein Bilden 210 eines Körpers, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, einer Halterung und einer Aufhängungsstruktur, die mechanisch mit dem Körper der Halterung gekoppelt ist, in einem Substrat auf. Das Bilden der Aufhängungsstruktur weist ein Bilden 212 eines Torsionselementes, das die Schwenkachse definiert, sowie eines ersten und eines zweiten Federelementes auf, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert. Eine Entlastungsverbindung, die zumindest das erste und das zweite Federelement oder das Torsionselement mit der Halterung koppelt, wird gebildet 214, wobei die Entlastungsverbindung dazu ausgebildet ist, eine Translation zumindest des ersten und des zweiten Federelementes oder des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse an deren Enden benachbart zu der Entlastungsverbindung zu ermöglichen.
Wie in 16C gezeigt ist, weist das Verfahren bei Beispielen ein Bilden 220 eines Körpers, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, einer Halterung und einer Aufhängungsstruktur, die mechanisch mit dem Körper der Halterung gekoppelt ist, in einem Substrat auf. Das Bilden der Aufhängungsstruktur weist ein Bilden 222 eines Torsionselementes, das die Schwenkachse definiert, sowie eines ersten und eines zweiten Federelementes auf, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert. Das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement werden in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels gebildet. Somit kann die Herstellung des MEMS-Bauelementes im Vergleich zu anderen Gestaltungen, z. B. Gestaltungen unter Verwendung von Blattfedern, vereinfacht werden.
Bei Beispielen kann das MEMS-Bauelement unter Verwendung zumindest eines SOI-Wafers gebildet werden. Bei anderen Beispielen kann das MEMS-Bauelement unter Verwendung eines Wafers gebildet werden, der sich von einem SOI-Wafer unterscheidet, der eine Halbleiterschicht mit einem Dotierimplantat, eine epitaxiale Schicht oder eine isolierte Polysiliziumschicht an einer Oberfläche davon aufweisen kann, so dass elektrisch trennbare Bereiche in einem Kammantrieb geformt werden können. Bei solchen Beispielen können Rohmaterialkosten und Zuverlässigkeit weiter verbessert werden.
Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Kontext einer Vorrichtung beschrieben worden sind, ist klar, dass eine solche Beschreibung ebenfalls hinsichtlich einer Beschreibung entsprechender Merkmale eines Verfahrens angesehen werden kann. Obwohl einige Aspekte als Merkmale im Kontext eines Verfahrens beschrieben worden sind, ist klar, dass eine solche Beschreibung auch als eine Beschreibung entsprechender Merkmale, die die Funktionalität einer Vorrichtung betreffen, angesehen werden kann.
In der vorstehenden ausführlichen Beschreibung ist zu sehen, dass verschiedene Merkmale in Beispielen gruppiert sind, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dieses Verfahren der Offenbarung ist nicht so zu interpretieren, dass es eine Absicht widerspiegelt, dass die beanspruchten Beispiele mehr Merkmale erfordern als in jedem Anspruch explizit angegeben sind. Wie die folgenden Ansprüche widerspiegeln, kann der Erfindungsgegenstand stattdessen in weniger als allen Merkmalen eines einzelnen offenbarten Beispiels liegen. Somit sind die folgenden Ansprüche hier in die ausführliche Beschreibung integriert, wobei jeder Anspruch für sich als ein getrenntes Beispiel steht. Obwohl jeder Anspruch für sich als ein getrenntes Beispiel stehen kann, wird angemerkt, dass, obwohl sich ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann, andere Ansprüche ebenfalls eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs oder eine Kombination jedes Merkmals mit anderen abhängigen oder unabhängigen Ansprüchen enthalten können. Solche Kombinationen werden hier vorgeschlagen, es sei denn, dass angegeben ist, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Darüber hinaus sollen außerdem Merkmale eines Anspruchs in irgendeinem anderen Anspruch enthalten sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig gemacht ist.
Die oben beschriebenen Beispiele sind lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung. Es ist zu beachten, dass Änderungen und Abwandlungen der Anordnungen und der Einzelheiten, die hier beschrieben sind, für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlich sind. Somit sollen sie nur durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die hier durch die Beschreibung und Erläuterung der Beispiele dargestellt sind, beschränkt sein.

Claims

Ein MEMS-Bauelement, das folgende Merkmale aufweist: einen Körper, der sich um eine Schwenkachse schwenkt; eine Halterung; und eine Aufhängungsstruktur, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt, wobei die Aufhängungsstruktur ein Torsionselement, das die Schwenkachse definiert, sowie ein erstes und ein zweites Federelement aufweist, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert, und wobei die Erstreckung des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse größer ist als die Erstreckung des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse.
Ein MEMS-Bauelement, das folgende Merkmale aufweist: einen Körper, der sich um eine Schwenkachse schwenkt; eine Halterung; und eine Aufhängungsstruktur, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt, wobei die Aufhängungsstruktur ein Torsionselement, das die Schwenkachse definiert, sowie ein erstes und ein zweites Federelement aufweist, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert, und wobei die Aufhängungsstruktur eine Entlastungsverbindung aufweist, die das erste und das zweite Federelement und/oder das Torsionselement mechanisch mit der Halterung koppelt, wobei die Entlastungsverbindung dazu ausgebildet ist, eine Translation des ersten und des zweiten Federelementes und/oder des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse an deren Enden benachbart zu der Entlastungsverbindung zu ermöglichen.
Ein MEMS-Bauelement, das folgende Merkmale aufweist: einen Körper, der sich um eine Schwenkachse schwenkt; eine Halterung; und eine Aufhängungsstruktur, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt, wobei die Aufhängungsstruktur ein Torsionselement, das die Schwenkachse definiert, sowie ein erstes und ein zweites Federelement aufweist, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert, und wobei das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels gebildet sind.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 3, bei dem die Aufhängungsstruktur eine Entlastungsverbindung aufweist, die das erste und das zweite Federelement und/oder das Torsionselement mechanisch mit der Halterung koppelt, wobei die Entlastungsverbindung dazu ausgebildet ist, eine Translation des ersten und des zweiten Federelementes und/oder des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse an deren Enden benachbart zu der Entlastungsverbindung zu ermöglichen.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 2 oder 4, bei dem die Entlastungsverbindung das erste und das zweite Federelement und das Torsionselement mechanisch mit der Halterung koppelt, wobei die Entlastungsverbindung dazu ausgebildet ist, eine Translation des ersten und des zweiten Federelementes und des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse an deren Enden benachbart zu der Entlastungsverbindung zu ermöglichen.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels gebildet sind.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Torsionselement eine Mehrzahl von Torsionsstäben aufweist und/oder bei dem jedes des ersten und des zweiten Federelementes eine Mehrzahl von Federstäben aufweisen.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 7, bei dem sich die Mehrzahl von Torsionsstäben parallel zueinander erstrecken und/oder bei dem sich die Mehrzahl von Federstäben parallel zueinander erstrecken.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Torsionselement zumindest einen Torsionsstab aufweist, bei dem jedes des ersten und des zweiten Federelementes zumindest einen Federstab aufweist, und bei dem eine Mindestbreite des Torsionsstabes in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung desselben geringer ist als eine Mindestbreite jedes Federstabes in einer Richtung senkrecht zu einer Längsrichtung derselben.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Körper einen Vorsprung aufweist, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Federelement erstreckt und mechanisch mit dem Torsionselement gekoppelt ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die Halterung einen Vorsprung aufweist, der sich zwischen dem ersten und dem zweiten Federelement erstreckt und mechanisch mit dem Torsionselement gekoppelt ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Abstand zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes näher zu dem Körper größer ist als der Abstand zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes näher zu der Halterung.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die Aufhängungsstruktur symmetrisch in Bezug auf die Schwenkachse gebildet ist.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, das die Aufhängungsstruktur an einem ersten Ende des Körpers aufweist und eine weitere Aufhängungsstruktur an einem zweiten Ende des Körpers aufweist.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 14, bei dem die Aufhängungsstruktur und die weitere Aufhängungsstruktur symmetrisch in Bezug auf eine Ebene senkrecht zu der Schwenkachse sind.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem der Körper und die Aufhängungsstruktur derart gestaltet sind, dass Translationsoszillationen in Richtungen senkrecht und parallel zu der Schwenkachse und Rotationsoszillationen um Achsen senkrecht zu der Schwenkachse Resonanzfrequenzen aufweisen, die sich von harmonischen Frequenzen der Resonanzfrequenz der Rotationsoszillation um die Schwenkachse herum unterscheiden.
Das MEMS-Bauelement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Körper ein Spiegelkörper ist, der einen Spiegel und eine Kammantriebsstruktur aufweist.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 17, bei dem der Spiegel und die Kammantriebsstruktur in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels wie das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement gebildet sind.
Das MEMS-Bauelement gemäß Anspruch 18, bei dem der Spiegelkörper eine Versteifungsstruktur, die den Spiegel versteift, und einen Vorsprung aufweist, mit dem das Torsionselement mechanisch gekoppelt ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelementes, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bilden eines Körpers, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, einer Halterung und einer Aufhängungsstruktur, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt, in einem Substrat, wobei das Bilden der Aufhängungsstruktur Folgendes aufweist: Bilden eines Torsionselementes, das die Schwenkachse definiert, sowie eines ersten und eines zweiten Federelementes, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert, wobei die Erstreckung des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse größer ist als die Erstreckung des Torsionselementes in der Schwenkachse.
Ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelementes, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bilden eines Körpers, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, einer Halterung und einer Aufhängungsstruktur, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt, in einem Substrat, wobei das Bilden der Aufhängungsstruktur Folgendes aufweist: Bilden eines Torsionselementes, das die Schwenkachse definiert, sowie eines ersten und eines zweiten Federelementes, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert, und Bilden einer Entlastungsverbindung, die das erste und das zweite Federelement und/oder das Torsionselement mechanisch mit der Halterung koppelt, wobei die Entlastungsverbindung dazu ausgebildet ist, eine Translation des ersten und des zweiten Federelementes und/oder des Torsionselementes in der Richtung der Schwenkachse an deren Enden benachbart zu der Entlastungsverbindung zu ermöglichen.
Ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Bauelementes, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bilden eines Körpers, der sich um eine Schwenkachse schwenkt, einer Halterung und einer Aufhängungsstruktur, die den Körper mechanisch mit der Halterung koppelt, in einem Substrat, wobei das Bilden der Aufhängungsstruktur Folgendes aufweist: Bilden eines Torsionselementes, das die Schwenkachse definiert, sowie eines ersten und eines zweiten Federelementes, die sich mit einem Winkel relativ zu der Schwenkachse auf gegenüberliegenden Seiten des Torsionselementes erstrecken, so dass sich ein Abstand zumindest zwischen Abschnitten des ersten und des zweiten Federelementes in der Richtung der Schwenkachse ändert, und wobei das Torsionselement sowie das erste und das zweite Federelement in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels gebildet sind.
Das Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem der Körper ein Spiegelkörper ist, wobei das Verfahren ferner ein Bilden eines Spiegels und eines Kammantriebes des Spiegelkörpers in derselben Materialschicht oder in denselben Materialschichten eines Materialschichtstapels wie das erste und das zweite Federelement sowie das Torsionselement aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, das ein Bilden einer Versteifungsstruktur des Spiegelkörpers in einer Materialschicht aufweist, die sich von der Materialschicht oder den Materialschichten unterscheidet, in denen das erste und das zweite Federelement sowie das Torsionselement gebildet sind.