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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Relais mit einem Substrat, einer über dem Substrat angeordneten beweglichen mikromechanischen Struktur, einer Schaltelektrode und wenigstens einem ersten Ausgang, wobei die bewegliche mikromechanische Struktur mittels der Schaltelektrode auslenkbar und hierdurch der erste Ausgang schaltbar ist.
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Bekannt sind unterschiedlichste Arten von mikromechanischen Vorrichtungen (MEMS). Einerseits gibt es MEMS-Elemente, die als Sensoren fungieren. Bei vielen dieser Sensoren wird ein MEMS-Struktur freigestellt und deren Bewegung oder Bewegungsänderung detektiert. Andererseits gibt MEMS-Elemente, die als Aktuatoren fungieren. Bei den meisten dieser Aktuatoren wird ebenfalls eine MEMS-Struktur freigestellt. Diese wird dann über geeignete Hilfsmittel in Bewegung versetzt. Wie bei den Sensoren wird bei den Aktuatoren in einigen Fällen auch die Bewegung der freigestellten MEMS-Strukturen detektiert, um beispielsweise eine bessere Regelung der Bewegung zu ermöglichen.
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Um sowohl hochgenau aber auch sehr gut definierte Sensoren und Aktuatoren zu erhalten, ist es meist gewünscht, dass die freigestellten MEMS-Strukturen wohldefinierte Eigenschaften haben. Meist werden wegen ihrer guten Eigenschaften und den dafür bekannten Herstellungsprozess Strukturen aus Silizium verwendet. Es können auf einem Siliziumsubstrat geometrisch sehr genau definierte, freigestellte Silizium-Strukturen hergestellt werden, die nach einem Freistellungsprozess sehr geringe Verspannung in sich aber auch zwischen den freigestellten Strukturen und dem Substrat aufweisen.
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Für einige MEMS-Anwendungen ist es allerdings vorteilhaft, wenn man eine mechanische Vorspannung in ein bewegliches MEMS-Element einbauen könnte.
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Ein Beispiel dafür sind kapazitiv angetriebene MEMS-Relais, wie beispielsweise das ADGM1304 der Firma Analog Devices. Im Grundzustand ohne angelegtes Signal ist das Relais in einer Variante mit nur einem Ausgang geöffnet. In einer andere Variante mit zwei Ausgängen ist das Relais ohne angelegtes Signal in einem undefinierten Zustand. Der Kontakt wird in dem MEMS-Relais über einen kapazitiven Antrieb realisiert. Um eine ausreichenden hohe Kontaktkraft zu erreichen, die einen geringen Eischaltwiderstand erlaubt, muss einerseits der Abstand in der kapazitiven Antriebsstruktur sehr gering gehalten werden und andererseits müssen große Flächen für den kapazitiven Antrieb vorgehalten werden. Um eine großflächigen MEMS-Antrieb mit geringen Abständen der kapazitiven Antriebsstrukturen zu erreichen müssen MEMS-Strukturen mit sehr geringen inneren Vorspannungen genutzt werden.
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Möchte man kapazitive MEMS-Relais mit einem definierten Schaltzustand im Grundzustand herstellen, muss man beweglichen MEMS-Strukturen verwenden, die unter Vorspannung stehen, um im Grundzustand einen definierten Schaltungszustand zu erreichen. Prinzipiell ist es aber schwierig Anordnungen und Herstellungsverfahren für MEMS-Bauteile zu finden in denen lokal eine Verspannung erreicht werden kann aber in anderen Bereichen eine sehr geringe Vorspannung vorliegt.
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In typischen Ansätzen bei denen eine lokale Verspannung erzeugen wird, werden zwei Materialien derart kombiniert, dass durch einen unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen den beiden Materialien zu einer Vorspannung bei einer definierten Temperatur oder Temperaturbereich führt. Eine technische Lösung ist daher generell schwierig umzusetzen.
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Mit einem kapazitiven Antrieb können nur geringe Kräfte erzeugt werden. Die erzeugte Vorspannung muss ausreichend hoch sein, um im Grundzustand einen definierten Zustand zu ermöglichen und muss andererseits möglichst ginge sein, damit das Element weiter kapazitiv schaltbar bleibt. Das heißt die Vorspannung muss sehr genau einstellbar sein und darf nicht mit äußeren Parametern wie Temperatur schwanken.
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Die Herstellung von MEMS-Elementen, die aus mehrere Materialien aufgebaut sind, ist technisch sehr anspruchsvoll und teuer. Es ist dabei schwierig, neben Bereichen mit einer definierten Verspannung gleichzeitig auch Bereiche mit einer geringen Eigenverspannung und einer geringen Verspannung zum Substrat zu realisieren, wie sie für einen kapazitiven Antrieb benötigt werden.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung zu schaffen, die es erlauben freistehende MEMS-Strukturen die selbst eine geringe Verspannung ausweisen mit einer definieren Vorspannung zu versehen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Relais mit einem Substrat mit einer Haupterstreckungsebene (x, y), einer über dem Substrat angeordneten beweglichen mikromechanischen Struktur, einer Schaltelektrode und wenigstens einem ersten Ausgang, wobei die bewegliche mikromechanische Struktur mittels der Schaltelektrode auslenkbar und hierdurch der erste Ausgang schaltbar ist.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die bewegliche mikromechanische Struktur einen Aufschmelzbereich aus erstarrter Siliziumschmelze aufweist und sich in einer hauptsächlichen Fläche erstreckt, welche nicht parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verläuft.
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Vorteilhaft ist so ein mikromechanisches Relais mit einem definierten Schaltzustand im (stromlosen) Grundzustand geschaffen.
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Weiterhin kann der Bereich auch eine Laserbearbeitung aufweisen, welche sich in einer hauptsächlichen Fläche erstreckt, die parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verläuft und insbesondere veränderte mechanische Eigenschaften - speziell eingebaute Spannungen - bei nahezu unveränderter Geometrie aufweisen. Es sind ebenfalls Kombinationen aus unterschiedlichen Laserbearbeitungen möglich.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit den Schritten: A: Bereitstellen eines Substrats mit einer Haupterstreckungsebene (x, y) und mit einer über dem Substrat angeordneten beweglichen mikromechanischen Struktur und B: Aufschmelzen eines Aufschmelzbereichs der beweglichen mikromechanischen Struktur mittels Laserbestrahlung und wieder erstarren lassen, derart, dass die bewegliche mikromechanische Struktur sich danach in einer hauptsächlichen Fläche erstreckt, welche nicht parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verläuft.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass mittels Laserbearbeitung eine lokal definierte Materialveränderung erzeugt wird, welche eine definierte Verspannung bzw. Auslenkung bewirkt. Diese Veränderung kann in einer Ausführung der Erfindung beispielsweise über eine Aufschmelzstruktur erzeugt werden. Die Aufschmelzstruktur wird über einen sehr kurzen Laserpuls in den flüssigen Zustand übergeführt. Ein sehr kurzer und gut fokussierter Laser-Puls ermöglicht es, dass nur die Aufschmelzstruktur geschmolzen wird und keine weiteren Strukturen.
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Im flüssigen Zustand ist die Aufschmelzstruktur mit mindestens einem freistehenden beweglichen Arm verbunden beziehungsweise benetzt.
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Weiter ist die Aufschmelzstruktur mit mindestens einer weiteren Struktur, die vom freistehenden beweglichen Arm getrennt ist, verbunden beziehungsweise benetzt. Insbesondere kann es sich bei der weiteren Struktur um eine am Substrat verankerte Struktur handeln.
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Die Oberflächenspannung bewirkt eine Formänderung des aufgeschmolzenen Bereichs sobald dieser in den flüssigen Zustand übergeht. Je nach Benetzungsfläche wird sich die Oberfläche des aufgeschmolzenen Bereichs möglichst minieren und bei kleinen Benetzungsflächen näherungsweise eine Kugel bilden. Der freistehende Arm und die weitere Struktur stehen in Benetzung mit dem aufgeschmolzenen Bereich. Der freistehende Arm verändert sei Position aufgrund der Benetzung mit dem aufgeschmolzenen Bereich. Der aufgeschmolzene Bereich kühlt wieder ab und die Bewegung des freistehenden Arms wird eingefroren.
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Es wird insbesondere vorgeschlagen zwischen den aufgeschmolzenen Bereich und der beweglichen Struktur mindestens ein Federelement vorgesehen wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Auslenkung des freistehenden Arms oder die Auslenkung der beweglichen Struktur über mindestens eine Anschlagsstruktur begrenzt wird.
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Insbesondere wird vorgeschlagen Strukturen, die vorwiegende aus Silizium bestehen, aufzuschmelzen.
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In einer anderen Ausführung der Erfindung wird die gewünschte Auslenkung nicht durch eine Formveränderung eines Federelementes, sondern durch das direkte Einbringen von Verspannungen in das Material bei größtenteils unveränderter Form erreicht. So ist es durch eine gezielte Wahl der Parameter der Laserbestrahlung möglich, sowohl Druck- als auch Zugspannungen in eine Oberflächenschicht des Bauteils einzubringen, wodurch eine definierte Verformung bzw. Auslenkung aus der Schichtebene heraus erzeugt werden kann. Durch ein geeignetes Design des MEMS Elementes lässt sich ggf. auch eine definierte Bewegung innerhalb der Schichtebene durch das Einbringen lokaler Spannungen erzeugen.
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Das Verfahren hat eine Reihe von Vorteilen. Es benötigt keine unterschiedlichen Materialien. Es ist auch auf bekannte Silizium-MEMS-Strukturen anwendbar. Das Verfahren lässt sich leicht in die MEMS Herstellung integrieren ohne bekannte Herstellungsprozesse wesentlich zu verändern. Das Verfahren ermöglicht es eine definierte, einfach einstellbare oder skalierbare Vorspannung in einer beweglichen mikromechanischen Struktur zu erzeugen. Das Verfahren ist außerdem kostengünstig durchführbar.
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Figurenliste
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- 1 zeigt das erfindungsgemäße Konzept anhand eines In-Plane arbeitenden MEMS-Relais.
- 2 zeigt das MEMS-Relais nachdem mit einem sehr kurzen Laserpuls die Aufschmelzstruktur (6) verflüssigt wurde und mit einer neuen Volumenverteilung wieder erstarrt ist.
- 3 zeigt das MEMS-Relais, wenn an die Schaltelektroden (10) eine Spannung angelegt wird und die beweglichen Struktur durch die angelegte Spannung nach oben gezogen wird.
- Die 4 und 5 a, b zeigen ein MEMS-Relais das über eine Out-of-Plane-Bewegung einen Schaltvorgang vornimmt.
- 6 zeigt das MEMS-Relais im Grundzustand nach dem Laseraufschmelzvorgang.
- 7 zeigt das MEMS-Relais im angezogenen Zustand.
- Die 8 - 12 zeigen eine alternative Ausführungsform des MEMS-Relais.
- 13 zeigt schematische das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung.
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Beschreibung der Figuren
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1 zeigt das erfindungsgemäße Konzept anhand eines In-Plane arbeitenden MEMS-Relais. Eine frei bewegliche Struktur 1 ist über eine Feder 2 und eine Verankerungsstruktur 7 mechanisch mit einem Substrat 3 verbunden. In diesem Fall ist die Feder auch mit einer darunterliegenden mit dem Substrat mechanisch verbundenen aber elektrisch isolierten, vergrabenen Leiterbahn 4 verbunden. Über diese Leiterbahn wird der Strom in das Relais hineingeführt. Die frei bewegliche Struktur ist mit einer weiteren Feder 5 über eine Aufschmelzstruktur 6 an einer zweiten Stelle mittels noch einer Verankerungsstruktur 7 mit dem Substrat verbunden. Um eine Auslenkung der Aufschmelzstruktur zu begrenzen oder sehr definiert zu halten können, sind Anschlagsstrukturen 8 vorgesehen. 1 zeigt die Aufsicht auf ein MEMS-Relais im Grundzustand vor dem Aufschmelzvorgang. Die eigentliche Aufschmelzstruktur 6 ist in diesem Beispiel derart gewählt, dass die Oberfläche der Struktur im Vergleich zum Volumen deutlich überwiegt und man durch eine Umlagerung des Volumens und einer Verschiebung der weiteren Feder 5 die Oberfläche deutlich reduzieren kann. In 1 ist das Relais vor dem Aufschmelzvorgang zu sehen.
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2 zeigt das MEMS-Relais nachdem mit einem sehr kurzen Laserpuls die Aufschmelzstruktur 6 verflüssigt wurde und mit einer neuen Volumenverteilung wieder erstarrt ist. Im flüssigen Zustand hat die Aufschmelzstruktur aufgrund der Oberflächenspannung auch die weitere Feder etwas nach unten, also in Richtung des Substrats gezogen und ist in diesem Zustand erstarrt. In diesem Beispiel wird die Auslenkung der weiteren Feder durch die Anschläge 8 beschränkt, um so eine genau definierte Kraft auf die bewegliche Struktur auszuüben. Die Kraft wird in diesem Beispiel derart gewählt, dass die bewegliche Struktur sich nun im Grundzustand nach unten auslenkt und wie in 2 zu sehen ist einen Kontakt zu einem ersten Ausgang 9 des Relais herstellt. Die Kraft mit der der Kontakt hergestellt wird ohne dass eine Schaltspannung am Relais anliegt kann durch die geeignete Wahl der Federn und der Anschläge und der Aufschmelzstruktur samt den Laserparametern sehr genau eingestellt werden.
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3 zeigt in Draufsicht das MEMS-Relais, wenn an die Schaltelektroden 10 eine Spannung angelegt und die bewegliche Struktur durch die angelegte Spannung nach oben, also vom Substrat 3 weggezogen wird. Durch die Bewegung nach oben wird ein Kontakt zu einem zweiten Ausgang 11 des Relais hergestellt.
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Die 4 und 5 a, b zeigen ein MEMS-Relais das über eine Out-of-Plane-Bewegung einen Schaltvorgang vornimmt. Das Relais ist als eine Wippe 12 konzipiert, die über Torsionsfedern 13 mechanisch am Substrat verankert und elektrisch über eine vergrabene Leiterbahn 4 kontaktiert ist. Weiter ist eine Aufschmelzstruktur 14 vorgesehen. Die Aufschmelzstruktur hat Benetzungsflächen 15, die gegenüberliegend auf dem Substrat angeordnet sind die vor dem Laseraufschmelzvorgang offen liegen. Die Aufschmelzstruktur ist mit mindestens einer weiteren Feder 16 mit der Wippe verbunden. Weiter ist eine Anschlagsstruktur 17 nach unter vorgesehen, um wie im ersten Beispiel die Bewegung durch den Aufschmelzvorgang zu beschränken. Zwischen der Aufschmelzstruktur und der Anschlagsstruktur ist in diesem Beispiel eine Hebelstruktur 18 angeordnet, um die Bewegung der Aufschmelzstruktur zur Anschlagsstruktur hin zu übertragen.
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6 zeigt das MEMS-Relais im Grundzustand nach dem Laseraufschmelzvorgang. Die Aufschmelzstruktur wird verflüssigt und das Volumen 19 benetzt die Benetzungsfläche und die Hebelstruktur wird nach unten gezogen. Die Bewegung wird durch die Anschlagsstruktur begrenzt. Die Wippenstruktur geht in definierten Kontakt zu einem ersten Ausgang 20.
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7 zeigt das MEMS-Relais, wenn an die Schaltelektroden 21 eine Spannung angelegt wird und die Wippe durch die angelegte Spannung auf der linken Seite gezogen wird. Durch die Bewegung nach oben wird ein Kontakt zu einem zweiten Ausgang 22 des Relais hergestellt.
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Die 8 - 12 zeigen eine alternative Ausführungsform des MEMS-Relais.
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8 zeigt eine Wippe 12 in Form eines Rahmens, die Torsionsfeder 13, Schaltelektroden 21, einen Kontakt zu erstem Ausgang 20 und einen Kontakt zu zweitem Ausgang 22. Weitere Details wie beispielsweise optionale Anschlagstrukturen sind der Vereinfachung halber weggelassen.
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9 zeigt eine Schnittansicht der Struktur aus 8 entlang der Ebene A-A'. Durch geeignete Laserbestrahlung kann nun in den Bereichen 23 oder in einem Teil davon, in 10 dargestellt, eine Druckspannung erzeugt werden, welche dazu führt, dass der rechte Teil der Wippenstruktur nach unten gedrückt wird, sodass der Kontakt 20 definiert in Ruhestellung anliegt. 11 zeigt die Struktur aus 10 mit ausgeführter Laserbestrahlung entlang der Schnittebene A-A'. Werden wiederum die Schaltelektroden 21 aktiviert, zieht die dadurch aufgebaute Kraft die Struktur auf der linken Seite nach unten. Wie in 12 dargestellt, wird dadurch der Kontakt am ersten Ausgang 20 gelöst und der Kontakt am zweiten Ausgang 22 geschlossen.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier gezeigten Beispiele eines Relais beschränkt. Weiter kann die Erfindung auch genutzt werden, um nicht nur ein elektrisches Signal zu schalten, sondern beispielsweise auch ein optisches Signal zu schalten, das beispielsweise über ein auf der beweglichen mikromechanischen Struktur angebrachten Lichtleiter geführt und geschaltet wird. In diesem Sinne wird hier unter Relais allgemein ein elektrisch betätigbarer Schalter verstanden, der ein elektrisches, oder ein optisches oder ein Signal einer anderen Form über eine Bewegung einer mikromechanischen Struktur schaltet.
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Bei empfindlichen Beschleunigungssensoren wird eine seismische Masse zum Beispiel mit sehr weichen und dünnen Federn aufgehängt. Die dünnen Federn verursachen dabei aufgrund von Prozess- und Material-Toleranzen eine stochastisch verteilte Vorauslenkung der seismischen Masse. Dies ist nicht erwünscht und führt zu einem nichtlinearen Verhalten des Sensorelements. Über das vorgeschlagene Verfahren kann die Vorauslenkung an jedem Bauteil individuell zurückgestellt werden. Dabei kann die vorgeschlagene Anordnung auch insbesondere dazu genutzt werden um unterschiedliche Auslenkungsamplituden zu erzeugen, indem über die Leistung des Laserpulses unterschiedlich große Aufschmelzbereiche erzeugt werden. Weiter kann die vorgeschlagene Anordnung auch in einem Bauteil mehrfach vorgesehen werden, um beispielsweise eine Auslenkung in zwei verschiedene Richtungen zu erzeugen.
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Weiter kann die vorgeschlagene Anordnung beispielsweise auch genutzt werden, um eine Ruhelage oder Nulllage eines mikromechanischen Spiegelelements einzustellen. In diesem Fall kann die Einstellung über den Laserpuls insbesondere auch noch nach dem Einbau des Spiegelelements in ein Gehäuse erfolgen. Damit können Fertigungstoleranzen die erst im der Weiterverarbeitung entstehen noch am Endprodukt kompensiert werden.
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Weiter ist die Idee nicht auf einen Chip mit exakt einem Aufschmelzpunkt beschränkt. Gerade bei MEMS-Bauteilen die ein komplexere Bewegung detektieren oder machen sollen, kann es günstig sein mehrere und gegebenenfalls auch unterschiedliche Aufschmelzstrukturen zu verwenden. Es können beispielsweise MEMS-Relais-Matrizen erzeugt werden, die aus mehreren Relais mit mehreren Aufschmelzstrukturen bestehen. Über die mehreren Aufschmelzstrukturen kann dann beispielsweise die Verschaltung der Relais oder der Grundzustand flexibel je nach gewünschter Funktion vorgenommen werden.
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Weiter kann die Erfindung auch genutzt werden, um flexibel Aufschmelzstrukturen entweder zu aktivieren oder inaktiv zu belassen. Damit können beispielsweise unterschiedliche Produktklassen im selben Herstellungsprozess erzeugt werden und erst ganz zum Schluss des Herstellungsprozesses kann über die Wahl der Aktivierung die Produktklasse festgelegt werden.
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Weiter kann die Erfindung genutzt werden, um ebenfalls am Ende eines Herstellungsprozesses einen Abgleich vorzunehmen, um beispielsweise internen Spannungen die variieren entgegenzuwirken.
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Weiter können auch, wenn man ohne Anschlagsstruktur arbeitet, unterschiedliche Laserparameter genutzt werden, um unterschiedliche Spannungszustände zu erreichen, um beispielsweise unterschiedliche Vorspannungen die aus dem Herstellungsprozess resultieren ausgleichen zu können.
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13 zeigt schematische das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Vorrichtung mit den Schritten:
- A: Bereitstellen eines Substrats mit einer Haupterstreckungsebene (x, y) und mit einer über dem Substrat angeordneten beweglichen mikromechanischen Struktur;
- B: Aufschmelzen eines Aufschmelzbereichs der beweglichen mikromechanischen Struktur mittels Laserbestrahlung und wieder erstarren lassen, derart, dass die bewegliche mikromechanische Struktur sich danach in einer hauptsächlichen Fläche erstreckt, welche nicht parallel zur Haupterstreckungsebene des Substrats verläuft.
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Zusätzlich oder alternativ erfolgt ein Laserbestrahlen eines Bearbeitungsbereiches derart, dass sich die mechanischen Eigenschaften des Bearbeitungsbereiches gemäß der erwünschten Spezifikation einstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- frei bewegliche Struktur
- 2
- Feder
- 3
- Substrat
- 4
- vergrabene Leiterbahn
- 5
- weitere Feder
- 6
- Aufschmelzstruktur (Verbindungselement aus Siliziumschmelze)
- 7
- Verankerungsstruktur
- 8
- Anschlagsstruktur
- 9
- erster Ausgang
- 10
- Schaltelektrode
- 11
- zweiter Ausgang
- 12
- Wippe
- 13
- Torsionsfeder
- 14
- Aufschmelzstruktur
- 15
- Benetzungsfläche
- 16
- weitere Feder
- 17
- Anschlagstruktur
- 18
- Hebelstruktur
- 19
- Volumen
- 20
- erster Ausgang
- 21
- Schaltelektrode
- 22
- zweiter Ausgang
- 23
- Druckspannungs-Bereich
- 33
- Oberseite
