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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Schwingungssystem. Zusätzlich betrifft die Erfindung eine Projektionsvorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schwingungssystems.
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Stand der Technik
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Das Dokument
DE 10 2010 062 591 A1 beschreibt einen magnetischen Aktor mit einem Mikrospiegel und einer elektromagnetischen Antriebseinheit. Die elektromagnetische Antriebseinheit weist einen Spulenkörper und einen Magnetbügel mit einer u-förmigen, Magnetfluss leitenden Schiene und einem Hartmagneten auf. Der Mikrospiegel ist von einem eigenen, separaten Gehäuse umgeben.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein mikromechanisches Schwingungssystem mit einem höheren Drehmoment und Drehwinkel des zugehörigen Mikrospiegels zu entwickeln.
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Offenbarung der Erfindung
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein mikromechanisches Schwingungssystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Außerdem wird eine Projektionsvorrichtung gemäß Anspruch 13 und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schwingungssystems gemäß Anspruch 14 vorgeschlagen.
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Das mikromechanische Schwingungssystem ist insbesondere als Mikrospiegelanordnung ausgebildet und weist einen mikromechanischen Schwingkörper mit wenigstens einem Mikrospiegel auf, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Der Mikrospiegel ist insbesondere plattenförmig ausgebildet. Zusätzlich weist das mikromechanische Schwingungssystem eine elektromagnetische Antriebseinheit auf. Die elektromagnetische Antriebseinheit umfasst einen Spulenkörper und eine Magneteinheit mit einem, einen Magnetfluss leitenden Magnettopf und mit einem Hartmagneten. Die Magnetisierung des Hartmagneten liegt senkrecht zur Öffnung des Magnettopfs. Zusätzlich weist das mikromechanische Schwingungssystem ein Gehäuse zur Abdeckung des Mikrospiegels gegenüber einer äußeren Umgebung auf, insbesondere des mikromechanischen Schwingkörpers. Das Gehäuse ist insbesondere dazu ausgebildet, den Mikrospiegel hermetisch gegenüber der äußeren Umgebung abzudecken. Hierzu ist das Gehäuse insbesondere geschlossen ausgebildet. Insbesondere weist das Gehäuse einen rechteckförmigen Querschnitt auf. Der Mikrospiegel weist eine erste Haupterstreckungsebene auf und die Drehachse des Mikrospiegels ist parallel zu dieser ersten Haupterstreckungsebene angeordnet. Der Spulenkörper weist eine zweite Haupterstreckungsebene auf, zu der der Mikrospiegel und somit die erste Haupterstreckungsebene parallel verläuft. Der Spulenkörper und der Mikrospiegel sind insbesondere miteinander verbunden. Der Magnettopf und der Mikrospiegel sind so zueinander ausgerichtet, dass die Öffnung des Magnettopfs zu der ersten Haupterstreckungsebene des Mikrospiegels zeigt. Der Mikrospiegel ist durch Bestromen des Spulenkörpers um die Drehachse des Mikrospiegels auslenkbar. Zumindest ein Teil des Gehäuses ist aus dem Magnettopf und/oder dem Hartmagneten ausgebildet. Somit wird die Distanz zwischen der Drehachse des Mikrospiegels und dem Hartmagneten verringert. Dies erhöht die Magnetfelddichte an der Position des Spulenkörpers, was wiederum zu einer Erhöhung des Drehmoments und des Drehwinkels des Mikrospiegels führt.
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Vorzugsweise ist eine Bodenfläche des Gehäuses durch ein Trägerelement des mikromechanischen Schwingkörpers, insbesondere des Mikrospiegels, ausgebildet. Somit muss für die Bodenfläche des Gehäuses kein zusätzliches Gehäuseelement vorgesehen werden. Bevorzugt weist das Trägerelement ein transparentes optisches Fenster auf. Alternativ hierzu ist die Bodenfläche des Gehäuses durch das Trägerelement des mikromechanischen Schwingkörpers und das optische Fenster ausgebildet. Das optische Fenster ist hierbei vorzugsweise in eine separate Schicht, insbesondere Waferschicht, integriert, die mit dem Trägerelement des mikromechanischen Schwingkörpers verbunden ist und ebenfalls ein Teil des mikromechanischen Schwingungssystems ist. Das optische Fenster ist in beiden Fällen vorzugsweise als eine transparente Platte, insbesondere Glasplatte ausgebildet. Diese transparente Platte ist vorzugsweise gegenüber einer Haupterstreckungsebene des Trägerelements und/oder der separaten Schicht, insbesondere Waferschicht, geneigt angeordnet.
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Bevorzugt wird das Gehäuse teilweise von wenigstens einem separaten Gehäuseelement ausgebildet. Bei dem separaten Gehäuseelement kann es sich beispielsweise um ein Kappen- oder Topfelement handeln, welches mit der Bodenfläche des Gehäuses als Deckel der Kappe oder des Topfes verbunden sein kann. Alternativ kann das separate Gehäuseelement aber auch nur die Seitenwände des Gehäuses darstellen. Insbesondere ist das separate Gehäuseelement als Siliziumbauteil ausgebildet. Vorzugsweise ist der Hartmagnet in das separate Gehäuseelement integriert, insbesondere eingebettet.. Weiterhin wird zumindest ein Teil einer Oberseite des Gehäuses, insbesondere eine der Bodenfläche des Gehäuses gegenüberliegende Seite des Gehäuses, zumindest teilweise durch den Hartmagneten ausgebildet. Eine Öffnung des Gehäuses nach Außen wird somit durch den Hartmagneten geschlossen und die Distanz zwischen der Drehachse des Mikrospiegels und dem Hartmagneten verringert. In diesem Zusammenhang ist bevorzugt vorgesehen, dass die Oberseite des Gehäuses, insbesondere die der Bodenfläche des Gehäuses gegenüberliegende Seite des Gehäuses, vollständig durch den Hartmagneten ausgebildet wird. Der Hartmagnet liegt hierbei vorzugsweise auf dem, die Seitenwände des Gehäuses ausbildenden separaten Gehäuseelement auf. Durch diese Ausführung kann durch den verkleinerten Abstand zwischen Hartmagneten und Spulenkörper die erzeugte Magnetfelddichte erhöht werden.
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Bevorzugt ist der Magnettopf als ein u-förmiger Magnetbügel ausgebildet. Die Seitenwandung weist somit Öffnungen auf. Insbesondere sind hierbei zwei Öffnungen vorgesehen, die sich gegenüberliegen. Bevorzugt weist der u-förmige Magnetbügel eine längliche, Magnetfluss leitende Schiene auf. Vorzugsweise weist hierbei die Magnetfluss leitende längliche Schiene eine zweite Haupterstreckungsrichtung auf, welche parallel zu der Drehachse liegt.
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Bevorzugt sind der mikromechanische Schwingkörper und zumindest teilweise das Gehäuse als Siliziumbauteile, insbesondere als Silizium-Waferverbund-Bauteile, ausgebildet. Somit ergibt sich eine einfache Möglichkeit zur Fertigung des mikromechanischen Schwingungssystems.
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Vorzugsweise bildet der Magnettopf das Gehäuse des mikromechanischen Schwingkörper teilweise aus. Die Seitenwandung des Magnettopfs ist in diesem Zusammenhang vollständig geschlossen ausgebildet. Das Gehäuse wird in diesem Zusammenhang vorzugsweise aus dem Magnettopf und dem Trägerelement des mikromechanischen Schwingkörpers und/oder dem optischen Fenster als die Bodenfläche des Gehäuses ausgebildet. Der Magnettopf und das Trägerelement sind vorzugsweise hermetisch miteinander verbunden. Somit entfällt das separate Gehäuseelement zur Erzeugung des Gehäuses für den Mikrospiegel und gleichzeitig wird eine geringe Distanz zwischen der Drehachse des Mikrospiegels und dem Hartmagneten ermöglicht. Vorzugsweise ist die Seitenwandung als umlaufende Seitenwandung ausgebildet. Dies ermöglicht bei einem Mikrospiegel die Erzeugung von zusätzlichen Drehmomentanteilen in den Ecken des Magnettopfes, da in solchen Ecken die Magnetfelddichte erhöht ist. Ebenso können auch zusätzliche Drehmomentanteile entlang der senkrecht zur Drehachse stehenden Abschnitte des Spulenkörpers erzeugt werden. Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass die, insbesondere umlaufende, Seitenwandung des Magnettopfs in einem Bereich, welcher senkrecht zur Drehachse des Schwingungssystems ausgerichtet ist, ausgedünnt ist. Somit wird die Magnetfelddichte in Richtung der Haupterstreckungsrichtung des Spulenkörpers erhöht, was wiederum zu zusätzlichen Drehmomentanteilen führt.
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Vorzugsweise spannt das Gehäuse einen Hohlraum auf, innerhalb dessen der Mikrospiegel und der Hartmagnet angeordnet sind. Der Abstand bzw. die Distanz zwischen der Drehachse des Mikrospiegels und dem Hartmagneten wird somit minimiert.
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Bevorzugt ist der Hartmagnet, insbesondere an einer Unterseite des Hartmagneten, keilförmig ausgebildet. Mit der Unterseite des Hartmagneten ist die Seite des Hartmagneten gemeint, welche in Richtung des Mikrospiegels ausgerichtet ist. Somit wird das Magnetfeld am Ort des Spulenkörpers optimiert. Zudem wird auch die Bewegungsfreiheit des Mikrospiegels vergrößert, was wiederum größere Auslenkwinkel des Aktors ermöglicht. Vorzugsweise weist der Hartmagnet, insbesondere an der Unterseite des Hartmagneten, einen, insbesondere keilförmigen, weichmagnetischen Polschuh auf.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Mikroprojektionsvorrichtung mit dem zuvor beschriebenen mikromechanischen Schwingungssystem. Bei einer solchen Mikroprojektionsvorrichtung wird der Mikrospiegel dazu verwendet, Licht, welches von beispielsweise einer Lasereinheit auf den Mikrospiegel gestrahlt wird, auf einen Bildschirm zu projizieren.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen mikromechanischen Schwingungssystems. Hierbei wird zunächst wenigstens ein mikromechanischer Schwingkörper, der insbesondere als Siliziumbauteil ausgebildet ist, mit wenigstens einem Mikrospiegel, der um eine Drehachse drehbar gelagert ist, bereitgestellt. Zudem wird eine elektromagnetische Antriebseinheit, aufweisend einen Spulenkörper und eine Magneteinheit bereitgestellt. Die Magneteinheit weist hierbei einen Magnetfluss leitenden Magnettopf und einen Hartmagneten auf, dessen Magnetisierung senkrecht zur Öffnung des Magnettopfs ausgerichtet ist. Weiterhin wird der mikromechanische Schwingkörper mit der elektromagnetischen Antriebseinheit derart verbunden, dass der Magnettopf teilweise ein Gehäuse für den Mikrospiegel ausbildet, welches den Mikrospiegel gegenüber einer äußeren Umgebung, insbesondere hermetisch, abdeckt.
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Bevorzugt wird zum Verbinden des mikromechanischen Schwingkörpers, insbesondere eines Trägerelements des Mikrospiegels, mit dem Magnettopf ein metallisches Lot oder ein Glaslot als Fügemittel verwendet. Alternativ kann für nicht hermetische Verbindungen des mikromechanischen Schwingkörpers mit dem Magnettopf Klebstoff als Fügemittel verwendet werden.
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Je nach Temperaturbelastung während des Herstellprozesses kann der wenigstens eine Hartmagnet bereits vor der Bereitstellung magnetisiert sein. Die Magnetisierung kann aber auch nach Fertigstellung des Bauteils - also nach allen Hochtemperaturschritten - im Waferverbund oder vereinzelt erfolgen.
In der Regel wird die Magnetisierung aber eher am Ende des Herstellprozesses, also nach allen heißen Prozessschritten vorgenommen.
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Figurenliste
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- 1a bis 1e zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen mikromechanischen Schwingungssystems.
- 2a zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen mechanischen Schwingungssystems in einem Längsschnitt.
- 2b zeigt einen Querschnitt der Ausführungsform.
- 3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Bodenfläche des Gehäuses.
- 4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schwingungssystems.
- 5 zeigt eine Mikroprojektionsvorrichtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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1a zeigt eine erste Ausführungsform des mikromechanischen Schwingungssystems 11a. Hierbei weist das mikromechanische Schwingungssystem 11a, welches hierbei als Mikrospiegelanordnung ausgebildet ist, einen mikromechanischen Schwingkörper 5 mit einem Mikrospiegel 6 auf, der um eine Drehachse 9 drehbar gelagert ist. Zudem weist das mikromechanische Schwingungssystem 11a eine elektromagnetische Antriebseinheit auf. Die elektromagnetische Antriebseinheit weist einen Spulenkörper 7 und eine Magneteinheit 17a auf. Die Magneteinheit 17a wiederum weist einen Magnetfluss leitenden Magnettopf 14a und einen Hartmagneten 13a auf. Die Magnetisierung des Hartmagneten 13a verläuft senkrecht zur Öffnung des Magnettopfs 14a. Außerdem weist das mikromechanische Schwingungssystem 11a ein Gehäuse 19a zur Abdeckung des Mikrospiegels 6 gegenüber einer äußeren Umgebung auf. Das Gehäuse ist in diesem Ausführungsbeispiel hermetisch verschlossen und dient dazu, den Mikrospiegel 6 gegenüber der äußeren Umgebung des Mikrospiegels 6 abzuschirmen.
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Der Mikrospiegel 6 weist eine hier nicht dargestellte erste Haupterstreckungsebene auf, welche parallel zur Drehachse 9 des Mikrospiegels angeordnet ist. Der Mikrospiegel 6 ist parallel zu einer hier nicht dargestellten, zweiten Haupterstreckungsebene des Spulenkörpers 7 angeordnet. Der Spulenkörper 7 und der Mikrospiegel 6 sind miteinander verbunden und in dieser Darstellung ist der Spulenkörper 7 oberhalb des Mikrospiegels 6 angeordnet. Der Magnettopf 14a und der Mikrospiegel 6 sind so zueinander ausgerichtet, dass die Öffnung 18a des Magnettopfs 14a in Richtung des Mikrospiegels 6 zeigt. Durch Bestromen des Spulenkörpers 7 ist der Mikrospiegel 6 um die Drehachse auslenkbar.
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In diesem ersten Ausführungsbeispiel wird das Gehäuse 19a des Mikrospiegels 6 aus einem Trägerelement 4 des mikromechanischen Schwingkörpers 5 und einem, in das Trägerelement 4 integrierten optischen Fenster 2 als Bodenfläche des Gehäuses 19a, einem Kappenelement als separates Gehäuseelement 12a und dem Hartmagneten 13a ausgebildet. Das optische Fenster 2 ist hierbei als eine geneigte Glasplatte ausgebildet, sodass Lichtstrahlen auf den Mikrospiegel 6 auftreffen und durch diesen umgelenkt werden können Der Hartmagnet 13a ist hierbei in eine Oberseite einer der Bodenfläche des Gehäuses 19a gegenüberliegende Seite des Gehäuses 19a integriert. Hierzu weist das Kappenelement auf einer Außenseite eine Öffnung oder Vertiefung auf, in die der Hartmagnet 13a mittels eines Klebstoffes 3b als Fügemittel geklebt wird. Auch der Magnettopf 14a und der Hartmagnet 13a sind mittels eines Klebstoffes als Fügemittel 3a verbunden.
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Der Magnettopf ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel als ein u-förmiger Magnetbügel ausgebildet. Sowohl der mikromechanische Schwingkörper 5, wie auch das separate Gehäuseelement 12a sind in diesem Ausführungsbeispiel als Siliziumbauteile, insbesondere als Silizium-Waferverbund-Bauteile, ausgebildet.
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1b zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines mikromechanischen Schwingungssystems 11b. Hierbei wird im Unterschied zu der ersten Ausführungsform die der Bodenfläche des Gehäuses 19b gegenüberliegende Seite des Gehäuses vollständig durch den Hartmagneten 13b ausgebildet. Der Hartmagnet 13b liegt hierbei auf dem, die Seitenwände des Gehäuses 19b ausbildenden separaten, umlaufenden Gehäuseelement 12b auf und ist mit diesem mittels eine Lots, Glaslots oder Klebstoffs verbunden.
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1c zeigt schematisch eine dritte Ausführungsform eines mikromechanischen Schwingungssystems 11c. Hierbei wird die der Bodenfläche des Gehäuses 19b gegenüberliegende Seite des Gehäuses durch den Membrantopf 14a ausgebildet. Das Gehäuse 19c spannt einen Hohlraum 15a auf, innerhalb dessen der Mikrospiegel 6 und der Hartmagnet 13c angeordnet sind.
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1d zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform eines mikromechanischen Schwingungssystems 11d. Das Gehäuse 19d spannt hier ebenfalls einen Hohlraum 15b auf, innerhalb dessen der Mikrospiegel 6 und der Hartmagnet 13d angeordnet sind. Im Unterschied zu der dritten Ausführungsform ist der Hartmagnet 13d an einer in Richtung des Mikrospiegels 6 ausgerichteten Unterseite des Hartmagneten 13d keilförmig ausgebildet.
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1e zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform eines mikromechanischen Schwingungssystems 11e. Im Unterschied zu der vierten Ausführungsform ist der Hartmagnet 13e an einer in Richtung des Mikrospiegels 6 ausgerichteten Unterseite des Hartmagneten 13e mit einem weichmagnetischen Polschuh 16 ausgebildet. Der weichmagnetische Polschuh 16 ist auch hier keilförmig ausgebildet.
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2a zeigt eine sechste Ausführungsform eines mikromechanischen Schwingungssystems 20. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen wird hierbei die Seitenwandung 27 des Gehäuses 24 und die Oberseite des Gehäuses 24 vollständig von dem Magnettopf 21 ausgebildet. Die Seitenwandung 27 des Magnettopfs 21 ist in diesem Zusammenhang vollständig geschlossen ausgebildet. Das Gehäuse 24 ist hierbei entsprechend lediglich aus dem Magnettopf 21 und dem Trägerelement 4 des mikromechanischen Schwingkörpers 20 ausgebildet. In das Trägerelement 4 ist auch hier das optische Fenster 2 integriert. Das Trägerelement 4 und der Magnettopf 21 sind mittels des metallischen Lots 3b miteinander verbunden. Der Hartmagnet 22 der Magneteinheit 29 ist auch hier innerhalb des Hohlraums 25 des Gehäuses 24 angeordnet und an der in Richtung des Mikrospiegels 6 ausgerichteten Unterseite des Hartmagneten 13d keilförmig ausgebildet.
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2b zeigt einen Querschnitt durch die auf 2a eingezeichnete Querschnittsebene 26, wobei in diesem Fall der Mikrospiegel nicht ausgelenkt ist und somit entlang der Querschnittsebene 26 verläuft. Hierbei ist eine Seitenwandung 27 des Magnettopfs 21 in einem Bereich 31, welcher senkrecht zu der Drehachse 9 und somit auch senkrecht zu einer Haupterstreckungsrichtung 30 des Spulenkörpers 7 ausgerichtet ist, ausgedünnt. Das Magnetfeld 32 des Hartmagneten 22 erstreckt sich über den kompletten Hohlraum 25 und die beiden Spulenkörper 7 werden in entgegengesetzte Stromrichtungen 33a und 33b bestromt.
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3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform einer Bodenfläche eines hier nicht weiter dargestellten Gehäuses zur Abdeckung des Mikrospiegels 6. Im Unterschied zu den vorherigen Ausführungsformen des Gehäuses wird hierbei die Bodenfläche des Gehäuses durch das Trägerelement 36 des mikromechanischen Schwingkörpers 5 und dem optischen Fenster 2 ausgebildet. Das optische Element 2 ist hierbei in eine weitere separate Waferschicht 37 unterhalb des Trägerelements 36 integriert. Die separate Waferschicht 37 ist ebenfalls Bestandteil des mikromechanischen Schwingungssystems.
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4 zeigt schematisch ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Schwingungssystems 54. Hierbei wird zunächst ein Magnettopf 41 mit einem Hohlraum 45 und einer Öffnung 48 mittels einer Trägervorrichtung 51 bereitgestellt. Die Seitenwandung des Magnettopfs 41 ist in diesem Zusammenhang vollständig geschlossen ausgebildet. In einem darauf folgenden Verfahrensschritt wird ein Fügemittel 40auf den Boden des Magnettopfs 41 als Fügemittel 40 aufgebracht. In einem darauf folgenden Verfahrensschritt 60 wird ein Hartmagnet mit dem Fügemittel 40 in Kontakt gebracht und somit der Hartmagnet 44 mit dem Magnettopf 41 verbunden. In einem darauf folgenden Verfahrensschritt 70 wird auf die Außenseite des Magnettopfs in Richtung der Öffnung 48 ein weiteres Fügemittel 42 aufgebracht. In einem weiteren Verfahrensschritt 80 wird das Trägerelement 49 des mikromechanischen Schwingkörpers 47 mit dem weiteren Fügemittel 42 in Kontakt gebracht und somit der Magnettopf 41 mit dem mikromechanischen Schwingkörper 47 verbunden. Es wird somit ein hermetisch abgedichtetes Gehäuse 53 für den Mikrospiegel 6 mit einem Hohlraum 45 erzeugt, in welchem neben dem Mikrospiegel 6 der Hartmagnet 44 angeordnet ist. Das Gehäuse 53 wird hierbei lediglich aus dem Magnettopf 41 und dem Trägerelement 49 des mikromechanischen Schwingkörpers 47 ausgebildet. Die Herstellung des mikromechanischen Schwingkörpers 47 kann auch im Verbund auf Wafer-level erfolgen, was hier jedoch zur Vereinfachung nicht dargestellt ist. In diesem Fall würde noch ein weiterer Vereinzelungsschritt zum Ende hin folgen. Abhängig von der Temperaturbelastung während des Herstellprozesses kann der Hartmagnet 44 bereits vor der Bereitstellung magnetisiert werden. Die Magnetisierung kann aber auch nach Fertigstellung des Bauteils erfolgen.
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5 zeigt beispielhaft schematisch eine Projektionsvorrichtung 220 in Form einer Mikroprojektionsvorrichtung mit einer Mikrospiegelanordnung als mikromechanisches Schwingungssystem 200. Neben der Mikrospiegelanordnung weist eine solche Mikroprojektionsvorrichtung eine Lasereinheit 190 auf, welche dazu ausgebildet, Licht wenigstens einer Wellenlänge auf die Mikrospiegelanordnung zu strahlen. Die Mikrospiegelanordnung wiederum ist dazu ausgebildet, das Licht wenigstens einer Wellenlänge in Abhängigkeit einer Auslenkung des Mikrospiegels der Mikrospiegelanordnung auf eine Projektionseinheit 210 abzulenken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010062591 A1 [0002]
