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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines oszillierend auslenkbaren mikromechanischen Elements.
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In der Mikromechanik kommen häufig Feder-Masse-Schwinger als Oszillatoren zum Einsatz. Dabei sind beweglich gelagerte und massebehaftete Elemente mit einem oder auch mehreren Federelementen gehalten. Die Federelemente bewirken Rückstellkräfte in Richtung der Ruhelage der ausgelenkten Elemente. Die oszillierende Auslenkung zwischen zwei Umkehrpunkten kann mit elektrischer Wechselspannung initiiert werden. Hierbei kann die Resonanzfrequenz eines oszillierend ausgelenkten Elementes berücksichtigt und für eine mit reduzierter Leistung erreichbare maximale Auslenkung genutzt werden.
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Der Antrieb erfolgt daher häufig zumindest in der Nähe einer Resonanzfrequenz.
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Problematisch ist dies beispielsweise bei einem Antriebskonzept, das als „Out-Of-Plane-Electrode-Comb” bezeichnet und von H. Schenk in „Ein neuartiger Mikroaktor zur ein- und zweidimensionalen Ablenkung von Licht”; Dissertation 2000; Gerhard-Mercator-Universität-Gesamthochschule-Duisburg beschrieben ist. Dabei treten neben einem Hysterese-Effekt auch weitere Nachteile auf. So können bei vorhandenen Federelementen mit linearer Federkennlinie für die oszillierende Auslenkung sinnvoll nur elektrische Wechselspannungen mit Frequenzen größer als die Resonanzfrequenz der auszulenkenden Elemente genutzt werden. Dies erhöht den Aufwand für die Steuerung einer solchen Auslenkung erheblich, da die Oszillation bei einer Frequenz unterhalb der Resonanzfrequenz zusammenbricht.
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Beim Betrieb dieser bekannten Elemente wird so vorgegangen, dass mittels einer Folge von Spannungsimpulsen mit einer Frequenz in der Größenordnung des Vierfachen der mechanischen Resonanzfrequenz die Oszillation gestartet. Im geregelten Betrieb wird dann eine elektrische Wechselspannung mit einer Frequenz, die dem Doppelten der Resonanzfrequenz entspricht genutzt.
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Es ist zu beachten, dass die maximale Schwingungsamplitude nicht erreichbar ist, wenn die Frequenz ausgehend von niedrigeren Werten erhöht wird. Dies führt dazu, dass bei einer Oszillation mit maximaler Amplitude der Auslenkung jede kleinste Verringerung der Anregungsfrequenz zum Zusammenbruch der Oszillation führt. Demzufolge muss ein erneutes „Anfahren” mit erheblich höherer Anregungsfrequenz, wie vorab erwähnt durchgeführt werden.
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Für einen stabilen Betrieb bei Resonanzbedingungen ist daher eine genaue Regelung von Frequenz und Phase erforderlich. Nur so kann stabil mit maximaler Auslenkung gearbeitet werden. Es ist ein entsprechend hoher Aufwand für die Regelung erforderlich.
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Wird oder kann dies nicht erreicht werden, ist eine Nutzung der maximal möglichen Auslenkung nicht gegeben, da wie erwähnt geringe Abweichungen von der vorgegebenen Anregungsfrequenz (nämlich dem Doppelten der Resonanzfrequenz) zum Abbruch der Oszillation führen können. Zur Sicherung eines stabilen Betriebes muss daher die Auslenkung begrenzt werden, so dass eine maximal mögliche Auslenkung nicht genutzt werden kann.
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Ein weiterer zu beachtender Punkt ist die Stabilität der Amplitude der Auslenkung. Sie hängt in der Nähe der Resonanzfrequenz ebenfalls von der Anregungsfrequenz ab. So kann eine kleine Änderung der Anregungsfrequenz in der Nähe der Resonanzfrequenz zu einer erhöhten Zunahme der Amplitude führen.
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Diese Zusammenhänge können mit den in den 2 und 3 gezeigten Diagrammen besser verstanden werden.
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Insbesondere bei mit kleiner Länge und linearer Federkennlinie eingesetzten Federelementen, die bei sehr hohen Frequenzen betrieben werden sollen, wird die maximale erreichbare Auslenkung begrenzt. So kann ein Element mit zwei geradlinigen Torsionsfederelementen gehalten sein. Mit zunehmender Auslenkung also bei größeren Drehwinkeln werden die Torsionsfederelemente steifer und die Federkennlinie ist dann progressiv. Dies führt in Verbindung zu den vorher bezeichneten Nachteilen und bei ungeregeltem Betrieb dazu, dass die maximal mögliche Auslenkung nicht erreicht werden kann. Durch das progressive Federverhalten erhöht sich die Resonanzfrequenz bei steigender Auslenkung. Der Frequenzgang beginnt sich also umzukehren, wie dies aus dem in 3 gezeigten Diagramm hervorgeht. Die Frequenzerniedrigung beim Anfahren müsste ab einem bestimmten Amplituden-Frequenzverhältnis umgekehrt werden, was in einem ungeregelten Betrieb real nicht möglich ist.
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Üblicherweise ist die Resonanzfrequenz eine Basisgröße für die Auslegung von oszillierenden Elementen/Systemen, die bei Resonanz betrieben werden sollen/können. Es sind nur geringe Abweichungen zulässig. Man ist daher bestrebt die Abhängigkeit der Frequenz von anderen Größen, wie der jeweiligen Auslenkung möglichst klein zu halten. Es werden daher Federelemente mit linearer Federkennlinie eingesetzt, um eine sich ändernde Resonanzfrequenz zu vermeiden.
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Weiter sind aus
EP 0 754 958 A2 Mikromechanische auslenkbare Elemente bekannt, bei denen Federelemente mit nichtlinearer Federkennlinie eingesetzt werden können.
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Von M. H. Miller et al. sind in: ”Simple models for piston- type micromirror behavior”, J. Micromech. Microeng. 16 (2006), S. 303–313, Untersuchungen zu entsprechenden Mikrospiegeln vorgestellt worden.
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Die
WO 03/073597 A1 beschreibt Mikroaktuatoren mit elektrostatischem Antrieb für eine Auslenkung.
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Die
DE 600 02 121 T2 betrifft ein oszillierendes Element, das mit Federelementen gehalten ist.
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Trey A. Roessig et al. beschreiben in ”Surface-Micromechined Resonant Accelerometer”, TRANSDUCERS '07, 1997 international Conference on Solid-state Sensors and Actuators (Chicago, June 16–19, 1997), S. 859–862, miniaturisierte Beschleunigungssensoren.
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Von Thomas Braun et al. werden in ”Micromechanical mass sensors for biomolecular detection in a Physiological environment”, PHYSICAL REVIEW E 72,031907 (2005), S. 1–9, mögliche Einflüsse von sich verändernden Massen bei molekularbiologischen Untersuchungen an einem schwingenden System erläutert.
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Die
WO 2005/029107 A1 beschreibt ein Resonantmagnetometer, bei dem ein oszillierendes Element mit elektrischer Wechselspannung betrieben wird.
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Die Offenbarung der
DE 694 32 074 T2 betrifft einen mikromechanischen Querbeschleunigungsmesser.
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Von Jian Ping Zhao et al. sind in A study of dynamic characteristics and simulations of MEMS torsional mirrors”; Sensors and Actuators A 120; 2005; S. 199–210 Ausführungen über das Verhalten von Mikrospiegeln, die auch eine nichtlineare Federkennlinie aufweisen, bzgl. der Resonanzfrequenz, zu entnehmen.
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Von Y. Martin et al. wird in „Atomic force microscopeforce mapping and profiling an a sub 100 Ä scale”; J. Appl. Phys. 61; (1967), S. 4723–4729 auf ein Atomkraftmikroskop hingewiesen, bei der eine Spitze oszillierend ausgelenkt werden soll. Ein solches Mikroskop betrifft auch
US 2002/0166368 A1 .
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In
DE 1 800 588 A1 ist ein durch einen Unwuchterreger angetriebener Schwinger beschrieben, bei dem degressiver Federverhalten genutzt werden kann. Dies trifft auch auf das aus
US 2003/0127785 A1 bekannte Schock- und Schwingungsisolationssystem zu.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung oszillierend auslenkbare mikromechanische Elemente zur Verfügung zu stellen, die stabil und einfach betrieben bzw. genutzt werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst, Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Die mikromechanischen Elemente sind mittels mindestens eines Federelementes gehalten. Die oszillierende Auslenkung zwischen zwei Umkehrpunkten kann mit einer elektrischen Wechselspannung erreicht werden. Das eine oder auch mehrere Federelement(e) weist/weisen eine nicht lineare Federkennlinie auf, wobei die Auswahl der jeweiligen Nichtlinearität für die jeweilige konkrete Anwendung erfolgen kann.
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Dadurch verändert sich bei unterschiedlichen Auslenkungen die jeweilige mechanische Eigenresonanzfrequenz. Dies kann gezielt ausgenutzt werden, um beispielsweise eine möglichst große Auslenkung mit geringer Antriebsenergie unter Ausnutzung der mechanischen Eigenresonanzfrequenz erreichen zu können. Dabei kann eine Frequenz für den Antrieb der Auslenkung gezielt eingestellt werden, die bei einer bestimmten Auslenkung zur Eigenresonanz führt. Dies kann bei mehreren Frequenzen und dann mit jeweils entsprechen der Auslenkung eines Elementes erreicht werden. Dieser Vorteil kann, wie nachfolgend noch erläutert werden soll, ausgenutzt werden.
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Mehrere Federelemente sollten symmetrisch angeordnet und in gleicher Form gestaltet und dimensioniert sein. Die oszillierende Auslenkung kann translatorisch und/oder rotatorisch, also dann in Form einer Verschwenkung mit Winkelbeträgen um eine Rotationsachse erfolgen, Sie kann in an sich bekannter Form mit elektrostatischen Kräften oder auch auf kapazitivem Wege erwirkt werden.
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Die Federkennlinie von Federelementen ist zumindest in einem Bereich der Auslenkung degressiv. Es kann aber auch die Kombination von degressivem und progressivem Verhalten in Abhängigkeit von der jeweiligen Auslenkung berücksichtigt werden. So kann beispielsweise degressives Verhalten bei kleinen Auslenkungen und progressives Verhalten bei größeren Auslenkungen vorliegen.
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Die Abweichung der Federkennlinie von der Nichtlinearität sollte mindestens 5% betragen. Dabei soll Nichtlinearität zumindest in einem Bereich der jeweiligen Auslenkung erreicht werden. Es kann beispielsweise nach Erreichen einer bestimmten Auslenkung auch ein progressives Federverhalten möglich sein.
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Die Frequenz der elektrischen Wechselspannung mit der die oszillierende Auslenkung bewirkt werden soll, sollte regelbar und für eine Auswertung bzw. eine Detektion von Messgrößen, worauf nachfolgend noch zurück zu kommen sein wird, auch bestimmt werden können.
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Die mikromechanischen Elemente können in unterschiedlicher Form ausgebildet und eingesetzt werden. So können sie als Mikrospiegel (Scannerspiegel), als Taktgeber oder auch Sensorelemente ausgebildet sein.
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Mit ihnen können Drücke oder auch Viskositäten von Fluiden, in denen das jeweilige Element angeordnet ist, bestimmt werden. Sei sich änderndem Druck oder sich ändernder Viskosität verändert sich das Dämpfungsverhalten, die jeweils erreichbare Auslenkung und die Frequenz der elektrischen Wechselspannung. Die Änderung der Frequenz kann relativ leicht, mit geringem Aufwand und kleinem Fehler bestimmt und als Maß für den jeweiligen Druck oder der Viskosität des Fluides (Gases) ausgewertet werden.
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Es können aber auch Beschleunigungen, die auf ein erfindungsgemäßes Element wirken, bestimmt werden. Die Beschleunigung kann linear wirken oder auch als Winkelbeschleunigung berücksichtigt werden.
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Bei einem oszillierend ausgelenkten Element kann eine in Richtung der Auslenkung wirkende Beschleunigung zu einer Verschiebung der Ruhelage (Mittenlage zwischen Umkehrpunkten) führen. Mit einem Federelement mit progressiver Federkennlinie erhöht sich dadurch auch die Frequenz der oszillierenden Auslenkung. Die Änderung der Frequenz kann so als Maß für die wirkende Beschleunigung genutzt werden.
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Mit Elementen können aber auch sich ändernde Massen detektiert werden. Dies betrifft insbesondere die Eigenmasse des oszillierend ausgelenkten Elements. So kann beispielsweise eine Oberfläche zumindest bereichsweise mit einer adhäsiv wirkenden Beschichtung versehen sein, an der spezifische Stoffe anhaften können, so dass sich die Masse erhöht. Durch Zunahme der Masse verringert sich die Frequenz, was zu einer Erhöhung der Auslenkung und dadurch wieder zu einer weiteren Verringerung der Frequenz bei erhöhter Messempfindlichkeit führt. Hierfür ist ein degressives Federverhalten günstig.
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Bei der Detektion der bezeichneten Messgrößen können Fehler durch sich ändernde Umgebungsbedingungen, wie z. B. Temperatur oder Atmosphärendruck infolge der voneinander abweichenden Zeitkonstanten erkannt und bei einer Auswertung berücksichtigt werden, da sich solche Drücke und Temperaturen deutlich langsamer ändern, als z. B eine Beschleunigung.
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Die Elemente können auch als Taktgeber mit geregelter Frequenz eingesetzt werden. Dabei kann die Resonanzfrequenz durch Veränderung der Auslenkung, was z. B. durch Veränderung der elektrischen Spannung erreichbar ist, verändert und so eine bestimmte Taktfrequenz eingestellt werden.
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Mit der Erfindung kann auch Einfluss auf die oszillierende Auslenkung genommen werden, so dass eine von einer Sinusform abweichende oszillierende Auslenkung erreicht werden kann. So kann mit Federelementen, deren Federkennlinie degressiv ist eine zumindest nahezu trapezförmige Auslenkungsbewegung zwischen umkehrpunkten und bei Federelementen mit einer progressiven Federkennlinie eine nahezu dreieckförmige Auslenkungsbewegung erreicht werden. Mit letztgenannter Auslenkungsbewegung können vorteilhaft Mikrospiegel für Displayanwendungen betrieben werden, da ein Umkehrpunkt einer solchen Schwingung nicht nutzbar ist.
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Die Erfindung kann außerdem für die Datenaufnahme, neben Scannern auch in der Mikroskopie, für die Datenausgabe in Laserdisplays, bei Laserdruckern oder Laserbelichtern eingesetzt werden. Ein Einsatz ist auch in Fourierspektrometern, für eine Weglängenmodulation oder die Manipulation von elektromagnetischer Strahlung möglich.
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Bei der Erfindung einsetzbare Federelemente können durch aneinander gereihte unterschiedlich gestaltete und dimensionierte Einzelelemente gebildet sein und quasi eine Reihenschaltung bilden. So können beispielsweise Biege- oder Torsionsbalken mit anderen Formen kombiniert sein. Ein solcher Balken kann z. B. an einer oder beiden Stirnseiten mit einer Verzweigung, wie eine Gabelung ausgebildet sein. Es können auch Bereiche an einem solchen teilweise balkenförmigen Federelement angreifen, deren Ausrichtungen von der Längsachse des balkenförmigen Teiles abweichen. Federelemente können aber auch so ausgebildet sein, dass der Teil, der am oszillierend auszulenkenden Element angreift und die Seite die gelagert oder fest eingespannt ist, unterschiedlich ausgebildet sind.
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Mit der Erfindung kann ein größerer Frequenzbereich, bei oszillierender erhöhter Auslenkung durch Ausnutzung von Resonanz, ausgenutzt werden.
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Fertigungstoleranzen, die beispielsweise eine entsprechende Eigenresonanzfrequeuz bewirken, können besser kompensiert werden. Dies wirkt sich insbesondere vorteilhaft bei mehrdimensionaler Auslenkung aus. Dabei müssen in der Regel bei der Auslenkung um mindestens zwei Achsen bestimmte Frequenzverhältnisse eingehalten werden, um Auslenkungen bei Einhaltung von Resonanzbedingungen zu ermöglichen. Weicht aber in Folge von nicht eingehaltener Fertigungstoleranzvorgabe mindestens eine mechanische Eigenresonanzfrequenz ab, ist ein solcher Betrieb nicht möglich. Dies kann aber mit der Erfindung wegen des größeren nutzbaren Frequenzbereichs kompensiert werden.
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Wird die Erfindung bei sensitiven Elementen für die Detektion physikalischer Messgrößen eingesetzt, kann deren Sensitivität erhöht werden.
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Mit den Figuren soll der technische Sachverhalt besser erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 ein Diagramm der Anregungsfrequenz und Auslenkung mit Berücksichtigung der Resonanzfrequenz bei Federelementen mit linearer Federkennlinie;
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2 ein Diagramm der Frequenz und Auslenkung eines Elementes mit Federelementen, die eine lineare Federkennlinie aufweisen und mittels Out-Of-Plane-Electrode-Comb-Antrieb ausgelenkt werden;
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3 ein Diagramm der sich in Abhängigkeit der Auslenkung ändernden Resonanzfrequenz bei Federelementen mit progressiver Federkennlinie;
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4 ein Diagramm der sich in Abhängigkeit der Auslenkung verändernden Resonanzfrequenz bei Federelementen mit degressiver Federkennlinie und
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5 Beispiel für Gestaltungsformen von bei der Erfindung einsetzbaren Federelementen.
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So sind in 5 acht Beispiele für mögliche Ausbildungen von bei der Erfindung einsetzbaren Federelementen gezeigt. Dabei ist in allen, bis auf das rechts in der unteren Reihe gezeigte Beispiel, ein geradlinig in Richtung der Längsachse ausgerichteter Bereich vorhanden. Die in der oberen Reihe gezeigten Beispiele haben an einer Stirnseite eine Gabelung/Verzweigung, die v- oder auch u-förmig ausgebildet ist.
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Die in der unteren Reihe dargestellten Beispiele weisen an beiden Stirnseiten Gabelungen/Verzweigungen auf, die jeweils auch unterschiedlich gestaltet oder bezüglich ihrer Länge in Richtung der Längsachse variiert sein können.
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Das in der unteren Reihe ganz rechts gezeigte Beispiel ist aus zwei unmittelbar miteinander verbundenen Gabelungen/Verzweigungen gebildet, wobei eine u- und die andere v-förmig ausgebildet ist.
