DE19728598A1 - Mikromechanische Spiegeleinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Spie­ geleinrichtung mit einem als Grundkörper dienenden Substrat, mit zumindest einer ortsfest auf dem Sub­ strat angeordneten Kontaktierungselektrode, mit zu­ mindest einem länglichen Federelement, dessen eines Längsende mit der Kontaktierungselektrode verbunden ist, mit einem Spiegelelement, das über das Feder­ element schwenkbar gehalten ist und mit zumindest einem Aktorelement zum Antrieb des Spiegelelements.

Stand der Technik

Derartige mikromechanische Spiegeleinrichtungen sind bekannt. Sie weisen ein Spiegelelement auf, das über ein Federelement, insbesondere einen Tor­ sionsstab, auf einem Substrat schwenkbar gehalten ist. Unterhalb des Spiegelelements ist in das Sub­ strat eine Ausnehmung eingebracht, so daß das Spie­ gelelement eine Schwingung ausführen kann. Die Schwingung läßt sich mittels eines als elektrosta­ tischer Antrieb wirkenden Aktorelements erreichen. Das Aktorelement umfaßt einen von außen mit einer Spannung beaufschlagbaren Kondensator, dessen eine Elektrode am Grund der Ausnehmung und dessen andere Elektrode von der Unterseite des Spiegelelements gebildet wird. Derartige Schwingspiegel werden bei­ spielsweise als Lichtmodulatoren für Displays und in der integrierten Optik als optisches Relais ein­ gesetzt. Ferner dienen sie als Element zum Abscan­ nen eines Bereichs in einem Innenraum eines Gebäu­ des oder eines Kraftfahrzeugs.

Da bei einem durch zwei Kondensatorelektroden ge­ bildeten elektrostatischen Antrieb die Antriebs­ kraft einerseits von den Elektrodenplattenoberflä­ chen und andererseits von deren Abstand zueinander abhängt, muß bei den bekannten mikromechanischen Spiegeleinrichtungen ein Kompromiß zwischen ge­ wünschter Auslenkung des Spiegelelements und maxi­ mal möglicher Kondensatorspannung getroffen werden. Das heißt, durch große Abstände der Platten sind zwar große Auslenkungen erreichbar, allerdings kann die notwendige Antriebskraft für das Spiegelelement nur mit vergleichsweise sehr hohen elektrischen Spannungen erreicht werden. Dies kann bei mikrome­ chanischen Strukturen, insbesondere Spiegeleinrich­ tungen, zu elektrischen Isolationsproblemen führen. Kommen jedoch niedrige Antriebsspannungen zum Ein­ satz, muß der Abstand zwischen den Kondensatorelek­ troden, also der Spiegelunterseite und der in der Ausnehmung eingebrachten Elektrode, geringer ge­ wählt werden, so daß die notwendige elektrostati­ sche Antriebskraft erreicht wird. Bedingt durch den geringen Abstand zwischen den Kondensatorelektroden ergibt sich jedoch nur ein geringer Auslenkungsbe­ reich des Spiegelelements.

Vorteile der Erfindung

Die mikromechanische Spiegeleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch eine räumliche Trennung von Aktorelement und Spiegeleinrichtung ein mikromechanischer Spiegel geschaffen wird, der sich durch einen großen Aus­ lenkwinkelbereich des Spiegelelements bei geringer Energieversorgung des Aktorelements auszeichnet. Die räumliche Trennung von Spiegelelement und Ak­ torelement ermöglicht insbesondere eine Entkopplung der Parameterwahl, so daß sich beide Elemente opti­ mal konfigurieren lassen. Der Antrieb des Spiegel­ elements ändert sich dagegen nur insofern, als daß das notwendige Drehmoment indirekt über einen Ab­ schnitt des Federelements auf das Spiegelelement übertragen wird. Desweiteren führt diese Kopplung über das Federelement zu einem schwingfähigen Sy­ stem, bestehend aus Spiegelelement, Federelement und Aktorelement, was bei Nutzung der Resonanzfre­ quenz eine Vergrößerung des Auslenkwinkels ermög­ licht. Es ist also quasi eine Übersetzung vorhan­ den, die sich je nach Aufteilung der Bereiche des Federelements zwischen Spiegel und Aktor und zwi­ schen Aktor und Kontaktelektrode variieren läßt. Es ist also möglich, das Federelement in Bereiche der­ art aufzuteilen, daß der Bereich des Federelements zwischen Aktorelement und Spiegelelement aufgrund der angeregten Resonanzschwingung stärker tordiert wird als der Bereich des Federelements zwischen Kontaktierungselektrode und Aktorelement.

Ferner kann eine Einstellung des Auslenkwinkelbe­ reichs des Spiegelelements durch Variation des Querschnitts des Federelements erreicht werden. Das heißt, ein im Querschnitt "dickes" Federelement er­ zeugt bei der Torsionsschwingung einen größeren Wi­ derstand als ein im Querschnitt dünnes Federele­ ment. Es ist also erkennbar, daß eine Beeinflussung der schwingenden Gesamtanordnung durch geeignete Auswahl beziehungsweise Ausgestaltung des Federele­ ments bewirkt werden kann.

Mittels des Steifigkeitsverhältnis' des Federele­ ments, einerseits durch Veränderung des Quer­ schnitts des Federelements und andererseits durch Variation der Länge der beiden Bereiche des Feder­ elements, kann also die Amplitudenüberhöhung im Re­ sonanzfall beeinflußt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß auf dem Substrat eine weitere Kontaktie­ rungselektrode angebracht ist. Mit der Kontaktie­ rungselektrode ist ein weiteres Federelement mit seinem einen Längsende verbunden, wobei sein an­ deres Längsende mit dem Spiegelelement verbunden ist. Vorzugsweise ist auch diesem Federelement ein Aktorelement zugeordnet. Mit dieser Ausgestaltung wird erreicht, daß die Antriebskräfte für das Spie­ gelelement erhöht werden können, wodurch ein noch größerer Auslenkwinkel des Spiegelelements erziel­ bar ist. Andererseits ist es jedoch auch möglich, die Aktorelemente jeweils mit einer Energie zu ver­ sorgen, die betragsmäßig geringer ist als bei einem Antrieb mit nur einem Antrieb. Das bedeutet, daß eine geringere Antriebsenergie für ein Aktorelement notwendig wird. Ferner bewirkt eine Lagerung des Spiegelelements an zwei Federelementen eine präzise Schwingungsauslenkung, so daß Auslenkungen in uner­ wünschten Richtungen vermieden werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Federelement als länglicher Fe­ derstab ausgebildet ist, der durch das Aktorelement tordiert werden kann. Vorzugsweise liegen die bei­ den Federstäbe auf einer gemeinsamen gedachten Li­ nie; das heißt, daß die Federstäbe fluchten.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist vorge­ sehen, daß das Aktorelement eine beabstandet zum Spiegelelement am Federelement angeordnete Elek­ trode und eine gegenüberliegende auf dem Substrat vorgesehene Gegenelektrode umfaßt. Dadurch wird ein elektrischer Antrieb für das Spiegelelement reali­ siert, der bei einer großen Auslenkung des Spiegel­ elements durch - die vor stehend erwähnte Überset­ zung - eine geringe Antriebsspannung benötigt. Da­ durch wird einerseits eine unerwünscht hohe Wär­ meentwicklung vermieden, andererseits ergeben sich durch geringere elektrische Spannungen keine Isola­ tionsprobleme bei geringen Abständen der Elektro­ den. Weiterhin ist es durch einen elektrischen An­ trieb besonders einfach möglich, die schwingende Anordnung, bestehend aus Federelement, Elektrode des Aktorelements und Spiegelelement, mit einer vorzugsweise Wechselspannung in eine Schwingung zu versetzen, wobei der Kurvenverlauf je nach Anforde­ rung gewählt werden kann. Selbstverständlich kann auch eine pulsierende Gleichspannung als Antriebs­ spannung vorgesehen sein.

Weiterhin bietet ein elektrischer Antrieb bei zwei Aktorelementen den Vorteil, daß eine Auslenkung des Spiegelelements in einer zweiten Richtung möglich ist. Dies wird dann möglich, wenn die Aktorelemente gegenphasig, das heißt mit Antriebsspannungen be­ trieben werden, die zueinander phasenverschoben sind. Es ist also möglich, das Spiegelelement in eine Schwingung um die Längsachse der Federelemente zu versetzen und eine weitere Schwingung, die vor­ zugsweise senkrecht zur ersten Schwingung verläuft, zu überlagern. Durch geeignete Auswahl der An­ triebsspannungen, insbesondere durch eine Phasen­ verschiebung, wird es also möglich, das Spiegelele­ ment in zwei Dimensionen auszulenken, nämlich ei­ nerseits in eine Drehschwingung um eine Spiegel­ längsachse und andererseits in eine zweite Dreh­ schwingung (Kippschwingung) um eine Spiegelquer­ achse. Trifft bei einer derartigen Auslenkung des Spiegels ein Lichtstrahl auf eine Spiegelfläche, so wird der Lichtstrahl entsprechend der Schwingfre­ quenz des Spiegels in zwei Dimensionen abgelenkt. Eine Projektion dieses Strahls auf einer Fläche er­ gibt eine Lissajous-Figur. Entsprechend dem Ver­ hältnis der Frequenzen beider Schwingungen kann eine Abtastung einer Fläche oder eines Raumes er­ folgen. Die Abtastung kann zudem noch wesentlich feiner aufgelöst werden, wenn die beiden Schwingun­ gen zueinander phasenverschoben sind. Dadurch wird es möglich, einen Raum oder eine Fläche derart ab­ zutasten, daß sich nahezu keine unabgetasteten Be­ reiche im Raum ergeben.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Aktorelement zwei Gegenelektro­ den umfaßt, wobei die diesen beiden Gegenelektroden zugeordnete Elektrode spiegelsymmetrisch zum Feder­ element angeordnet ist. Dadurch wird es möglich, daß ein Antrieb des Spiegelelements derart reali­ siert wird, so daß die Torsionsschwingung bezie­ hungsweise die Drehschwingung in beiden Drehrich­ tungen erzwungen wird. Das heißt, das Spiegelele­ ment wird in beiden Drehrichtungen ausgelenkt und zurückgestellt, so daß eine mechanische Rückstell­ kraft des Federelements überwunden beziehungsweise unterstützt wird. Dadurch läßt sich eine besonders gleichmäßige Drehschwingung des Spiegelelements er­ zielen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß das Substrat unterhalb des Spiegelelements eine Ausnehmung aufweist, deren Grundfläche größer als die des Spiegelelements und deren Tiefe ent­ sprechend der gewünschten maximalen Auslenkung ge­ wählt ist. Es ist also möglich, das Spiegelelement in einer geringen Höhe zum Substrat anzuordnen, wo­ bei dennoch eine genügend große Auslenkung des Spiegelelements gewährleistet ist.

In bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Spiegelelement zwei im wesentlichen rechteck­ förmig ausgebildete Spiegelflächen umfaßt, die spiegelsymmetrisch zu der Längsachse des Federele­ ments an diesem angebracht sind. Dadurch wird es möglich, den Bereich des Federelements zwischen dem Aktorelement und dem Spiegelelement zu verlängern, wodurch die maximale Auslenkung des Spiegelelements bei Anregung mit Resonanzfrequenz erhöht werden kann, da dieser verlängerte Bereich des Federele­ ments gegenüber einer kürzeren Ausführung wesent­ lich stärker tordiert werden kann.

Vorzugsweise kann die Oberfläche des Spiegelele­ ments verschiedenartig ausgebildet sein. Einerseits ist es möglich, das Spiegelelement als reine Spie­ geleinrichtung auszuführen, andererseits kann die Oberfläche derart beschaffen sein, daß eine Filte­ rung des Lichts vorgenommen wird. Beispielsweise läßt sich zumindest eine Spektralfarbe des Licht­ strahls herausfiltern.

Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Spiegeleinrich­ tung, das sich dadurch auszeichnet, daß auf einem Substrat poröses Silizium erzeugt wird, und zwar unterhalb eines Bereichs, der in der mikromechani­ schen Spiegeleinrichtung unterhalb der beweglichen Teile, nämlich Spiegelelement, Federelement und Ak­ torelement, liegt. Anschließend werden die Kontak­ tierungselektroden auf das Substrat aufgebracht. Auf die porösen Bereiche des Siliziums wird weiter­ hin eine epitaktische Schicht, vorzugsweise Sili­ zium, aufgewachsen, wobei anschließendes selekti­ ves Entfernen des porösen Siliziums zum Herstellen der beweglichen Teile führt. Dadurch wird in vor­ teilhafter Weise erreicht, daß ein Spiegel reali­ siert werden kann, der aus mono- oder polykristal­ linem Silizium besteht. Dadurch kann insbesondere die Oberfläche des Spiegelelements derart beein­ flußt werden, daß keine Oberflächenwölbungen oder Rauhigkeiten vorhanden sind, so daß ein Lichtstrahl mit hoher Effizienz exakt abgelenkt werden kann. Eine derartig erzeugte mikromechanische Spiegelein­ richtung findet insbesondere in abtastenden opti­ schen Bauteilen, beispielsweise Barcode-Lesegeräten oder Raumüberwachungseinheiten, Anwendung.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbei­ spiels mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mikromechanische Spiegeleinrichtung,

Fig. 2 die mikromechanische Spiegeleinrichtung gemäß Fig. 1, wobei das Spiegelelement aus seiner Grundposition ausgelenkt ist und

Fig. 3 die mikromechanische Spiegeleinrichtung gemäß Fig. 1, wobei das Spiegelelement aus seiner Grundposition ausgelenkt ist.

In Fig. 1 ist eine mikromechanische Spiegelein­ richtung 1 gezeigt, die auf einem als Grundkörper dienenden Substrat 2, insbesondere Silizium, ausge­ bildet ist. Die Spiegeleinrichtung 1 umfaßt Kontak­ tierungselektroden 3 und 4, zwei Federelemente 5 und 6, ein im wesentlichen rechteckförmig ausgebil­ dete Spiegelflächen aufweisendes Spiegelelement 7 sowie zwei Aktorelemente 8 und 9.

Die Kontaktierungselektroden 3 und 4, die Federele­ mente 5, 6, das Spiegelelement 7 sowie die Aktor­ elemente 8, 9 sind spiegelsymmetrisch zu einer Längsachse 27 (Spiegellängsachse) und zu einer zur Längsachse 27 rechtwinklig verlaufenden Achse 27' (Spiegelquerachse). Beide Achsen liegen in einer gemeinsamen parallel zu einer Oberseite 2' des Sub­ strats 2 angeordneten Ebene.

Die Kontaktierungselektroden 3 und 4 sind ortsfest auf dem Substrat 2 angeordnet und bilden Befesti­ gungspunkte 10, 11 für die Federelemente 5 und 6. Die Federelemente 5 und 6 sind mit einem ihrer Längsenden jeweils an den Befestigungspunkten 10, 11 angebracht beziehungsweise einstückig mit den Kontaktierungselektroden 3 und 4 ausgebildet. Das Federelement 5 ist mit seinem einen Längsende am Bereich 12 des Aktorelements 8 angeordnet bezie­ hungsweise einstückig mit diesem ausgebildet und trägt an seinem anderen Längsende das Spiegelele­ ment 7. Mithin wird ein Federelementabschnitt 20 gebildet, der sich also zwischen dem Aktorelement 8 und dem Spiegelelement 7 befindet.

Dem Aktorelement 9 beziehungsweise dessen Bereich 13 ist ein Federelementabschnitt 21 mit seinem einen Längsende zugeordnet beziehungsweise einstüc­ kig mit dem Bereich 13 ausgeführt. An seinem ande­ ren Längsende trägt der Federelementabschnitt 21 das Spiegelelement 7. Ohne weiteres ist ersicht­ lich, daß die Federelemente 5 und 6 jeweils durch die Federelementabschnitte 20 und 21 sowie durch Federelementabschnitte 22 und 23 gebildet werden, wobei die Federelementabschnitte 22 und 23 jeweils zwischen dem zugehörigen Aktorelement 8 beziehungs­ weise 9 und der zugeordneten Kontaktierungselek­ trode 3 beziehungsweise 4 ausgebildet sind. Vor­ zugsweise sind die Kontaktierungselektroden 3 und 4, die Bereiche 12 und 13, das Spiegelelement 7 und die Federelemente 5 und 6 einstückig ausgebildet.

Den Federelementen 5 und 6 ist jeweils ein Aktor­ element 8 beziehungsweise 9 zugeordnet, wobei flä­ chige Bereiche 12, 13 je eine Elektrode 14 und 15 bilden und vorzugsweise einstückig mit den zugehö­ rigen Federelementen 5 beziehungsweise 6 ausgeführt sind. Unterhalb der Elektroden 14 und 15, die vor­ zugsweise eine kleinere Fläche als das Spiegelele­ ment 7 aufweisen, sind je zwei Gegenelektroden 16, 17 beziehungsweise 18 und 19 auf dem Substrat 2 ausgebildet. Die Gegenelektroden 16 bis 19 weisen jeweils Anschlußelemente (nicht dargestellt) auf, die auf dem Substrat 2 ausgebildet sind und einen elektrischen Anschluß ermöglichen. Die Elektroden 14 beziehungsweise 15 sind über ihre zugehörigen Kontaktierungselektroden 3 beziehungsweise 4 und über die zugehörigen Federelemente 5 und 6 elek­ trisch ansteuerbar. Mithin werden durch die Elek­ troden 14 und 15 sowie die Gegenelektroden 16 bis 19 kapazitive Strukturen, also Kondensatoren C1, C2, C3 und C4 gebildet, wobei die Kondensatoren C1 und C4 dem Aktorelement 8 und die Kondensatoren C2 und C3 dem Aktorelement 9 zugeordnet sind.

Das Substrat 2 weist Ausnehmungen 24, 25 und 26 auf, wobei am Grund der Ausnehmung 24 die Gegen­ elektroden 16 und 17 angebracht sind. Entsprechen­ des gilt für die Ausnehmung 26, das heißt, auf de­ ren Boden sind die Gegenelektroden 18 und 19 ange­ ordnet.

Die Ausnehmung 25 liegt - in Richtung der Längsachse 27 gesehen - zwischen den beiden Ausnehmungen 24 und 26 und ist dem Spiegelelement 7 zugeordnet. Die Ausnehmung 25 weist eine Grundfläche auf, die größer als die Grundfläche des Spiegelelements 7 ist, so daß das Spiegelelement 7 in die Ausnehmung 25 schwenkbeweglich eintauchen kann. Die Tiefe der Ausnehmung ist von einem maximal gewünschten Aus­ lenkwinkel abhängig, das heißt, je tiefer die Aus­ nehmung 25 in das Substrat 2 eingebracht ist, desto größer kann der Auslenkwinkel des Spiegelelements 7 gewählt werden.

Es ist erkennbar, daß das Spiegelelement 7 mit den vorzugsweise stabförmigen Federelementen 5 und 6 freibeweglich aufgehängt ist und bei einer Torsion der Federelemente, insbesondere der Federelementab­ schnitte 20 und 21, sich um die Längsachse 27 dre­ hen kann. Die Tiefe der Ausnehmung 25 ist dabei vorzugsweise so bemessen, daß das Spiegelelement 7 beispielsweise um +/- 30° ausgelenkt werden kann, ohne dabei das Substrat 2, also einen Boden der Ausnehmung 25, zu berühren.

Damit das Spiegelelement 7 in eine Drehbewegung versetzt werden kann, werden die Aktorelemente 8 und 9 jeweils mit einer elektrischen Spannung be­ aufschlagt, die zu einer Verkleinerung oder Ver­ größerung des Abstands der die Kondensatoren bil­ denden Elektroden führt. Da die auf die Elektrode 14 und 15 wirkende Kraft beabstandet zu der Längsachse 27 des Federelements 5 und 6 liegt, wird ein Drehmoment auf die Federelemente ausgeübt, wel­ ches die Drehbewegung des Spiegelelements 7 herbei­ führt. Darauf soll anhand von Fig. 2 näher einge­ gangen werden.

Die Fig. 2 zeigt die mikromechanische Spiegelein­ richtung 1, wobei gleiche Teile - wie in Fig. 1 dargestellt - mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Auf eine nochmalige Beschreibung dieser Teile wird deshalb verzichtet.

Ohne weiteres ist in Fig. 2 ersichtlich, daß das Spiegelelement 7 um die Längsachse 27 gedreht ist. Um die Drehbewegung des Spiegelelements 7 zu errei­ chen, werden die Kondensatoren C3 und C4 derart mit Spannung beaufschlagt, daß sich zwischen ihren Elektroden 14 beziehungsweise 15 und ihren Gegen­ elektroden 17 beziehungsweise 19 ein Anziehungsef­ fekt einstellt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die elektrischen Ladungen auf der Elektrode 14 beziehungsweise 15 und den zugehörigen Gegenelek­ troden 17 und 19 gegenpolig sind.

Soll das Spiegelelement in die andere Richtung ge­ dreht werden, so werden die elektrischen Spannungen an den Kondensatoren C1 und C2 derart angelegt, daß bei diesen der Anziehungseffekt auftritt.

Es ist jedoch auch möglich, die jeweiligen elektri­ schen Spannungen impulsförmig anzulegen, so daß sich an den Kondensatoren C1 und C2 sowie C3 und C4 der Anziehungseffekt alternierend einstellt. Da­ durch wird das Spiegelelement abwechselnd in die eine und die andere Richtung um die Längsachse 27 gedreht, mithin führt das Spiegelelement 7 eine Drehschwingungsbewegung aus. Weisen die elektri­ schen Spannungen eine Impulsfrequenz auf, die einer mechanischen Resonanzfrequenz der schwingenden An­ ordnung, bestehend aus Spiegelelement 7, Federele­ ment 5 und 6 und den flächigen Bereichen 12 und 13, entspricht, wird insbesondere das Spiegelelement 7 in eine resonante Drehschwingung versetzt. Dadurch, daß der Antrieb im Bereich der mechanischen Reso­ nanzfrequenz erfolgt, wird das Spiegelelement 7 in seiner Drehschwingung derart ausgelenkt, daß zumin­ dest die Federelementabschnitte 20 und 21 tordiert werden. Dadurch wird erreicht, daß zwar das Spie­ gelelement 7 große Auslenkwinkel überstreichen kann, jedoch die Bereiche 12 und 13 der Aktorele­ mente 8 und 9 nicht sehr stark ausgelenkt werden.

Es ist also eine Art Übersetzung geschaffen, die durch Wahl des Längenverhältnisses zwischen den Fe­ derelementabschnitten 20 beziehungsweise 21 und 22 beziehungsweise 23 eingestellt werden kann. Das heißt, je länger die Federelementabschnitte 20 und 21 gegenüber den Federelementabschnitten 22 und 23 sind, umso größer ist der Auslenkwinkel des Spie­ gelelements bei gleichbleibender Auslenkung der Ak­ torelemente, da die längeren Federelementabschnitte 20 und 21 stärker tordiert werden können. Es zeigt sich also, daß das Spiegelelement 7 wesentlich stärker ausgelenkt werden kann als die Aktorele­ mente 8 und 9 selbst. Dadurch wird es möglich, daß ein auf einer Oberfläche 28 des Spiegelelements auftreffender Lichtstrahl (nicht dargestellt) we­ sentlich stärker als bei den im Stand der Technik bekannten Spiegeleinrichtungen abgelenkt werden kann. Mithin ergibt sich beim Einsatz der mikrome­ chanischen Spiegeleinrichtung 1, beispielsweise als Abtastelement, ein großer Abtastbereich. Weiterhin wird durch die Übersetzung erreicht, daß die Ab­ stände zwischen den einzelnen Elektroden der Kon­ densatoren C1 bis C4 klein gewählt werden können, so daß eine relativ geringe Antriebsspannung vorge­ sehen werden kann, wobei einerseits eine geringe Verlustleistung der Aktorelemente 8 und 9 auftritt und andererseits durch die niedrige Antriebsspan­ nung keine Isolationsprobleme auftreten, das heißt, Spannungsüberschläge zwischen den einzelnen Elek­ troden der Kondensatoren C1 bis C4 werden vermie­ den.

Demnach kann die dem Aktorelement 8 beziehungsweise 9 zugeordnete Ausnehmung 24 beziehungsweise 26 vor­ zugsweise eine geringere Tiefe als die Ausnehmung 25 aufweisen. Die geringere Tiefe der Ausnehmungen 24, 26 resultiert auch aus einer gegenüber dem Spiegelelement 7 kürzeren Erstreckung der Aktorele­ mente 8, 9 in Richtung der Achse 27'. Daher ist der Auslenkwinkel von Randbereichen der Aktorelemente 8, 9 entsprechend klein.

Ferner ist es vorteilhaft, daß durch den großen Ab­ stand zwischen Spiegelelement 7 und dem Boden der Ausnehmung 26 eine relativ geringe Luftreibung bei der Drehschwingung vorhanden ist, so daß die mikro­ mechanische Spiegeleinrichtung 1 bei Umgebungsluft­ druck betrieben werden kann. Es muß also keine Luftevakuierung in einer Einhausung (nicht darge­ stellt) vorgenommen werden, in der die mikromecha­ nische Spiegeleinrichtung 1 vorzugsweise unterge­ bracht ist.

In Fig. 3 ist die mikromechanische Spiegeleinrich­ tung 1 dargestellt, wobei gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 auch hier mit denselben Bezugszei­ chen versehen sind, so daß auf die zugehörige Be­ schreibung verwiesen werden kann.

Ohne weiteres ist in Fig. 3 ersichtlich, daß das Spiegelelement 7 einer weiteren Auslenkung unter­ worfen ist. Diese Auslenkung wird dadurch erreicht, daß die Kondensatoren C1 und C4 mit einer gleich­ phasigen Spannung beaufschlagt werden, die jedoch gegenüber der Spannung, welche die Kondensatoren C2 und C3 versorgt, gegenphasig ist. Somit kann ein von der Oberfläche 28 des Spiegelelements 7 reflek­ tierter Lichtstrahl in einer weiteren Richtung ab­ gelenkt werden. Das Spiegelelement 7 kann also eine Drehbewegung, insbesondere eine Kippbewegung, um die Achse 27', ausführen, dabei wirken die Feder­ elemente 5 und 6 quasi als Biegebalken.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Aktor­ elemente 8 und 9 derart mit elektrischer Spannung zu beaufschlagen, daß sowohl die Drehschwingung ge­ mäß Fig. 2 als auch die Drehbewegung gemäß Fig. 3 vom Spiegelelement 7 gleichzeitig ausgeführt wird. Beispielsweise erfolgt die Ansteuerung derart, daß abwechselnd vorzugsweise mit hoher Frequenz die Ak­ torelemente 8 und 9 mit einer Spannung beaufschlagt werden, die die Drehschwingung um die Längsachse 27 hervorruft und gleichzeitig mit einer Spannung ver­ sorgt werden, die die Drehbewegung um die Achse 27' bewirkt. Weisen diese Antriebsspannungen, ein ganz­ zahliges Frequenzverhältnis zueinander auf und ste­ hen die dadurch hervorgerufenen Schwingungen des Spiegelelements 7 senkrecht aufeinander, so proji­ ziert ein von der Oberfläche 28 reflektierter Lichtstrahl eine sogenannte Lissajous-Figur. Die Projektionen des Lichtstrahls, also die Lissajous- Figur, kann noch dadurch verändert werden, daß die Schwingungen (Drehschwingung und Drehbewegung) eine Phasenverschiebung zueinander aufweisen. Dadurch lassen sich eine Vielzahl derartiger Lissajous-Fi­ guren erzeugen, so daß ein abzutastender Bereich nahezu lückenlos abgescannt werden kann. Das bedeu­ tet, entsprechend des Frequenzverhältnis' und der Phasenverschiebung der Schwingungen beziehungsweise Antriebsspannungen zueinander scannt ein derart ab­ gelenkter Lichtstrahl beispielsweise einen Raum be­ sonders intensiv ab, so daß in vorteilhafter Weise eine im wesentlichen lückenlose Überwachung des Raumes erzielt werden kann.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die Aktor­ elemente 8 und 9 mit Antriebsspannungen zu versor­ gen, die eine geringe Frequenz aufweisen. Damit kann das Spiegelelement 7 stationär ausgelenkt wer­ den, das heißt, eine Ansteuerung ist derart mög­ lich, daß das Spiegelelement 7 in einer gewünschten Auslenkposition verharrt.

Weiterhin kann der mikromechanischen Spiegelein­ richtung 1 zumindest ein weiteres Elektrodenpaar (nicht dargestellt) zugeordnet sein, das vorzugs­ weise auch den Federelementen 5 und 6 zugeordnet ist. Eine an dieses Elektrodenpaar angelegte Span­ nung verändert ihren Wert bei der Auslenkung des Spiegelelements 7. Diese Spannung ist mit Hilfe ei­ ner Auswerteeinrichtung detektierbar, so daß jeder­ zeit der Auslenkwinkel des Spiegelelements 7 be­ stimmt werden kann, mithin ist die Richtung des re­ flektierten Lichtstrahls bekannt.

Im folgenden wird vereinfacht ein Herstellungsab­ lauf der mikromechanischen Spiegeleinrichtung 1 be­ schrieben:
Zunächst wird auf dem Substrat 2, das vorzugsweise aus Silizium besteht, an Stellen des Substrats 2 poröses Silizium erzeugt, und zwar an den Stellen, an denen in einem späteren Herstellungsschritt die beweglichen Teile, nämlich das Spiegelelement 7, die Federelemente 5 und 6 und die Aktorelemente 8 und 9, aufgebracht werden. Anschließend werden die Kontaktierungselektroden 3 und 4, vorzugsweise aus Polysilizium, auf eine aufgetragene, beispielsweise aus TEOS bestehende und als Opferschicht dienende Isolationsschicht aufgebracht. Anschließend kann auf dem porösen Silizium eine epitaktische Silizi­ umschicht an jenen Stellen aufgewachsen werden, an denen die beweglichen Teile liegen sollen. Ist das poröse Silizium vollständig oder teilweise oxi­ diert, wird die epitaktische Siliziumschicht als polykristalline Schicht ausgeführt, die dem Spiegel eine diffus reflektierende Oberfläche verleiht. Bei nicht oxidiertem porösem Silizium ist die Epitaxie­ schicht monokristallin, wodurch die Spiegeloberflä­ che plan ist und keine Lichtstreueffekte verur­ sacht. Dadurch kann ein Lichtstrahl im wesentlichen streuungsfrei reflektiert werden. Die beweglichen Teile, insbesondere der Spiegel, können also je nach Anforderung aus poly- oder monokristallinem Silizium hergestellt werden. Ein anschließendes Entfernen der porösen Siliziumschichten unterhalb dieser epitaktischen Siliziumschicht läßt insbeson­ dere die Ausnehmungen 24 bis 26 entstehen. Alterna­ tiv können auch Ätzverfahren zum selektiven Un­ terätzen des Spiegels und der anderen beweglichen Teile eingesetzt werden, beispielsweise kann das sogenannte KOH-Ätzen verwendet werden.

Claims (13)

1. Mikromechanische Spiegeleinrichtung (1) mit ei­ nem als Grundkörper dienenden Substrat (2), mit zu­ mindest einer ortsfest auf dem Substrat (2) ange­ ordneten Kontaktierungselektrode (3; 4), mit zumin­ dest einem länglichen Federelement (5; 6), dessen eines Längsende mit der Kontaktierungselektrode (3; 4) verbunden ist, mit einem Spiegelelement (7), das über das Federelement (5; 6) schwenkbar gehalten ist, und mit zumindest einem Aktorelement (8; 9) zum Antrieb des Spiegelelements (7), dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Aktorelement (7; 8) dem Federele­ ment (5; 6) zugeordnet ist.

2. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach An­ spruch 1, gekennzeichnet durch eine weitere auf dem Substrat (2) angeordnete Kontaktierungselektrode (3; 4), ein weiteres Federelement (5; 6), dessen ei­ nes Längsende mit der weiteren Kontaktierungselek­ trode (3; 4) und dessen anderes Längsende mit dem Spiegelelement (7) verbunden ist, und ein weiteres Aktorelement (8; 9), das dem Federelement (5; 6) zu­ geordnet ist.

3. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Federelement (5, 6) als länglicher Fe­ derstab ausgebildet ist.

4. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach An­ spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federstäbe auf einer gedachten Linie (Längsachse 27) liegen.

5. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Aktorelement (8, 9) eine beabstandet zum Spiegelelement (7) am Federelement (5, 6) ange­ ordnete Elektrode (14; 15) und eine gegenüberlie­ gende auf dem Substrat (2) vorgesehene Gegenelek­ trode (16, 17, 18, 19) umfaßt.

6. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Aktorelement (8, 9) zwei Gegenelektro­ den (16, 17, 18, 19) umfaßt, wobei die diesen beiden Gegenelektroden (16, 17, 18, 19) zugewandte Elektrode (14; 15) spiegelsymmetrisch zum Federelement (5; 6) angeordnet ist.

7. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Substrat (2) unterhalb des Spiegelele­ ments (7) eine Ausnehmung (26) aufweist, deren Grundfläche größer als die des Spiegelelements (7) ist und deren Tiefe entsprechend des gewünschten maximalen Verschwenkungswinkels gewählt ist.

8. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Spiegelelement (7) zwei im wesentli­ chen rechteckförmig ausgebildete Spiegelflächen um­ faßt, die spiegelsymmetrisch zu der Längsachse (27) des Federelements (5, 6) an diesem angebracht sind.

9. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Federelement (5, 6) und/oder das Spie­ gelelement (7) aus Silizium bestehen.

10. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß Elektroden zur Detektion des Verschwen­ kungswinkels des Spiegelelements (7) vorgesehen sind.

11. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die beiden Gegenelektroden (16 bis 19) ei­ nes Aktorelements (8, 9) gegenphasig oder gleichpha­ sig angesteuert sind.

12. Mikromechanische Spiegeleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß das Spiegelelement (7) unterschiedliche Oberflächen (28) zur farbselektiven Reflexion eines Lichtstrahls aufweist.

13. Verfahren zur Herstellung einer mikromechani­ schen Spiegeleinrichtung (1) nach einem der vorher­ gehenden Ansprüche, mit den Schritten:

• - Erzeugen von porösem Silizium in einem Substrat (2) unterhalb eines Bereichs, der in der Spiegel­ einrichtung (1) unterhalb der beweglichen Teile, nämlich Spiegelelement (7), Federelement (5, 6) und Aktorelement (8, 9), liegt,
• - Aufbringen der Kontaktierungselektroden (3, 4) auf das Substrat (2),
• - Aufwachsen einer epitaktischen Siliziumschicht auf den porösen Bereich,
• - selektives Entfernen des porösen Siliziums zur Herstellung der beweglichen Teile.