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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Mikroaktorbauteils mit einem kippbaren Aktorelement, das über ein
oder mehrere Biege- und/oder Torsionselemente an einem Trägersubstrat
aufgehängt
ist und eine laterale Ausdehnung von zumindest 250 μm aufweist.
Das Mikroaktorbauteil ist insbesondere für den Einsatz in einem Mikrospiegelscanner
geeignet.
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Hauptanwendungsgebiete
des erfindungsgemäß hergestellten
Mikroaktorbauteils liegen im Bereich der optischen Meßtechnik,
der optischen Bildverarbeitung und Bilderkennung sowie der Bearbeitung
mit Laserstrahlen. In zahlreichen optischen Geräten kommen hierbei Strahlablenksysteme
zur Bewegung eines eintreffenden oder eines rückreflektierten Strahles über eine
ausgedehnte Objektoberfläche
zum Einsatz. In Abhängigkeit
von der jeweiligen Anwendung werden an die Strahlablenkeinheit ganz
unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich des Ablenkwinkels, der
Ablenkfrequenz, der Linearität
usw. gestellt. Bewegliche Spiegelelemente sind in diesen Bereichen
besonders vielseitig einsetzbar, da sie in weiten Bereichen unabhängig von
der Intensität,
der Wellenlänge,
der Kohärenz
und der Polarisation des Lichtes die Strahlablenkung durchführen können.
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Für eine eng
begrenzte Anwendung der pixelorientierten Bildverarbeitung sind
aus der
EP 0 332 953
A2 Mikrospiegelsysteme in Siliziumtechnologie bekannt.
Die Mikrospiegel dieser in Form eines Arrays angeordneten Mikrospiegelsysteme
haben laterale Abmessungen von etwa 10 bis 15 μm und sind an metallischen Biege- oder Torsionselementen
mit einer Länge
von etwa 5 μm
aufgehängt.
Die Spiegel werden in einem CMOS-Prozeß, einem Verfahren der Oberflächen-Mikrobearbeitung,
hergestellt. Hierzu werden dünne
metallische Schichten aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
mit einem Sputterverfahren auf der Oberfläche eines Siliziumsubstrates
abgeschieden und zur Bildung der metallischen Spiegelelemente und
metallischer Biege- oder Torsionselemente strukturiert. Mit dieser
Technik lassen sich jedoch nur dünne
Schichten mit einer typischen Dicke von bis zu maximal etwa 1 μm strukturieren. Die
zur Verfügung
stehende Schichtdicke bestimmt zusammen mit dem zu erzielenden Kippwinkel
der Elemente die maximale laterale Spiegelabmessung. Für den Fall
der Herstellung derartiger Mikrospiegel sind deren laterale Abmessungen
auf eine Kantenlänge
von etwa 16 × 16 μm beschränkt. Diese
geringe Spiegelgröße ist für die in
der Druckschrift beabsichtigte Anwendung als räumlicher Lichtmodulator ausreichend,
bei der eine pixelorientierte digitale Lichtmodulation von räumlich und
zeitlich sehr inkohärentem
Licht durchgeführt
wird.
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Ein
Einsatz dieser bekannten Mikrospiegel zur kontinuierlichen Strahlablenkung
von Laserlicht ist bereits aufgrund der dabei auftretenden Beugungseffekte
nicht geeignet. Hierfür
werden Spiegelplatten benötigt,
die mindestens die gleiche laterale Dimension wie der einfallende
Lichtstrahl, in der Regel also Kantenlängen im mm-Bereich aufweisen. Derartig
große
Spiegelplatten lassen sich mit der Technik der
EP 0 332 953 A2 nicht herstellen.
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Mikroaktorbauteile
der Mikrospiegelscanner für
kontinuierliche Strahlablenkaufgaben werden daher meist aus dem
massiven Siliziumwafer herausgeätzt.
Diese Technik ist auch unter der Bezeichnung Volumen-Mikrobearbeitung
(Bulk-Silizium-Mikromechanik) bekannt. Die bis zu einigen mm große Spiegelplatte
kann bei dieser Technik einseitig durch einen Biegebalken aufgehängt oder
auch zweiseitig durch zwei tordierbare Balken beweglich eingespannt
sein. Ein Beispiel für
eine derartige Anordnung ist aus 1 ersichtlich.
Mikroscanner aus derartigen Mikroaktorbauteilen reduzieren die Gesamtabmessungen
eines ein- oder zweiachsigen Strahlablenksystems im Vergleich zu
bisher eingesetzten Galvanometerscannern bei vergleichbaren optomechanischen
Eigenschaften auf wenige mm. Die bewegte Masse ist deutlich kleiner,
so daß auch die
Leistungsaufnahme viel geringer ist. Die eingesetzten mikrotechnischen
Herstellungsverfahren basierend auf der Siliziumtechnologie ermöglichen
außerdem
eine kostengünstige
Massenproduktion dieser Mikroscanner. Als Antriebe der Spiegelplatten werden
thermomechanische, piezoelektrische, elektromagnetische und elektrostatische
Kräfte
genutzt.
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Ein
elektrostatischer Mikroaktor, der elektrostatische Kräfte zum
Antrieb einsetzt, ist beispielsweise in J. Markert et al., „Elektrostatischer
Mikroaktor", VDI-Berichte
Nr. 960, Seiten 149 bis 178 (1992), beschrieben. Das dort eingesetzte
gattungsgemäße Mikroaktorbauteil
besteht aus einem Träger substrat aus
Silizium mit einer Ausnehmung, in der eine Siliziumplatte über zwei
Torsionsbänder
aufgehängt
ist. Die Torsionsbänder
bestehen ebenfalls aus Silizium und werden zusammen mit der kippbaren
Siliziumplatte aus dem Trägersubstrat
herausgeätzt.
Zur Bereitstellung eines funktionsfähigen Mikroaktors wird dieses
Mikroaktorbauteil schließlich
auf eine Grundplatte mit Elektroden aufgebracht, die unter der Siliziumplatte
angeordnet sind. Die Siliziumplatte stellt dabei eine gemeinsame
Kondensatorplatte dar, die mit den wenigstens zwei Elektroden einen
Mehrfachkondensator bildet. Ein angelegtes elektrisches Feld zwischen
der Platte und den Elektroden führt
zu Kraftwirkungen und folglich zu einer Verkippung bzw. Verdrehung
der Siliziumplatte um die Torsionsachse.
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Ein
Mikrospiegelsystem, das ein elektromagnetisches Antriebssystem einsetzt,
ist aus R.A. Miller et al., „Electromagnetic
MEMS Scanning Mirrors For Holographic Data Storage", Solid-State Sensor
and Actuator Workshop Hilton Head Island (1996), Seiten 183–186, bekannt.
Bei diesem System ist auf der Spiegelplatte aus Silizium eine Kupferspule
angeordnet, die über
eine auf dem Biegebalken verlaufende Kupferschicht elektrisch kontaktierbar
ist. Die Spiegelplatte ist weiterhin mit einer dünnen Nickel-Eisen-Legierungsschicht
versehen, um die magnetischen Eigenschaften zu erzeugen. Auch bei
diesem Mikroaktorbauteil werden die Spiegelplatte und die Biegebalken
aus dem Siliziumsubstrat herausgeätzt. Die Kupferspule wird galvanisch
auf der Oberfläche der
Spiegelplatte erzeugt.
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Ein
wesentlicher Nachteil der beiden letztgenannten Mikroaktorbauteile
besteht jedoch darin, daß sie
nur ungenügend
vibrations- bzw. schockbelastbar sind. Aufgrund der Größe der Spiegelplatten wirken
hier wesentlich größere Kräfte als
bei den sehr kleinen Mikrospiegelsystemen zur pixelorientierten
Lichtmodulation. Da Silizium ein sprödes Material darstellt, kommt
es bei Vibrationen oder bei Stoßeinwirkung
auf diese Systeme sehr leicht zu einem Brechen der Biege- oder Torsionselemente.
Andererseits bieten Spiegelplatten aus poliertem einkristallinem
Silizium jedoch die Vorteile sehr geringer Rauhigkeit, hoher Verbindungssteifigkeit
schon bei geringen Dicken und eines geringen spezifischen Gewichtes.
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Die
aufgrund der – im
Vergleich zu Galvanometerscannern – beabsichtigten, geringen
Baugröße zur Verfügung stehenden
Antriebskräfte
sind relativ gering, so daß die
Aufhängungen
entsprechend nachgiebig sein müssen,
um ausreichend große Kippwinkel
der Spiegel zu erzeugen. Dies läßt sich nur
durch sehr lange und dünne
Torsionsbändchen bzw.
Biegebändchen
erzielen. So werden bei dem oben dargestellten Mikrospiegelsystem
von J. Markert et al. Torsionsbänder
mit einer Dicke von 30 μm und
einer Länge
von 1,3 mm eingesetzt. Die erforderliche Nachgiebigkeit dieser Siliziumtorsionsbänder führt jedoch
zu einer extrem leichten Zerbrechlichkeit, die sich bereits bei
der Herstellung derartiger Systeme bemerkbar macht, so daß die Fertigungsausbeute
entsprechend gering ausfällt.
Dies liegt zum einen am naßchemischen Ätzprozeß bei der Herstellung,
der mit erheblicher Gasblasenentwicklung einher geht, und zum anderen
an dem erforderlichen Vereinzeln des Wafers in einzelne Chips, das typischerweise
unter Einwirkung eines spülenden Wasserstrahls
stattfindet. Bei beiden Prozeßabschnitten
werden fragile Mikroaktorbauteile mit Siliziumaufhängungen
durch die einwirkenden Kräfte leicht
zerstört.
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Zur
Vermeidung dieser Problematik können die
Torsions- oder Biegeelemente dicker ausgestaltet werden. Um dennoch
eine ausreichend weiche Aufhängung
für die
erforderlichen Kippwinkel zu erhalten, müssen die Torsions- oder Biegeelemente
jedoch gleichzeitig deutlich verlängert werden. Die Steifigkeit
eines derartigen Elementes nimmt mit der dritten Potenz der Breite
bzw. Dicke des Elementes zu, sie nimmt jedoch nur linear mit wachsender
Länge ab.
Für eine
ausreichend weiche Aufhängung
sind daher Dimensionen erforderlich, die den Vorteil der Miniaturisierbarkeit
dieser Systeme wieder schwinden lassen. Gerade für Massenanwendungen, beispielsweise
als Displays in Automobilen, in Hubschraubern oder Flugzeugen oder
als von Hand gehaltene Barcode-Scanner, bieten diese Mikrosysteme
daher noch keine ausreichende mechanische Stabilität.
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Aus
der
EP 0 650 133 A2 ist
ein integrierter Scanner mit Mikrospiegeln bekannt, die über Torsionsbalken
an einem Rahmen befestigt sind. Als Materialien werden hierbei unter
anderem Silizium für die
Mikrospiegel und ein metallisches Material, insbesondere ein Bimetall
oder eine Titan-Nickel-Legierung (als Memory-Metall), für die Torsionsbalken vorgeschlagen.
Durch diese spezielle (bi)metallische Ausgestaltung der Torsionselemente
können
diese durch gezieltes Aufheizen eine Veränderung der Spiegelstellung
bewirken. Auf eine verbesserte Stabilität derartiger Torsionselemente
wird jedoch in der Druckschrift kein Hinweis gegeben. Die darin
angedeuteten Herstellungstechniken erlauben zudem nur Dicken des
metallischen Materials, die unterhalb weniger μm liegen.
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Aus
der
EP 0 848 265 A2 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Biege- oder Torsionselementen für mikromechanische
Bauteile bekannt, bei dem permanente Deformationen der Biege- oder
Torsionselemente verhindert werden sollen. Die Biege- oder Torsionselemente
werden dabei aus einem Material gefertigt, das austenite/martensite
Phasenübergänge aufweist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren
zur Herstellung eines Mikroaktorbauteils, insbesondere für einen
Mikrospiegelscanner, anzugeben, das bei kompakter Bauweise eine
sehr hohe Vibrations- und Schockunempfindlichkeit aufweist und in
entsprechender Ausgestaltung als Spiegel für den Einsatz zur kontinuierlichen Strahlablenkung
von kohärentem
Licht geeignet ist.
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Die
Aufgabe wird mit den Verfahren nach Anspruch 1 und 2 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Verfahren sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
erfindungsgemäß hergestellte
Mikroaktorbauteil besteht aus einem kippbaren Aktorelement, das über ein
oder mehrere Biege- und/oder Torsionselemente an einem Trägersubstrat
aufgehängt
ist. Das Aktorelement hat hierbei eine laterale Ausdehnung von zumindest
250 μm,
so daß es – in plattenförmiger Ausgestaltung – als Mikrospiegel
für die
Ablenkung eines kohärenten
Lichtbündels
geeignet ist. Das Trägersubstrat
besteht hierbei vorzugsweise aus einkristallinem Silizium. Die ein
oder mehreren Biege- und/oder Torsionselemente, die beispielsweise
in Form von Federn, Balken oder Bändern ausgestaltet sein können, sind
aus einem elastischen Metall gebildet.
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Metalle
zeigen im Gegensatz zum spröden Silizium,
welches nach Überschreiten
des Elastizitätsbereichs
sofort bricht, duktiles Verhalten. Sie brechen nach dem Überschreiten
des Elastizitätsbereichs
nicht sofort, sondern beginnen zunächst sich plastisch zu verformen.
Unter einem elastischen Metall ist in diesem Zusammenhang ein Metall
zu verstehen, das eine ausreichende Elastizität für ein reversibles Kippen des
Aktorelementes aufweist. Dem Fachmann sind geeignete Metalle mit
derartigen Eigenschaften bekannt. So eignen sich beispielsweise die
Metalle Kupfer oder Gold nicht für
die Biege- und/oder Torsionselemente, da diese weichen Materialien
sich sehr leicht plastisch verformen und damit nicht die für eine Federwirkung
erforderliche Elastizität
aufweisen. Metalle mit guten elastischen Eigenschaften stellen beispielsweise
Nickel, Wolfram oder deren Legierungen dar. Vorzugsweise werden
bei dem erfindungsgemäß hergestellten
Mikroaktorbauteil jedoch Nickel oder Nickellegierungen, wie NiFe oder
NiCoFe, eingesetzt, da sich diese mit Mitteln der Halbleitertechnologie
sehr einfach aufbringen und strukturieren lassen. Nickel besitzt
einen sehr großen elastischen
Bereich und weist eine deutlich höhere Bruchspannung auf als
Silizium. Nickel ist daher als widerstandsfähiges Material für die Biege-
und/oder Torsionselemente hervorragend geeignet.
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Die
Biege- und/oder Torsionselemente bestehen vorzugsweise vollständig aus
dem elastischen Metall. Es versteht sich jedoch von selbst, daß sie beispielsweise
mit einer dünnen
Schutzschicht aus einem anderen Material versehen sein können. Die
Verbindung der metallischen Biege- und/oder Torsionselemente mit
dem Aktorelement oder dem Trägersubstrat
erfolgt über
entsprechend große
Auflageflächen
auf dem Aktorelement oder dem Trägersubstrat,
die als Verankerungen dienen. Die Größe dieser Verbindungs- bzw.
Auflageflächen
ist ein Maß für die Festigkeit
der Verbindung.
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Das
Aktorelement kann, je nach Anwendung, unterschiedliche Formen aufweisen.
Für den Einsatz
des Aktorelementes in einem Mikrospiegelscanner ist es plattenförmig ausgestaltet.
Es kann hierbei aus einer Halbleiterplatte, beispielsweise aus Silizium,
oder auch aus einer Metallplatte bestehen. Vorzugsweise ist dieses
plattenförmige
Aktorelement in einer Ausnehmung oder Öffnung des Trägersubstrates
angeordnet, so daß es
von dem Trägersubstrat rahmenförmig umgeben
ist. Eine derartige Geometrie ist bereits von den eingangs erläuterten
Mikrospiegelscannern des Standes der Technik bekannt (vgl. 1).
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Die
beschriebene Ausgestaltung des Mikroaktorbauteils erhöht dessen
Robustheit und Belastbarkeit gegenüber Vibrationen und Stößen in vorteilhafter Weise,
ohne die Dimensionen im Vergleich zu bekannten Mikroaktorbauteilen
der gleichen Funktion vergrößern zu
müssen.
Die Steifigkeit der Biege- und/oder Torsionselemente läßt sich
durch entsprechendes Design kompakter, dünner Federn, Bänder oder
Balken ideal einstellen, so daß sie
insbesondere bei Einsatz in Mikrospiegelscannern optimal an die relativ
geringen zur Verfügung
stehenden Antriebskräfte
angepaßt
werden können.
Ein auf dem erfindungsgemäß hergestellten
Mikroaktorbauteil basierender Mikroscanner kann daher im Gegensatz
zu den reinen Silizium-Mikroscannern trotz großer erzielbarer Auslenkungen
bei kleinen Antriebskräften ausreichend
vibrationsunempfindlich bereitgestellt werden. Die Ausbildung der
Mikroscanner mit den erfindungsgemäßen Elementen erlaubt eine
gegenüber
reinen Silizium-Mikroscannern drastische Steigerung der Ausbeute
während
der Fertigung – bezogen auf
Systeme mit vergleichbar weichen Aufhängungen. Das beschriebene Mikroaktorbauteil
läßt sich sehr
einfach und kostengünstig
mit den nachfolgend dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren der Halbleitertechnologie
herstellen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des Mikroaktorbauteils wird die Vibrations- und Schockunempfindlichkeit
durch Vorsehen eines metallischen Rahmens auf dem Trägersubstrat
nochmals deutlich erhöht.
In dieser sehr vorteilhaften Ausführungsform sind die Biege-
und/oder Torsionselemente nicht am Trägersubstrat selbst, sondern
an dem metallischen Rahmen befestigt. Der Rahmen übernimmt
eine schockabsorbierende Funktion, um den gesamten Chip, bestehend
aus Trägersubstrat und
Aktorelement mit den zugehörigen
Aufhängungen,
erfolgreich gegen Bruch bei einwirkenden starken Beschleunigungen
zu schützen.
Der metallische Rahmen ist hierbei auf der Oberfläche des
Trägersubstrates
angebracht und umgibt das Aktorelement. Der Rahmen besteht vorzugsweise
aus dem gleichen elastischen Metall wie die Torsions- und/oder Biegeelemente
und ist vorzugsweise geschlossen ausgeführt. Da die metallischen Torsions-
oder Biegefedern in dem umgebenden Metallrahmen enden, können Vibrationen
der Spiegelplatte und der Torsionsfedern optimal durch den Rahmen
aufgenommen und entschärft
werden. Der umgebende Metallrahmen schränkt dabei in keiner Weise die
Funktionalität des
Mikroaktorbauteils ein.
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In
einer weiteren Ausgestaltung stimmt der Innenumfang des Rahmens
nicht mit dem Innenumfang der Ausnehmung des Trägersubstrates überein, sondern
ist größer vorgesehen.
Durch eine gleichzeitig erhabene Form dieses Rahmens, beispielsweise in
Form eines umlaufenden Balkens, können die Torsions- und/oder
Biegeelemente am oberen Rand des Rahmens befestigt werden, so daß sie einen
ausreichenden Abstand zur Oberfläche
des Trägersubstrates
haben, um dieses nicht zu berühren.
Auf diese Weise kann die Länge
der Torsions- bzw. Biegeelemente vergrößert werden, ohne die Größe des Trägersubstrates
zu ändern.
Hierdurch wird die Designfreiheit des Mikroaktorbauteils zusätzlich erhöht.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Mikroaktorbauteils weisen die Torsions- und/oder Biegeelemente
im Bereich ihrer Einspannungen sich kontinuierlich aufweitende Bereiche
auf. Diese Verbreiterungen zum Aktorelement oder zum Trägersubstrat
hin bewirken, daß beim
Einsatz auftretende Scherbelastungen in den Torsions- oder Biegeelementen
besser abgefangen und verteilt werden können.
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Als
Antriebsprinzip für
das vorliegende Mikroaktorbauteil können alle aus dem Stand der
Technik bekannten Techniken eingesetzt werden. So läßt sich
das Mikroaktorbauteil beispielsweise auf ein weiteres Substrat mit
Elektroden aufbringen, die dann unterhalb des plattenförmigen Aktorelementes angeordnet
sind. Weiterhin können
am Rand der Ausnehmung an der Oberfläche des Trägersubstrates Elektroden vorgesehen
sein. Besteht das plattenförmige
Aktorelement in diesem Fall aus Metall oder ist mit einer metallischen
Beschichtung versehen und in der Höhe versetzt zu der Ebene der
Elektroden angeordnet, so kann durch Beaufschlagung der Elektroden
mit einer Spannung eine Verkippung des Aktorelementes herbeigeführt werden.
Weitere Beispiele hierfür
sind in den weiter unten angeführten
Ausführungsbeispielen
dargestellt.
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Die
beiden erfindungsgemäßen Verfahren zur
Herstellung des vorliegenden Mikroaktorbauteils unterscheiden sich
darin, daß beim
Verfahren gemäß Patentanspruch
1 ein Aktorelement aus Silizium hergestellt wird, während beim
Verfahren des Patentanspruches 2 das Aktorelement aus einem elastischen Metall
besteht.
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Bei
beiden Verfahren wird zunächst
ein Halbleitersubstrat, vorzugsweise aus Silizium, bereitgestellt.
Auf diesem Substrat wird eine strukturierte Maskierungsschicht erzeugt,
mit der im ersten Fall die laterale Struktur des Trägersubstrates
und des Aktorelementes festgelegt wird. Im zweiten Fall wird lediglich
die laterale Struktur des Trägersubstrates durch
die Maskierungsschicht definiert. Die Maskierungsschicht dient insbesondere
der Maskierung für den
späteren
naßchemischen Ätzprozeß des Siliziums.
Zur Strukturierung der Maskierungsschicht werden mikrotechnische
Standardverfahren wie Photolithographie und Plasmaätzen eingesetzt.
Schließlich werden
eine Galvanikstartschicht und eine dicke Photolackschicht auf die
Oberfläche
aufgebracht. Die dicke Photolackschicht wird zur Definition der
Bereiche für
die ein oder mehreren Biege- und/oder Torsionselemente strukturiert.
Im zweiten Fall wird zusätzlich
die Struktur für
das Aktorelement festgelegt. In diese Strukturen wird bei beiden
Verfahren ein elastisches Metall abgeschieden, um die ein oder mehreren
durch die Struktur festgelegten Biege- und/oder Torsionselemente – und beim
zweiten Verfahren zusätzlich
das Aktorelement – zu
bilden. Anschließend wird
der Photolack wieder entfernt, so daß die galvanisch abgeschiedenen
Strukturen auf der Oberfläche zurückbleiben.
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Auf
diese Weise lassen sich metallische Strukturen mit einer Dicke von
bis zu 25 μm
erzeugen. Durch die Abscheidedauer kann in weiten Bereichen die
Dicke und damit die Steifigkeit der Torsions- und/oder Biegeelemente
eingestellt werden. Abschließend
werden die Biege- und/oder Torsionselemente und das Aktorelement
durch Wegätzen
von Bereichen des Halbleitersubstrates freigelegt. Der Ätzvorgang
muß hierbei
beim erstgenannten Verfahren von der Vorder- und von der Rückseite
erfolgen, um das Aktorelement mit der gewünschten Dicke aus dem Halbleitermaterial
zu erzeugen. Im zweiten Verfahren genügt die vorderseitige Ätzung.
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Gerade
bei der Herstellung des vorliegenden Mikroaktorbauteils mit einem
Aktorelement aus elastischem Metall durch das zweite Verfahren ergibt
sich als besonderer Vorteil, daß die
Galvanikstartschicht als spiegelnde Oberfläche auf dem Aktorelement verbleibt.
Diese Galvanikstartschicht hat besonders gute Eigenschaften hinsichtlich
der Ebenheit und ist daher als spiegelnde Fläche sehr gut geeignet. Da diese Schicht
beim zweiten Verfahren auf der Rückseite des
Aktorelementes vorliegt, wird dieses vorzugsweise rückseitig
betrieben, wie in 5d beispielhaft dargestellt
ist.
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Die
additive Abscheidung der Torsions- und/oder Biegeelemente hat gegenüber dem
naßchemischen
Herausätzen
der Elemente aus dem Silizium-Einkristall den Vorteil, daß eine große Flexibilität hinsichtlich
der Geometrie dieser Torsions- oder Biegeelemente besteht und die
Geometrie nicht an die Orientierung der Kristallachsen des Siliziums
gebunden ist. So lassen sich auch auf kleinstem Raum gefaltete Federelemente
abscheiden, die die notwendige Nachgiebigkeit besitzen.
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Der
metallische Rahmen in einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann auf die gleiche Weise wie die Torsions- und/oder Biegeelemente
galvanisch auf der Oberfläche
gebildet bzw. abgeschieden werden. Eine Ausgestaltung bei der die
Torsions- und/oder Biegeelemente in einem Abstand über der
Oberfläche
des Trägersubstrates am
Rahmen aufgehängt
sind, lassen sich durch zusätzliches
Abscheiden einer Opferschicht vor dem galvanischen Aufbringen der
Torsions- oder Biegeelemente realisieren, die anschließend herausgeätzt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen nochmals beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen:
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1 die
Geometrie eines Mikroaktorbauteils, wie sie auch aus dem Stand der
Technik bekannt ist;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Mikroaktorbauteils;
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3 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Mikroaktorbauteils;
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4 ein
Beispiel für
ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Mikroaktorbauteils;
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5 ein
weiteres Beispiel für
ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Herstellung eines Mikroaktorbauteils;
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6 ein
Beispiel für
das Antriebsprinzip eines erfindungsgemäß hergestellten Mikroaktorbauteils;
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7 ein
Beispiel für
eine Versteifungsstruktur des Aktorelementes eines erfindungsgemäß hergestellten
Mikroaktorbauteils;
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8 ein
weiteres Beispiel für
eine Versteifungsstruktur für
das Aktorelement eines erfindungsgemäß hergestellten Mikroaktorbauteils;
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9 ein
Beispiel für
ein weiteres Antriebsprinzip eines erfindungsgemäß hergestellten Mikroaktorbauteils;
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10 ein
weiteres Beispiel für
eine Versteifungsstruktur des Aktorelementes eines erfindungsgemäß hergestellten
Mikroaktorbauteils; und
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11 ein
Beispiel für
einen auf Basis eines erfindungsgemäß hergestellten Mikroaktorbauteils realisierten
zweiachsigen Mikroscanner in Draufsicht.
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1 zeigt
ein Beispiel für
die Geometrie eines erfindungsgemäß hergestellten Mikroaktorbauteils.
Eine derartige Geometrie wird auch im Stand der Technik eingesetzt.
Das Mikroaktorbauteil besteht aus einem starren Rahmen eines Trägersubstrates 1,
das eine Ausnehmung 2 aufweist, in dem eine beweglich aufgehängte Spiegelplatte 3 als
Aktorelement angeordnet ist. Die Spiegelplatte 3 ist mittels
zweier als Torsionsfedern ausgestaltete Torsionselemente 4 am
Substrat 1 aufgehängt.
Die lateralen Abmessungen der Spiegelplatte 3 eines derartigen
Mikroaktorbauteils liegen in der Regel im Bereich von 1 bis 5 mm.
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Im
Gegensatz zu den Bauteilen des Standes der Technik sind beim Mikroaktorbauteil,
die Torsionsfedern 4 nicht aus Silizium, sondern aus einem elastischen
Metall, wie Nickel, gebildet.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
eines erfindungsgemäß hergestellten
Mikroaktorbauteils ist in den 2 und 3 dargestellt.
Bei beiden Bauteilen ist auf einem Siliziumchip 1 als Trägersubstrat
ein Metallrahmen 5 vorgesehen, der die Ausnehmung 2 umschließt. Die
metallischen Torsionselemente 4 sind in diesem Fall nicht
am Trägersubstrat,
sondern an diesem Metallrahmen 5 befestigt. Weiterhin sind
in den beiden Figuren Aufweitungsstrukturen 6 an den Torsionselementen 4 im
Bereich der Übergänge zum
Metallrahmen 5 bzw. zum Spiegel 3 zu erkennen.
Diese Aufweitungsstrukturen bzw. Verbreiterungen dienen der besseren
Aufnahme von Scherkräften
in den Torsionselementen.
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Die
beiden Mikrobauteile der 2 und 3 unterscheiden
sich lediglich in der Form der Torsionselemente 4, die
bei der Ausgestaltung der 3 in gefalteter
Form ausgebildet sind. Diese Ausgestaltung läßt sich sehr vorteilhaft durch
die erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung der Mikroaktorbauteile verwirklichen. Der schockabsorbierende
Metallrahmen 5 als Aufhängung
für die
beweglichen Spiegelplatten erhöht
die Robustheit des Gesamtsystems in vorteilhafter Weise.
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4 zeigt
ein Beispiel für
das erfindungsgemäße Herstellen
eines Mikroaktorbauteils mit einer Silizium-Spiegelplatte 3 als Aktorelement.
Der Prozeß beginnt
mit der Abscheidung und Strukturierung einer Maskierschicht 7 aus
Siliziumnitrid für
das naßchemische Ätzen von
Silizium, beispielsweise in Kalilauge (KOH) oder in Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH).
Zur Strukturierung werden mikrotechnische Standardverfahren wie
Photolithographie und Plasmaätzen
angewandt. Die Maskierschicht 7 wird hierbei auf Vorder-
und Rückseite
des Substrates 1 aufgebracht (4a).
Die nach der Strukturierung freiliegenden Bereiche des Siliziumsubstrates 1 stellen
Bereiche dar, die am Schluß des
Prozesses weggeätzt
werden müssen.
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Anschließend wird
eine dünne
metallische Galvanikstartschicht 8, typischerweise aus
Gold, ganzflächig
abgeschieden und darauf eine ca. 25 μm dicke Photolackschicht 9 strukturiert.
Die Strukturierung erfolgt zur Festlegung der Bereiche für die Torsionselemente
und den Metallrahmen. In den freibelichteten Photolackstrukturen
wird anschließend
galvanisch Metall 10, wie beispielsweise Nickel, abgeschieden.
Dadurch werden der Metallrahmen 5 und die Torsionsfedern 4 hergestellt
(4b). Durch die Abscheidedauer kann
in weiten Bereichen die Federdicke und damit die Federsteifigkeit
eingestellt werden.
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Der
Photolack 9 und die unbeschichteten Bereiche der Galvanikstartschicht 8 werden
anschließend
entfernt. Schließlich
wird durch naßchemisches Ätzen in
KOH oder TMAH der Spiegel 3 freigeätzt (4c).
Die Dicke dieses Spiegels 3, die durch das rückseitige Ätzen beeinflußbar ist,
kann auch durch Verwendung eines SOI-Substrates als Trägersubstrat 1 exakt
eingestellt werden. Dem Fachmann sind die entsprechenden Herstellungsschritte
geläufig.
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Ein
weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur
Herstellung eines Mikroaktorbauteils ist in 5 dargestellt.
Bei diesem Verfahren wird die Spiegelplatte 3 nicht aus
Silizium, sondern aus einem elastischen Metall 10 gebildet.
Dieses Verfahren kommt im Gegensatz zu dem Verfahren der 4 mit
der Strukturierung des Siliziumsubstrates 1 allein von
der Vorderseite aus. Dies bedeutet einen erheblich geringeren Fertigungsaufwand.
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Zunächst wird
beidseitig eine Maskierschicht 7 aus Siliziumnitrid abgeschieden
und vorderseitig im Bereich der später beweglichen Elemente geöffnet (5a). Die Rückseite bleibt unstrukturiert.
Vorderseitig wird eine Galvanikstartschicht 8 abgeschieden und
daraufhin ein 25 μm
dicker Photolack 9 aufgeschleudert und strukturiert. Die
strukturierten Bereiche dienen der Festlegung der Form der Spiegelplatte 3,
der Aufhängung
bzw. Torsionselemente 4 und des Metallrahmens 5.
In den freibelichteten Bereichen wird galvanisch ein elastisches
Metall 10 abgeschieden, wodurch die Spiegelplatte 3,
die Aufhängungs-
bzw. Torsionselemente 4 und der Metallrahmen 5 gebildet
werden (5b). Der Photolack 9 wird
abgelöst
und die Galvanikstartschicht 8 in den seitlichen Bereichen
entfernt. Schließlich
wird der Wafer naßchemisch
geätzt.
Hierbei greift die Ätzflüssigkeit
allein von der Vorderseite durch die durch die Maskierschicht 7 freigelegten
Bereiche an. Der Prozeß ist
abgeschlossen, wenn der Metallspiegel 3 von der Unterseite
her komplett von Silizium befreit ist und ein Durchbruch 2 zur
Unterseite des Trägersubstrates 1 existiert
(5c).
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Da
die galvanisch abgeschiedenen relativ dicken metallischen Schichten
von bis zu 25 μm
Dicke bereits erhebliche Oberflächen-Rauhigkeiten
aufweisen, kann der Spiegel, wie in 5d gezeigt,
auch von der Rückseite
her betrieben werden. Die Rückseite
der Spiegelplatte 3 besteht an der Oberfläche aus
der Galvanikstartschicht 8, die eine sehr geringe Rauhigkeit
aufweist und dadurch wenig Streulicht erzeugt. Mit höherer Streulichterzeugung
ist dagegen die Benutzung der eigentlichen Spiegeloberseite, wie unter 5e dargestellt, verbunden. In beiden der letztgenannten
Figuren ist eine Konfiguration für elektrostatischen
Antrieb der Spiegelplatte 3 dargestellt. Hierzu wird das
Trägersubstrat 1 mit
der Vorder- oder Rückseite
auf ein weiteres Substrat 11 aufgebracht, auf dem Elektroden 12 angeordnet
sind, über
die die Spiegelplatte 3 bewegt werden kann. Bei rückseitiger
Betriebsweise ist zwischen dem Substrat 11 und dem Trägersubstrat 1 noch
eine Abstandsschicht 13 vorzusehen, damit die Elektroden
die Spiegelplatte nicht berühren.
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Ist
die Spiegelplatte aus galvanisch abgeschiedenem Nickel oder einer
Nickellegierung hergestellt, können
die weichmagnetischen Eigenschaften dieses Materials genutzt werden,
um sehr einfache elektromagnetische Antriebe zu realisieren. Ein
Beispiel hierfür
ist aus 6 ersichtlich. Diese zeigt einen
Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Mikroaktorbauteil,
das auf einem Grundsubstrat 11 aufgebracht ist. Auf diesem
Grundsubstrat sind unterhalb der Spiegelplatte 3 zwei Elektromagnete 14 zur
Erzeugung eines magnetischen Feldes vorgesehen, über die die Spiegelplatte bewegt
werden kann, wie dies in der Figur schematisch dargestellt ist (linker Elektromagnet
an – rechter
Elektromagnet aus). Die Elektromagnete 14 sind vorzugsweise
als Planarspulen ausgebildet.
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Typische
Abmessungen der mit den vorgestellten Verfahren gefertigten Mikroaktorbauteile
liegen bei Spiegelgrößen mit
einer Kantenlänge
von 1 bis 3 mm, Torsionselementen mit Breiten zwischen 10 und 30 μm, Höhen zwischen
7 und 25 μm
sowie Längen
zwischen 1 und 2 mm. In der Regel wird für die Torsionselemente die
Abscheidung einer möglichst
hohen Metallschicht 10 angestrebt, so daß die Durchbiegung
dieser Elemente aufgrund der Gravitation vermindert wird. Die Torsionselemente
bzw. -federn sind daher vorzugsweise höher als breit.
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Bei
der Anordnung eines Bauteils auf einem Grundsubstrat 11,
wie in den 5d und 5e dargestellt,
wird vorzugsweise ein Grundsubstrat aus Glas eingesetzt. Die Verbindung
zwischen Trägersubstrat 1 und
Grundsubstrat 11 kann mittels Kleben oder einer Bondingtechnik
erfolgen.
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Bei
der Herstellung metallischer Spiegelplatten führt materialeigener Schichtstreß, insbesondere Streßgradienten,
dazu, daß sich
die metallischen Spiegelplatten einer Dicke von bis zu 25 μm durchbiegen.
Diese Durchbiegung muß auf
ein Minimum reduziert werden. Da es schwer oder kaum möglich ist,
die Abscheideparameter so perfekt einzustellen, daß der Streß der Metallplatte
vernachlässigbar bleibt,
wird die Verbiegung vorzugsweise durch zusätzlich versteifend wirkende
Elemente auf den Metallplatten reduziert. Eine Möglichkeit der zusätzlichen
Versteifung besteht darin, ein verstei fendes Profil zusätzlich an
den Rändern
des Spiegels abzuscheiden, wie dies in 7 dargestellt
ist. Dieses versteifende Profil ist in diesem Beispiel in Form eines
metallischen Rahmens 15 ausgestaltet, an dem die Torsionsfedern 4 angebracht
sind. Dies führt
neben der verbesserten Ebenheit allerdings auch zu einer Erhöhung der
Spiegelmasse und damit des Trägheitsmomentes
des Spiegels.
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In
einer weiteren Ausführungsform
gemäß 8 wird
die Versteifung nicht durch einen geschlossenen Rahmen erreicht,
sondern durch zwei metallische Rahmenelemente 16, die jeweils
mit einem der Torsionselemente 4 verbunden sind. Diese Rahmenelemente 16 können hierdurch
bei Beaufschlagung mit unterschiedlichen Spannungen V1 bzw. V2 gleichzeitig
als Randelektroden dienen, um eine Kippbewegung des Spiegels hervorzurufen. Dies
wird insbesondere durch die mittels galvanischer Abscheidung erzeugbaren
hohen Strukturen dieser Rahmenelemente ermöglicht. Ein derartiges elektrostatisches
Antriebsprinzip ist besonders für den
resonanten Betrieb des Spiegels geeignet. Hierzu ist es allerdings
erforderlich, die beiden Rahmenelemente 16 gegeneinander
zu isolieren, so daß sie auf
definierter Potentialdifferenz zueinander und in Bezug auf den umgebenden
Chiprahmen gehalten werden können.
Durch den Höhenunterschied
zwischen den versteifenden Rahmenelementen 16 und dem Chiprahmen
kommt es bei Anlegen einer elektrischen Spannung zu einem effektiven
Drehmoment unter der Voraussetzung, daß an der gegenüberliegenden
Spiegelseite zwischen dem Chiprahmen und den Rahmenelementen nicht
die gleiche elektrische Spannung anliegt.
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Das
gleiche Antriebsprinzip läßt sich
auch realisieren, wenn eine entsprechende Randelektrode 18 auf
dem Siliziumchip 1 in geringem Abstand und isoliert zur
Spiegelplatte 3 vorgesehen ist. Dies ist in 9 dargestellt.
Das Drehmoment ergibt sich hierbei wiederum durch den Höhenunterschied
zwischen der Spiegelplatte 3 und der Randelektrode 18,
wobei in diesem Fall die Spiegelplatte über die Torsionselemente 4 auf
einer anderen Spannung V1 liegt als die jeweilige Randelektrode
(Spannung V2).
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Bei
den beiden Mikrobauteilen der 8 und 9 muß jeweils
zwischen Spiegelelement 3 und Chip bzw. Trägersubstrat 1 ein
ausreichend großer Luftspalt 19 vorliegen,
um einen elektrischen Kurzschluß zu
verhindern. Bei dem Mikrobauteil der 9 liegt
der Vorteil darin, daß die
Randelektroden 18 nicht auf dem Spiegel befestigt sind,
so daß eine geringere
Spiegelmasse ermöglicht
wird. Dieses Antriebskonzept ist sowohl für resonanten als auch nichtresonanten
Betrieb des Spiegels mit beliebiger Frequenz geeignet.
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10 zeigt
schließlich
ein weiteres Beispiel für
eine Versteifungsstruktur einer metallischen Spiegelplatte 3.
Hierbei ist eine galvanisch abgeschiedene Hohlstruktur 20,
beispielsweise als Hexagonalstruktur oder als Dreieckstruktur, mit
vertikalen Wänden
auf der Spiegelplatte 3 vorgesehen. Die Spiegelplatte kann
bei dieser Anordnung nur wenige Mikrometer dünn ausgestaltet sein. Sie besteht
vorzugsweise nur noch aus einer dünnen Folie, über der
die Verstrebungsstruktur erzeugt wird. Durch die zahlreichen Hohlräume kann
sich der Schichtstreß nicht mehr wie
in einer geschlossenen Schicht ausbilden. Eine Verbiegung ist stark
erschwert. In diesem Fall ist es allerdings notwendig, die Rückseite
des Spiegels 3 zur Strahlablenkung zu nutzen. Der einfallende 21 und
reflektierte Strahl 22 ist in der Abbildung zu erkennen.
Diese Figur stellt nur einen Ausschnitt einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäß hergestellten
Mikroaktorbauteils dar. Die übrigen
Elemente können
wie in einer der vorangehenden Figuren ausgeführt werden.
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Der
große
Vorteil dieser hohlen Versteifungsstruktur liegt in der gleichzeitig
reduzierten Spiegelmasse, da der Spiegel dünner ausgestaltet werden kann.
Diese gleichzeitige Reduzierung der Masse erlaubt es trotz Versteifung,
sehr hohe Resonanzfrequenzen mit diesem System zu erzielen.
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11 zeigt
schließlich
in Draufsicht ein Beispiel eines zweiachsigen Mikroscanners auf
engstem Raum, bei dem eine Ausführungsform
der erfindungsgemäß hergestellten
Mikroaktorbauteile eingesetzt wurde. Dieser zweiachsige Scanner
besteht aus einem Nickelrahmen 5 auf einem (nicht dargestellten)
Trägersubstrat.
An dem Nickelrahmen 5 ist über zwei Torsionselemente 4a ein
weiterer Nickelrahmen 5a aufgehängt. Innerhalb dieses Rahmens 5a ist
schließlich
die Spiegelplatte 3 aus Nickel über zwei weitere Torsionselemente 4b an
diesem aufgehängt.
Die äußeren Torsionselemente 4a bilden
eine Torsionsachse, die senkrecht zur durch die weiteren Torsionselemente 4b gebildeten
Torsionsachse steht. Wie leicht ersichtlich ist, läßt sich
hierdurch ein zweidimensionales Ablenksystem realisieren. Das gesamte
System kann auf einfache Weise über
galvanische Schichtabscheidung der metallischen Rahmen und Torsionselemente,
wie dies beispielsweise in 5 dargestellt
ist, hergestellt werden.
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Das
erfindungsgemäß hergestellte
Mikroaktorbauteil ermöglicht
die Bereitstellung von extrem kompakten, monolithischen Mikroscannern
mit den erforderlichen weichen, mechanischen Federn und einer sehr
hohen Vibrations- und Schockunempfindlichkeit. Neben dem Einsatz
in Zweiachsenscannern für
die portable Laserscan-Mikroskopie, in Barcode-Scannern, in Biochip-Readern, in der Reprographie
und Druckertechnik, beim Laserfernsehen, in der holographischen
Datenspeicherung, in kompakten Displays im Auto oder Flugzeug sowie
in Laserbearbeitungseinrichtungen oder in der Meßtechnik lassen sich derartige
Mikroaktorbauteile beispielsweise auch in Positioniereinheiten oder
Mikrorühreinrichtungen
einsetzen.
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- 1
- Trägersubstrat
- 2
- Ausnehmung
- 3
- Aktorelement
bzw. Spiegelplatte
- 4,
4a, 4b
- Torsionselement
- 5,
5a
- Metallrahmen
- 6
- Aufweitungsstruktur
- 7
- Maskierungsschicht
- 8
- Galvanikstartschicht
- 9
- Photolack
- 10
- galvanisch
abgeschiedenes Metall
- 11
- Grundsubstrat
- 12
- Elektroden
- 13
- Abstandsschicht
- 14
- Elektromagnet
- 15
- versteifender
Rahmen
- 16
- versteifende
Rahmenelemente
- 17
- Rand
des Trägersubstrates
bzw. Chips
- 18
- Randelektroden
- 19
- Luftspalt
- 20
- versteifende
Hohlstruktur
- 21
- einfallender
Laserstrahl
- 22
- reflektierter
Laserstrahl