DE3809597A1 - Mikromechanisches stellelement - Google Patents

Mikromechanisches stellelement

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Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Stellele­ ment nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In der Schrift "Micromechanical Membrane Switches on Silicon" (IBM Journal Research Development, Vol. 23, 1979, S. 376-385) gibt K. E. Peters ein mikromechani­ sches Schaltelement an, das die unterschiedliche ther­ mische Ausdehnung zweier übereinander angeordneter Mate­ rialien (Bimaterial) ausnützt. Bei einer bestimmten Umgebungstemperatur wechselt das Element seinen Schalt­ zustand.
Um die Höhe der Umschalttemperatur beeinflussen zu können, ist an dem Schaltelement eine zusätzliche Elektrode angebracht, die mit der beweglichen Schalt­ zunge einen Kondensator bildet und deren Lage mit Hilfe elektrostatischer Kräfte verändert. Ein Nachteil sol­ cher elektrostatisch betriebener Elemente liegt darin, daß die elektrostatische Kraft rasch mit zunehmender Entfernung abnimmt, weshalb sich die Lage der Zunge beim Schaltvorgang nur minimal verändern darf.
In der Veröffentlichung "Micromechanical Silicon Actuators based on thermal expansion effects" (Trans­ ducers 1987) beschreiben W. Riethmüller, W. Benecke, U. Schnakenberg und A. Heuberger ein mikromechanisches Stellelement, dessen aktives Element, eine bewegliche Zunge aus einer Silizium-Metall-Schichtstruktur, mit Hilfe eines elektrischen Widerstandes geheizt werden kann.
Durch eine vorgebbare Heizleistung läßt sich die Lage der Bimaterial-Zunge um einen definierten Betrag verän­ dern. Allerdings ist die jeweils aktuelle Stellung der Zunge nicht genau bestimmbar, da diese auch von der Um­ gebungstemperatur abhängt. Eine exakte Positionierung der Zunge ist damit nicht gewährleistet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein positio­ nierbares und regelbares mikromechanisches Stellelement anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einem mikromechanischen Stellelement zur Positions­ erfassung und Positionsregelung Sensorelemente ange­ bracht sind.
Die Sensorelemente erfassen die momentane Stellung des aktiven Elementes und erlauben von der bekannten Stel­ lung ausgehend, jede gewünschte Lageänderung. Die neue Lage kann unbeeinflußt durch Schwankungen der Umgebungs­ temperatur beibehalten werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Nach Anspruch 2 ist das Stellelement auf einem Silizium-Wafer in (100)-Orientie­ rung aufgebaut. Damit findet als Ausgangsmaterial ein handelsüblicher Chip Verwendung. Um mit geringen Heiz­ leistungen möglichst große Lageveränderungen herbeizu­ führen, besteht die Zunge nach Anspruch 3 aus einer Kombination von Materialien mit möglichst unterschied­ lichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die Schicht­ folge ist so gewählt, daß die Zunge bei Erhöhung der Temperatur zur Substratseite hin gebogen wird. Nach Anspruch 4 ist der Heizer als elektrischer Widerstand zwischen oder auf den Schichten so angeordnet, daß eine gleichmäßige Erwärmung gewährleistet ist. Aufgrund der niedrigen Wärmekapazität der Zunge wird eine starke Temperaturerhöhung pro elektrischer Leistung erreicht.
Nach Anspruch 5 werden Sensorelemente verwendet, die den piezoresistiven Effekt ausnützen. Dieser statische Effekt ist bei Halbleitern insbesondere bei Silizium gut ausgeprägt und eignet sich zur Messung von Zug- oder Druckbelastungen. Ein weiterer Vorzug ist, daß Piezowiderstände einfach mit der Technik integrierter Schaltungen herstellbar sind.
Nach Anspruch 6 können je nach Anwendungsfall zur Mes­ sung der Auslenkung auch magnetische, piezoelektrische, ferroelektrische oder kapazitive Effekte herangezogen werden. Wenn beispielsweise die Lageveränderung der Zunge detektiert werden soll, eignet sich der dynami­ sche piezoelektrische Effekt. Für besonders große Meß­ empfindlichkeit wird die mechanische Spannung vorteil­ haft mittels kapazitiver Signalwandlung bestimmt.
Um zu vermeiden, daß die Positionsbestimmung des akti­ ven Elementes durch die Betriebstemperatur beeinflußt wird, sind die Sensoren und der Heizer nach Anspruch 7 thermisch entkoppelt.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Stellelementes sind nach Anspruch 8 alle Teile auf einem Halbleiterchip integriert. Nach Anspruch 9 werden Sensor- und Heizersignale in einem Regelkreis miteinan­ der verknüpft. Dadurch wird die Zunge beispielsweise durch Regelung der Heizleistung in einer vorgebbaren Stellung gehalten. Um einen hohen Grad an Miniaturisie­ rung zu erreichen, sind nach Anspruch 10 Regelkreis und Stellelement auf demselben Halbleiterchip integriert. Dadurch können gleichzeitig mehrere identische, regel­ bare mikromechanische Stellelemente hergestellt werden.
In der zitierten Schrift von Riethmüller, Benecke, Schnakenberg und Heuberger wird die Weiterbildung eines mikromechanischen Stellelementes zu einem Lichtmodula­ tor, einem Schalter und zu einem Mikroventil erwähnt. Allerdings ist dort kein Weg aufgezeigt, wie die Wei­ terbildung erfolgen soll.
In Anspruch 11 ist eine Weiterbildung des Stellelemen­ tes zu einem Lichtmodulator gekennzeichnet, bei dem die Zunge mit einer spiegelnden Metallschicht überzogen ist. Der Vorteil dieser Vorrichtung liegt darin, daß sie sowohl in eine vorgebbaren Richtung justiert werden kann als auch - bei Anlegen einer oszillierenden Spannung - zur Modulation eines Lichtstrahles geeignet ist.
In Anspruch 12 ist eine Weiterbildung des Stellelemen­ tes zu einem elektrisch angetriebenen Mikroventil ge­ kennzeichnet. Es vereint die Vorteile bekannter Mikro­ ventile, wie kleine Abmessungen und geringes Gewicht, mit einer besonders einfachen Funktionsweise und Her­ stellung. Nach den Ansprüchen 13 und 14 ist das Stell­ element zu einem elektrisch angetriebenen Relais aus­ gestaltet.
Alle gekennzeichneten Weiterbildungen der Erfindung werden nach den Ansprüchen 15 und 16 vorteilhaft mit den in der Mikromechanik und in der Mikroelektronik bekannten Verfahren hergestellt und sind mit Standard- IC-Prozessen kompatibel. Die einzelnen Bestandteile werden dabei mit Hilfe planarer Lithographieprozesse strukturiert. Für den Betrieb der Stellelemente reichen die in der Mikroelektronik üblichen Spannungspegel aus. Das erfindungsgemäße mikromechanische Stellelement und seine Weiterbildungen zeichnen sich durch einen hohen Grad an Miniaturisierung, hohe Genauigkeit, große Zu­ verlässigkeit und niedrige Kosten aus.
Nachfolgend werden an Hand von Zeichnungen vier Ausfüh­ rungsbeispiele dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Stellelement in Aufsicht (a) und Schnitte entlang der Schnittlinien
A A′ (b)
B B′ (c)
C C′ (d),
Fig. 2 eine Weiterbildung des Stellelementes zu einem elektrisch verstellbaren Spiegel im Querschnitt (a) und in Aufsicht (b),
Fig. 3 eine Weiterbildung des Stellelementes zu einem elektrisch angetriebenen Mikroventil im Quer­ schnitt (a) und in Aufsicht (b),
Fig. 4 eine Weiterbildung des Stellelementes zu einem elektrisch gesteuerten Relais im Querschnitt (a) und in Aufsicht (b) ,
Fig. 5 die Verfahrensschritte zur Herstellung eines Stellelementes.
Die bewegliche Zunge (1) des Stellelementes in Fig. 1 besteht aus einer Schicht aus Silizium oder einer Sili­ ziumverbindung (z.B. 4 dick) mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Sie ist zur Bildung eines Bimaterials partiell mit einer Metall­ schicht (2) mit einem wesentlich höheren Ausdehnungs­ koeffizienten (z.B. eine 2 dicke Goldschicht) be­ deckt. Zwischen diesen Schichten oder auf der Metall­ schicht ist ein elektrisch betriebener Heizwiderstand (3) angeordnet (z.B. aus polykristallinem Silizium). Wegen des größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Metalls wird die bewegliche Zunge in Richtung einer Ätzgrube (4) gedrückt, die mit Hilfe anisotroper Ätzmethoden in das Substrat (5) geätzt ist. Die gestri­ chelte Linie gibt eine mögliche Position der ausgelenk­ ten Zunge an.
Da die absolute Temperatur der beiden Schichten (1, 2) die augenblickliche Position der Zunge bestimmt, wird diese sowohl durch Änderungen der Umgebungstemperatur als durch die Bedingungen der Wärmeableitung beeinflußt. Zur Messung der momentanen Position der Zunge sind des­ halb auf dem Stellelement Sensoren (6, 7) angebracht (z.B. Piezowiderstände aus Silizium), deren Widerstand von der Auslenkung der Zunge abhängt. Die Sensoren (6, 7) und der Heizwiderstand (3) werden in einem gemeinsa­ men elektrischen Regelkreis so verknüpft, daß die beweg­ liche Zunge in jeder gewünschten Position gehalten werden kann. Zur thermischen Entkopplung der Sensoren von dem Heizwiderstand ist die Zunge aus drei Stegen zusammengesetzt, die in eine gemeinsame Fläche einmün­ den. Auf den seitlichen Stegen sind die Sensoren (6, 7), auf dem Mittelsteg ist der Heizwiderstand (3), angebracht.
Bei der Weiterbildung des Stellelementes in Fig. 2 ist die bewegliche Zunge (1) als Steg mit einem verbreiter­ ten losen Ende ausgebildet, das mit einer hochreflektie­ renden Metallschicht überzogen ist. Auf dem schmalen Bereich des Steges sind die Metallschicht (2), der Heiz­ widerstand (3) und die Sensoren (6, 7) angebracht. Die­ se Weiterbildung stellt einen elektrisch steuerbaren Lichtmodulator dar. In der Ausgangsstellung wird ein einfallender Lichtstrahl (8) in sich selbst reflektiert; in der durch die gestrichelte Linie angedeuteten Stel­ lung verläßt der Lichtstrahl (9) den Modulator unter einem einstellbaren Reflexionswinkel. Zur Vergrößerung der spiegelnden Fläche können viele Modulatoren auf einem Chip im Gleichtakt betrieben werden. Um verschie­ dene Teile eines Lichtstrahles in unterschiedliche Richtungen zu reflektieren, werden die Modulatoren einzeln angesteuert.
Die in Fig. 3 dargestellte Weiterbildung des Stellele­ mentes stellt ein mikromechanisches Ventil dar. Die bewegliche Zunge (1) ist als Steg mit einem verbreiter­ ten losen Ende ausgebildet, das als Ventilplatte dient. Auf dem schmalen Bereich des Steges sind die Metall­ schicht (2), der Heizwiderstand (3) und die Sensoren (6, 7) angebracht. Die Zunge (1) wird durch eine Dis­ tanzschicht (10) (z.B. eine epitaktisch abgeschiedene Siliziumschicht) in Abstand vom Substrat (5) gehalten. Die Ätzgrube (4) ist in Form einer Ventilöffnung aus­ gebildet. Durch Einschalten des Heizwiderstandes (3) wird die als Ventilplatte ausgebildete Zunge (1) gegen die Ventilöffnung gepreßt. Da die Zunge im Bereich des schmalen Steges nachgiebiger ist als im Bereich des breiten losen Endes, nimmt sie die durch die gestrichel­ te Linie angedeutete Form an.
Die in Fig. 4 dargestellte Weiterbildung des Stellelemen­ tes dient zum Schalten eines elektrischen Kontaktes. Auf dem losen Ende der beweglichen Zunge (1) ist ein Schalt­ kontakt (11) aus Metall angebracht, während die Zunge im Bereich des festen Endes mit einer Metallschicht (2) zu einem Bimaterial ausgebildet ist und einen Heizwider­ stand (3) aufweist. Gegenüber dem Schaltkontakt (11) sind auf dem Substrat zwei Elektroden (12, 13) angeord­ net, die nach Aktivierung der Zunge (1) durch den Kon­ takt (11) elekrisch kurzgeschlossen werden.
Die in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungs­ beispiele werden dadurch vorteilhaft weitergebildet, daß die Sensorelemente auf separaten Stegen unterge­ bracht und damit von dem Heizwiderständen entkoppelt sind.
Die Verfahrensschritte zur Herstellung eines regelbaren Stellelementes sind in Fig. 5 schematisch dargestellt.
  • a) Auf eine Siliziumscheibe in (100)-Orientierung, die als Substrat (5) dient, wird eine hoch-bordotierte Siliziumschicht (14) epitaktisch abgeschieden. Sie liefert das Material für die bewegliche Zunge (1). Nacheinander werden eine Passivierungsschicht (15) (z.B. Siliziumnitrit) und - als Material sowohl für den Heizwiderstand (3) als auch die Sensoren (6, 7) - eine polykristalline Siliziumschicht (16) abge­ schieden, die anschließend dotiert wird.
  • b) Mit Hilfe lithographischer Prozesse und durch Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht (16) werden der Heizwiderstand (3) und die Sensoren (6, 7) herge­ stellt. Nach Aufbringen einer Passivierungsschicht (17) folgen weitere Lithographieschritte.
  • c) Eine Metallschicht wird abgeschieden und durch lithographische Schritte und einem Ätzprozeß zur zweiten Schicht (2) des Bimaterials geformt.
  • d) Durch isotropes Ätzen der Epitaxieschicht (14) wird die Zunge (1) und durch anisotropes Ätzen des Sub­ strats (5) die Ätzgrube (4) herausgebildet.
Anstelle der hoch-bordotierten Siliziumschicht kann als Material für die bewegliche Zunge auch eine niedrig dotierte Schicht Verwendung finden. Der Ätzprozeß wird dann durch einen elektrochemischen Ätzstop an der Schichtoberfläche beendet.

Claims (16)

1. Mikromechanisches Stellelement, bestehend aus einem Substrat, einer beweglichen Zunge und einem Heizer, wobei die Zunge aus übereinander angeordneten Schich­ ten verschiedener Materialien mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung aufgebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stellelement zur Positionserfassung und Positionsregelung der Zunge (1) Sensorelemente (6,7) angebracht sind.
2. Mikromechanisches Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem Silizium-Wafer mit (100)-Orientierung besteht.
3. Mikromechanisches Stellelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Zunge aus zwei Schichten zusam­ mengesetzt ist, wobei die substratnähere Schicht aus Silizium oder Siliziumverbindungen und die darüber­ liegende Schicht aus einem Metall besteht.
4. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer (3) als Widerstand ausgebildet und zwischen den Schichten angeordnet ist, und aus Silizium oder Metall besteht.
5. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (6, 7) als Piezowiderstände ausgebildet sind.
6. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (6,7) auf magnetischen, piezo­ elektrischen, ferroelektrischen oder kapazitiven Effekten beruhen.
7. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Teile des Stellelementes auf einem Halb­ leiterchip integriert sind.
8. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorelemente (6, 7) von dem Heizelement (3) thermisch entkoppelt sind.
9. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Heizer und Sensor über einen gemeinsamen Regel­ kreis miteinander verknüpft sind.
10. Mikromechanisches Stellelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis und das Stellelement auf dem­ selben Halbleiterchip integriert sind.
11. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Zunge des Stellelementes wenigstens teil­ weise als Spiegel ausgebildet ist.
12. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat eine Ventilöffnung aufweist und ein Ende der Zunge durch eine Distanzschicht (10) in Abstand vom Substrat gehalten wird.
13. Mikromechanisches Stellelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat und die Zunge mit jeweils wenig­ stens einer elektrischen Kontaktplatte (11 bzw. 12, 13) versehen sind, und daß korrespondierende Kontaktplatten auf dem Substrat und der Zunge über­ einander angeordnet sind.
14. Mikromechanisches Stellelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatten so angeordnet sind, daß eine Kontaktplatte (11) der Zunge durch Überbrücken von zwei Kontaktplatten (12, 13) auf dem Substrat einen Stromkreis schließen kann.
15. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Stellelementes, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen des Stellelementes mit planaren Lithographieprozessen definiert werden.
16. Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Stellelementes nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Mikromechanik bekannten Verfahren wie epitaktische Abscheidung, Ätzen mit definiertem Ätzstop und anisotropes Ätzen angewendet werden.
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