DE602004010024T2

DE602004010024T2 - Bimorph angetriebener, schwingender Mikrospiegel

Info

Publication number: DE602004010024T2
Application number: DE602004010024T
Authority: DE
Inventors: Fabien 38000 FILHOL
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2003-09-08
Filing date: 2004-09-06
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2024-09-07
Also published as: JP2005122131A; EP1519213A1; EP1519213B1; US7190502B2; FR2859542B1; FR2859542A1; DE602004010024D1; ATE378616T1; US20050063038A1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrospiegel, der fähig ist, dank einer bimorphen Betätigung im Schwingmodus zu arbeiten.
Die durch die Mikrobearbeitungstechniken von Halbleitermaterialien hergestellten Mikrospiegel entwickeln sich immer mehr, denn sie eignen sich insbesondere zur Ablenkung von Lichtstrahlen aufgrund der Kombination ihrer Schnelligkeit, ihrer Genauigkeit, ihres geringen Energieverbrauchs und ihrer niedrigen Herstellungskosten.
Solche Mikrospiegel umfassen einen beweglichen Teil, generell in Form einer mit einem festen Teil verbundenen, um eine Torsionsachse schwingenden Platte. Der bewegliche Teil umfasst eine Reflexionszone zur Ablenkung eines auf ihn gerichteten Lichtstrahls.
Bei dieser Betriebsart ist der bewegliche Teil dazu bestimmt, mit seiner Resonanzfrequenz zu schwingen, wobei der reflektierte Lichtstrahl dann eine periodische Abtastung mit einer durch das mechanische Resonanzphänomen erhöhten Periode realisiert.
Das Anwendungsgebiet dieser Mikrospiegel sind zum Beispiel das der Scanner in den Druckern, den Strichcodelesern. Bei dieser Betriebsart können die Mikrospiegel auch in neuen Anwendungen benutzt werden, etwa den Anzeigen durch Lichtstrahlabtastung auf der Retina oder den Endoskopie-Konfokalmikroskopen.
STAND DER TECHNIK
Solche Mikroskope umfassen klassischerweise einen plattenförmigen beweglichen Teil mit einer Hauptebene, der wenigstens eine Reflexionszone, einen festen Teil, zwei von dem beweglichen Teil ausgehende, mit dem festen Teil verbundene Torsionsarme mit einer zu der Hauptebene im Wesentlichen parallelen Achse und Einrichtungen zur Steuerung der Schwingungen des beweglichen Teils um die Achse.
Die optische Qualität der Mikrospiegel hängt im Wesentlichen von der Planheit ihrer Reflexionszone ab. Der bewegliche Teil umfasst generell eine die Reflexionszone bildende mikrobearbeitete Platte aus Halbleitermaterial oder ist wenigstens mit einer reflektierenden Schicht und eventuell einer Schutzschicht überzogen. Die Oberflächenverformungen können bewirkt werden durch Elemente, die sich unter der Reflexionszone befinden, die Spannungen in der (oder den) Oberflächenschichten des beweglichen Teil (zum Beispiel der metallischen Reflexionsschicht oder der Schutzschicht) und den dynamischen Verformungen, die sich während der Verschiebung des beweglichen Teils ereignen.
Die Verwendung des monokristallinen oder polykristallinen Siliciums mit einer Dicke von mehrfach zehn μm ermöglicht, bewegliche Teile mit einer zufriedenstellenden Planheit zu erhalten. Ein solcher Dickenbereich ermöglicht, die Verformungen zu vermeiden, die durch eine Beschleunigung während einer Bewegung oder durch Spannungen in den Oberflächenschichten) verursacht werden.
Die Größe der Reflexionszone muss ausreichend sein, um den Beugungseffekt des Lichtstrahls in seiner Öffnung zu begrenzen. Man verwendet typisch Mikrospiegel mit einer Ausdehnung von mehr als 500 μm.
Selbstverständlich sind diese Dimensionen keine Grenzwerte, sondern hängen von der Anwendung ab.
Das Dokument: "A novel asymetric silicon micro-mirror for optical beaam scanning display", K. Yamada and T. Kuriyama, Proceedings MEMS 98, IEEE, Seiten 110–115, beschreibt einen asymmetrischen mit piezoelektrischer bimorpher Betätigung. Die Figvbur 1 zeigt einen solchen Spiegel in dreidimensionaler Darstellung. Die 2A, 26, 2C, 2D sind Ansichten des beweglichen Teils, die seine Schwingbewegung veranschaulichen, und die 3 ist eine Grafik, die die Veränderung des Neigungswinkels θ, der Vertikalbewegung δz und der Beschleunigung d²z/dt² des beweglichen Teil in Abhängigkeit von der Zeit zeigt.
Betrachten wir die 1. Der Mikrospiegel umfasst einen beweglichen Teil 1 und einen festen Teil 2. Der bewegliche Teil 1 ist generell plattenförmig. Er ist dazu bestimmt, um eine Achse 3 zu schwingen. Die Achse 3 verläuft durch den beweglichen Teil 1, wobei sie versetzt ist in Bezug auf seinen Massenmittelpunkt M und im Wesentlichen parallel ist zu einer Hauptebene des beweglichen Teils 1. Wenn der bewegliche Teil 1 eine Platte von konstanter Dicke ist, fällt der Massenmittelpunkt M zusammen mit dem geometrischen Mittelpunkt des beweglichen Teils 1.
Zwei Torsionsarme 4 verbinden den beweglichen Teil 1 und den festen Teil 2 über bimorphe Betätigungseinrichtungen 5 des piezoelektrischen Typs. Solche bimorphe Betätigungseinrichtungen des piezoelektrischen Typs umfassen einen Teil, der fähig ist, unter der Wirkung einer Erregung sein Volumen zu verändern. Die Torsionsarme 4 materialisieren die Achse 3. Sie treten aus dem beweglichen Teil 1 aus. Diese Torsionsarme 4 fluchten und haben eine gemeinsame Achse 3. Sie haben ein fest mit einem Rahmen 51 verbundenes Ende 6, der durch Klebung auf einer Seite einer Platte 52 aus piezoelektrischer Keramik befestigt ist. Diese Platte 52 wird "bimorphes Element" genannt. Die andere Seite des bimorphen Elements 52 aus piezoelektrischer Keramik ist auf den festen Teil 2 geklebt, der plattenförmig ist. Das bimorphe Element 52 aus piezoelektrischer Keramik und der Rahmen 51, auf den es geklebt ist, tragen dazu bei, die bimorphen Betätigungseinrichtungen 5 zu bilden. Das bimorphe Element 52 aus piezoelektrischer Keramik und der Rahmen 51 sind relativ dick und der Rahmen 51 ist steif. Das Zusammenkleben des bimorphen Elements 52 aus piezoelektrischer Keramik und des Rahmens 51 erfolgt mit Hilfe eines Abstandhalters längs eines ersten Rands des Substrats, und das Zusammenkleben des bimorphen Elements 52 aus piezoelektrischer Keramik und des festen Teils erfolgt mit Hilfe eines anderen Abstandhalters längs eines dem ersten Rand entgegengesetzten zweiten Rands des Substrats.
Dank dieser Abstandshalter, die die Referenz 10 tragen, sind beiderseits des bimorphen Elements 52 aus piezoelektrischer Keramik Lücken 8 vorhanden. Diese Struktur ist dank des Vorhandenseins der Lücken 8 kein voller Stapel. Die Lücken ermöglichen dem piezoelektrischen Material ein leichtes Vibrieren.
Erregungseinrichtungen (nicht dargestellt) kooperieren mit dem bimorphen Element 52 aus piezoelektrischer Keramik, um es einem elektrischen Feld auszusetzen, das fähig ist, sein Volumen zu variieren. Die Volumenänderung kann durch eine Expansion oder eine Kontraktion der piezoelektrischen Keramik bewirkt werden. Das elektrische Feld ist im Wesentlichen senkrecht zu den Hauptflächen des bimorphen Elements aus piezoelektrischer Keramik und folglich zu der Hauptebene des beweglichen Teils 1 in der Ruhestellung. In der 1 ist der bewegliche Teil 1 in Ruhestellung.
Dank des Rahmens 51 und der Torsionsarme 4 ist der bewegliche Teil 1 also über dem festen Teil 2 aufgehängt. Der bewegliche Teil 11 umfasst Hauptflächen, von denen die eine dem festen Teil 2 zugekehrt ist und die andere eine Reflexionszone 9 aufweist, die dazu bestimmt ist, Licht zu reflektieren.
Wenn das bimorphe Element 52 aus piezoelektrischer Keramik einem durch das Elektrodenpaar erzeugten vertikalen elektrischen Wechselfeld ausgesetzt wird, beginnt es vertikal zu vibrieren (in der Richtung des Doppelpfeils F). Es nimmt bei dieser Vibrationsbewegung den auf es geklebten Rahmen 51 und die Torsionsarme 4 mit. Da der Rahmen steif ist und aufgrund des Vorhandenseins des Abstandshalters 10 und der Lücke 8 nicht mit dem bimorphen Element aus piezoelektrischem Material 52 verbunden ist, verformt er sich nicht, sondern führt als Ganzes eine vertikale Vibrationsbewegung aus. Die Torsionsarme 4 sind versetzt in Bezug auf den Massenmittelpunkt M des beweglichen Teils 1, wobei die Asymmetrie der Massenverteilung um die Achse 3 herum ein Moment erzeugt, das den beweglichen Teil 1 in eine Schwingbewegung um die Achse 3 herum versetzt. Der Mikrospiegel befindet sich dann in einem aktivierten Zustand. Die 2A bis 2D veranschaulichen diverse Stellungen des beweglichen Teils 1. In den 2A und 26 befindet es sich in einer Mittelstellung, die seiner Ruhestellung entspricht. Die 2C zeigt eine nach der einen Seite der Achse geneigte Endstellung und die 2D zeigt eine nach der anderen Seite der Achse geneigte Endstellung.
Die Schwingbewegung des beweglichen Teils 1 ist synchron zur Erregung der bimorphen Betätigungseinrichtungen 5. Wenn die Erregung eine Frequenz hat, die der mechanischen Resonanzfrequenz des beweglichen Teils 1 entspricht, erzielt man die maximale Schwingungsamplitude des beweglichen Teils.
In der 3 kann man Phasenverschiebungen zwischen dem Neigungswinkel θ des beweglichen Teils 1, der Vertikalverschiebung δz des bimorphen Elements aus piezoelektrischer Keramik 52 und seiner Beschleunigung d²/dt². Die Ruhestellung des beweglichen Teils 1, in der dieser im Wesentlichen horizontal ist, entspricht einem Neigungswinkel θ gleich null. Die durch den beweglichen Teil 1 eingenommene Stellung ist für mehrere charakteristische Zeitpunkte dargestellt.
Diese Mikrospiegel sind also dazu bestimmt, um eine Achse 3 herum zu schwingen, die im Wesentlichen parallel ist zu einer Hauptebene ihres beweglichen Teils.
Ein Nachteil einer solchen Struktur ist die Klebung, die das Element aus piezoelektrischer Keramik mit dem Rahmen verbindet. Diese Klebung kann nur auf einem relativ steifen also ziemlich dicken Rahmen erfolgen, denn wenn dieser dünn ist, ist das Kleben delikat. Die Versteifung des Rahmens bewirkt, dass er massiv und schwer ist, was die Mitnahme bei den Bewegungen des mit ihm verbundenen bimorphen Elements aus piezoelektrischer Keramik erschwert. Man benötigt also einer größere Kraft und folglich größere bimorphe Betätigungseinrichtungen.
Die Herstellung einer Vielzahl solcher Mikrospiegel erfolgt kollektiv durch die Techniken der Mikroelektronik und der Mikrobearbeitung auf einem gemeinsamen Substrat. Jedoch kann das Festkleben der bimorphen Elemente aus piezoelektrischer Keramik nicht kollektiv erfolgen. Sie müssen einzeln mittels Klebung montiert werden, was die Herstellungskosten beträchtlich erhöht.
Ein anderer Nachteil besteht dann, dass sich das Zusammenkleben der piezoelektrischen Keramik und des Rahmens – insbesondere wenn dieser aus monokristallinem Silicium ist, als ziemlich schwierig erweisen kann aufgrund der Kleinheit der auszurichtenden und miteinander zu verklebenden Gegenstände.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Torsionsarme sich nicht an einer Stelle befinden, wo die Amplitude der Bewegung maximal ist. Man hätte sie so am Rahmen befestigen müssen, dass sie möglichst weit von dem Abstandhalter entfernt sind, der den Rahmen mit dem bimorphen Element aus piezoelektrischer Keramik verbindet. Die Schwingungsamplitude des beweglichen Teils ist also begrenzt.
Der Artikel "Modelling of a cantilever non-symmetric piezoelectric bimorph", Journal of micromechanics and microengineering, 13 (2003), Seiten 832–844, zeigt einen Aktuator mit bimorphen Betätigungseinrichtungen.
Die Patentanmeldung US 2002/002/860 zeigt einen Mikrospiegel mit einem beweglichen Teil, einem festen Teil und Torsionsarmen, die von dem beweglichen Teil ausgehen und an dem festen Teil befestigt sind. Es gibt keine bimorphen Betätigungseinrichtungen.
Das Patent US 5 969 465 zeigt einen Torsionsoszillator des Typs Spiegel. Es gibt keine bimorphen Betätigungseinrichtungen für jeden Torsionsarm.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, einen Mikrospiegel vorzuschlagen, der fähig ist, mittels bimorphen Effekts um eine Achse zu schwingen und dabei nicht die oben beschriebenen Beschränkungen und Schwierigkeiten aufweist.
Noch genauer ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Mikrospiegel vorzuschlagen, der durch die Techniken der Mikroelektronik und der Mikrobearbeitung kollektiv herstellt werden kann, und dies zu einem niedrigeren Preis als nach dem Stand der Technik.
Um dies zu realisieren, schlägt die Erfindung einen Mikrospiegel wie definiert in Anspruch 1 vor.
Das aktive Material kann ein piezoelektrisches Material, ein magnetoresistives Material, ein Thermoeffekt-Material mit einem Wärmedehnungskoeffizienten, der sich ausreichend vom dem des Materials der nachgiebigen passiven Struktur unterscheidet, oder eine Formgedächtnislegierung sein.
Die bimorphen Betätigungseinrichtungen umfassen Erregungseinrichtungen des Teils aus aktivem Material.
Vorzugsweise ist ein Torsionsarm mit der nachgiebigen passiven Struktur verbunden.
Um die Schwingungsamplitude zu maximieren, ist es vorteilhaft, wenn der Torsionsarm mit der passiven nachgiebigen Struktur in einer Zone verbunden ist, die sich unter der Einwirkung der durch die Erregung erzeugten Volumen- und oder Formveränderung des aktiven Materials stark verformt.
Der Teil aus aktivem Material und die nachgiebige passive Struktur weisen eine totale oder partielle Überdeckung auf. Zum Zwecke der Maximierung der Amplitude der Schwingungen ist es vorteilhaft, wenn die partielle Überdeckung sich in einer Zone starker Verformung der passiven nachgiebigen Struktur befindet.
Die nachgiebige passive Struktur kann die Form einer Membran aufweisen, die an dem festen Teil durch mindestens ein Randstück befestigt ist und mindestens ein weiteres, freies Randstück aufweist, an dem ein Torsionsarm befestigt ist.
Die Membran kann im Wesentlichen eine Halbscheibe mit einem runden Rand und einem geraden Rand sein, wobei der gerade Rand frei ist und der runde Rand an dem festen Teil befestigt ist.
Der Teil aus aktivem Material kann im wesentlichen die Form einer Halbscheibe mit einem geraden Rand haben, der im wesentlichen auf denjenigen der Membran ausgerichtet und zentriert ist.
Wieder zum Zwecke der Maximierung der Schwingungsamplitude beträgt der gerade Rand der Halbscheibe des Teils aus aktivem Material ungefähr 2/5 des geraden Rands der Membran.
Als Variante kann die passive nachgiebige Struktur die Form eines Trägers aufweisen, dessen Enden an dem festen Teil befestigt sind, wobei ein Torsionsarm im wesentlichen in einer zentralen Zone des Trägers befestigt ist.
Wieder zum Zwecke der Maximierung der Schwingungsamplitude kann der Teil aus aktivem Material die zentrale Zone des Trägers einnehmen, wobei an jedem Ende ungefähr 1/6 der Länge des Trägers frei bleibt.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Herstellungsverfahren eines derartigen, in Anspruch 13 definierten Mikrospiegels. Es kann die folgenden Schritte umfassen:

a) Realisierung für jeden Torsionsarm, auf einer Halbleiteroberflächenschicht eines Halbleitersubstrats, gebildet durch eine Isolierschicht, vergraben zwischen einer Halbleitergrundschicht und der Halbleiteroberflächenschicht, des Teils aus aktivem Material, der eventuell mit den Erregungseinrichtungen verbunden ist;
b) Abgrenzung – durch Ätzung in der Halbleiteroberflächenschicht –, der Kontur des beweglichen Teils, der Torsionsarme, der passiven nachgiebigen Struktur, wobei man auf der vergrabenen Isolierschicht anhält, und der Teil aus aktivem nachgiebigem Material die passive nachgiebige Struktur partiell überdeckt;
c) Eliminierung der Halbleitergrundschicht und der vergrabenen Schicht unter dem beweglichen Teil und den Torsionsarmen und darum herum, und unter einem Teil der passiven nachgiebigen Struktur, um das bewegliche Teil und die Torsionsarme frei zu machen, eine Verformung der passiven nachgiebigen Struktur zu ermöglichen und den festen Teil in der restlichen Halbleitergrundschicht und der vergrabenen Isolierschicht zu realisieren.

Man kann die Reflexionszone auf der Halbleiteroberflächenschicht herstellen, indem man vor dem Schritt b) ein reflektierendes Material abscheidet und seine Kontur abgrenzt.
Wenn das aktive Material piezoelektrisch ist oder eines mit Thermoeffekt, kann man als Erregungseinrichtungen eine erste Elektrode zwischen der Halbleiteroberflächenschicht und dem Teil aus aktivem Material und eine zweite Elektroden über dem Teil aus aktivem Material realisieren.
Man kann zwischen der ersten Elektrode und der Halbleiteroberflächenschicht eine Isolationsbasis einfügen.
Man kann zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, eine weitere Isolationsbasis einfügen, um sie voneinander zu isolieren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nachfolgenden, nur erläuternden und keinesfalls einschränkenden Beschreibung von Realisierungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Figuren.
Die 1 (schon beschrieben) zeigt einen Mikrospiegel nach dem Stand der Technik in dreidimensionaler Darstellung.
Die 2A bis 2D (schon beschrieben) zeigen diverse Stellungen des beweglichen Teils des Mikrospiegels während seiner Betätigung als geschnittene Seitenansicht.
Die 3 (schon beschrieben) ist eine Grafik, welche die Veränderungen des Neigungswinkels θ des beweglichen Teils des Mikrospiegels der 1, die Vertikalverschiebung des bimorphen Elements aus piezoelektrischer Keramik und seine Beschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit darstellt.
Die 4A, 4B, 4C, 4D zeigen jeweils eine globale Ansicht eines ersten Beispiels und eines zweiten Beispiels des erfindungsgemäßen Mikrospiegels, die Verformungen einer ihrer Membranen und eine Draufsicht ihrer bimorphen Betätigungseinrichtungen.
Die 5A, 56, 5C zeigen jeweils eine globale Ansicht eines weiteren Beispiels eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels, die Verformungen eines seiner Träger und eine Draufsicht seiner bimorphen Betätigungseinrichtungen.
Die 6A bis 6J zeigen verschiedene Schritte eines Beispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit bimorpher Betätigung, insbesondere des piezoelektrischen Typs.
Die verschiedenen Varianten müssen so verstanden werden, dass sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Identische, ähnliche oder äquivalente Teile der verschiedenen Figuren tragen dieselben numerischen Referenzen, um den Übergang von einer Figur zu anderen zu erleichtern.
Die verschiedenen in den Figuren dargestellten Teile entsprechen nicht notwendigerweise einem einheitlichen Maßstab, um die Figuren besser lesbar zu machen.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG BESONDERER REALISIERUNGSARTEN
Die 4A zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels. Dieser Mikrospiegel umfasst einen beweglichen Teil 11 mit einer Reflexionszone 19, einem festen Teil 12 und zwei von dem beweglichen Teil 11 ausgehende Torsionsarme 14, die eine Achse 13 materialisieren, um die der bewegliche Teil 11 schwingen kann. Der bewegliche Teil 11 ist im Wesentlichen plattenförmig. Die Achse 13 ist im Wesentlichen parallel zu einer Hauptebene des beweglichen Teils 11, verläuft durch den beweglichen Teil 11 und ist in Bezug auf den Massenmittelpunkt M des beweglichen Teils 11 versetzt. Dies bedeutet, dass die Achse 13 keine Symmetrieachse des beweglichen Teils 11 ist. Der Mikrospiegel wird asymmetrisch genannt.
Jeder der Torsionsarme 14 hat eine Ende 14.1, verbunden mit dem festen Teil 12 mittels bimorpher Betätigungseinrichtungen. Die bimorphen Betätigungseinrichtungen 15 umfassen in Höhe des Endes 14.1 jedes Torsionsarms 14 einen vollen Stapel 15.1 mit abgeschiedenen oder aufgebrachten Schichten, einen Teil aus aktivem Material 15.3 umfassend, der mit einer nachgiebigen passiven Struktur 15.2 kooperiert. Der Stapel 15.1 wird auch bimorph genannt. Man versteht unter einer aufgebrachten Schicht eine Schicht, die sich auf einem Plättchen befindet und die man auf ein anderes Plättchen geklebt hat, ehe man die Basis des ersten Plättchens entfernt. Diese Übertragungstechnik ist klassisch in den Mikrosystemen.
Bei dieser Erfindung versteht man unter aktivem Material ein Material, das fähig ist, unter der Wirkung einer Erregung das Volumen und/oder die Form zu verändern. Die Tatsache, in einem vollen Stapel ein solches aktives Material mit einer nachgiebigen passiven Struktur kooperieren zu lassen, ermöglicht, an der Schnittstelle eine Verformung zu erzeugen, wobei diese Verformung sich in die passive Struktur überträgt, die sich, wenn sie nachgiebig ist, ihrerseits verformt. Als aktives Material kann man ein piezoelektrisches Material wie zum Beispiel Zinkoxid (ZnO), Blei-Zirkonat-Titanat (Pb(Zr52,Ti48,)O₃), bekannt unter dem Kurzzeichen PZT, oder Polyvinylidendifluorid, bekannt unter dem Kurzzeichen PVDF. Diese Materialien verändern bei einer Erregung ihr Volumen. Die Volumenveränderung ist nicht isotrop, so dass auch eine Formveränderung stattfindet. Das Erregungssignal, das man an ein piezoelektrisches Material anlegen muss, damit es sein Volumen verändert, ist ein elektrisches Feld, induziert zum Beispiel zwischen zwei Elektroden, die sich beiderseits des piezoelektrischen Materials befinden. Bimorphe Betätigungseinrichtungen mit, als aktivem Material, einem piezoelektrischen Material, durchlaufen generell geringe Verschiebungen, liefern aber bei moderaten Erregungsspannungen große Kräfte. Der piezoelektrische Effekt ist sehr schnell (zum Beispiel bis einige GHz).
Man kann als zur Volumenänderung befähigtes aktives Material ein sogenanntes Thermoeffektmaterial verwenden, dessen Wärmedehnungskoeffizient sich ausreichend von dem der nachgiebigen passiven Struktur unterscheidet. Das verwendete Material kann zum Beispiel Zinkoxid sein, wenn das Material der nachgiebigen passiven Struktur Silicium ist.
Die bei einem solchen aktiven Thermoeffektmaterial anzuwendende Erregung ist eine Temperaturveränderung, zum Beispiel verursacht durch eine Erwärmung durch Jouleeffekt, die von wenigstens einem Widerstand stammt, der mit dem aktiven Material verbunden ist oder sich in seiner Nähe befindet. Das Zinkoxid besitzt eine Resistivität von ungefähr 10⁴ Ω·cm. Als Variante kann man in dem aktiven Material einen Strom fließen lassen (ungefähr einige Ampere), um seine Erwärmung durch Jouleeffekt zu bewirken. Dies verursacht eine Ausdehnung des aktiven Materials, und diese Ausdehnung ist größer als die der nachgiebigen passiven Struktur, mit der sie kooperiert. Wenn der Strom abnimmt, kehrt das aktive Material durch Abkühlung wieder in seine Ruhestellung zurück. Solche Thermoeffektmaterialen liefern große Kräfte und große Verschiebungen. Jedoch sind sie auf relativ niedrige Frequenzen begrenzt, typisch bis ungefähr 1 kHz.
Auch magnetoresistive Materialien sind aktive Materialien. Als magnetoresistives Material kann man das Terfol-D nennen (Schutzmarke der Firma Naval Surface Warefare Center, früher Naval Ordinance Labs), das eine Legierung aus Eisen (Fe), Terbium (Tb) und Dysprosium (Dy) ist. Diese Materialien nutzen den Riesenmagnetowiderstandseffekt, der eine Volumenveränderung verursachenden, wenn sie einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt sind. Die Erregung wird durch ein Magnetfeld verursacht, das zum Beispiel durch einen Magnet oder eine stromdurchflossene Spule erzeugt werden kann. Die Magnetowiderstandsmaterialien reagieren schnell (in ungefähr einer Mikrosekunde). Für das Erregungssignal benötigt man keine Leiterbahnen und/oder Elektroden wie in den anderen Fällen, was die Einrichtung vereinfacht. Die Erregungseinrichtungen können sich außerhalb des Bimorphs befinden. Es genügt, einen Magnet zu verwenden.
Auch die Formgedächtnismaterialien sind aktive Materialien. Sie verändern die Form, wenn sie einer Erregung ausgesetzt werden. Eine Legierung aus Titan (Ti) und Nickel (Ni) kann verwendet werden. Eine solche Legierung kann leicht in Form von dünnen Schichten abgeschieden werden. Diese Materialien nutzen einen Kristallphasenübergangseffekt, der eine Formveränderung bei einer Temperaturveränderung bewirkt. Diese Verformung ist bei der Abkühlung reversibel. Die Erregung kann zum Beispiel durch Erwärmung bewirkt werden, erzeugt durch einen mit dem Material verbundenen oder in seiner Nähe angeordneten Thermowiderstand. Diese Formgedächtnismaterialien können große Verschiebungen mit großen Kräften verursachen, sind aber langsam. Sie sind auf Frequenzen begrenzt, die typisch bis ungefähr 100 Hz gehen können.
Wenn in oder in der Nähe des aktiven Materials ein entsprechendes Erregungssignal erzeugt wird, verformt sich dieses durch Kompression oder Expansion, je nach Richtung des angewendeten Erregungssignals (Richtung des elektrischen Feldes, Richtung des Magnetfeldes, Richtung der Temperaturveränderung). Die 4 zeigen aus Gründen der Klarheit keine Erregungseinrichtungen des Teils aus aktivem Material. Ihre Realisierung ist für den Fachmann kein Problem. In der 5A sind solche Einrichtungen dargestellt und mit 15.4 bezeichnet.
Mittels bimorphem Effekt biegt sich die nachgiebige passive Struktur 15.2 in die eine oder andere Richtung, indem sie der Bewegung folgt, induziert durch die Verformung, erzeugt durch die Volumen- und/oder Formveränderung des Teils 15.3 aus aktivem Material.
Wenn die Erregung eine vertikale Wechselverformung des aktiven Materials erzeugt, wirkt auf das Ende 14.1 der Torsionsarme 14 eine Beschleunigung, übertragen durch die nachgiebige passive Struktur, und die Asymmetrie der Verteilung der Massen des beweglichen Teils 11 um die torsionsbeanspruchte Achse 13 herum erzeugt ein Moment, das den beweglichen Teil 11 in Rotation versetzt. Die Rotation des beweglichen Teils 11 ist synchron zu der auf den Teil aus aktivem Material angewendeten Erregung, und wenn die Erregung der mechanischen Resonanzfrequenz des beweglichen Teils 11 entspricht, ist die Schwingungsamplitude des beweglichen Teils 11 maximal.
Wenn man den Massenmittelpunkt M des beweglichen Teils 11 verschiebt, erleichtert man die Erregung Torsionsresonanzmodus in Bezug auf die anderen mechanischen Modi (Schwingung in der Ebene, vertikale Schwingungen). Diese anderen Modi sind störend für die erwünschte Funktion.
Die 4B zeigt den beweglichen Teil 11 in geneigter Stellung in einem aktivierten Zustand. Der graue Bereich ist die Zone des beweglichen Teils 11 mit der größten Bewegungsamplitude. Es ist sein am weitesten von der Achse 13 entfernter Rand.
Bei einem Stapel 15.1 ist die Verbindung zwischen Torsionsarm 14 und festem Teil 12 in Höhe der nachgiebigen passiven Struktur 15.2 hergestellt. Die nachgiebige Struktur 15.2 kann durch eine Membran realisiert werden, die an dem festen Teil 12 durch wenigstens ein Randstück befestigt ist und wenigstens ein anderes Randstück aufweist, das frei ist. Es kann sich also verformen. Das freie Ende 14.1 eines Torsionsarms 14 ist an dem freien Randstück befestigt. In Höhe des freien Randstücks ist die Membran 15.2 hängend.
In dem Beispiel der 4A, 4B ist die nachgiebige passive Struktur 15.2 eine im Wesentlichen halbscheibenförmige Membran mit einem runden Rand C und einem geraden Rand B (der im Wesentlichen dem Durchmesser der ganzen Scheibe entspricht, von der diese Halbscheibe ein Teil ist). Der runde Rand C ist an dem festen Teil 12 befestigt. Der gerade Rand B ist der freie Rand. Seine beiden Enden, die sich mit dem runden Rand C vereinigen, sind an dem festen Teil 12 befestigt.
Der Teil aus aktivem Material 15.3 wird durch wenigstens eine dünne Schicht aus aktivem Material gebildet, die sich auf der Membran 15.2 ausbreitet. Sie wurde auf der Membran 15.2 abgeschieden, zum Beispiel mittels eines physikalischen (zum Beispiel Sputtern) oder chemischen (zum Beispiel CVD) Abscheidungsverfahrens oder Lösungsverdampfung. Zwischen den beiden gibt es keinen Zwischenraum, aber eventuell kann man eine Elektrode oder eine Leiterbahn, Erregungs- und/oder Isolationseinrichtungen finden. Der Teil aus aktivem Material 15.3 kann die Membran 15.2 total bedecken, was aber nicht so sein muss. Es genügt, wenn er sie in einer stark verformten Zone bedeckt, insbesondere in Höhe des Übergangs zwischen dem Ende des Torsionsarms und der Membran, um eine große Schwingungsamplitude zu erzielen.
In dem Beispiel der 4 hat der Teil aus aktivem Material im Wesentlichen die Form einer Halbscheibe, deren gerader Rand B' im Wesentlichen mit dem Rand B der Membran fluchtet bzw. auf diesen zentriert ist. Die beiden Halbscheiben liegen aufeinander. Unter "zentriert" versteht man, dass die Mitten der geraden Ränder sich übereinander befinden.
Die 4C zeigt die Verformung der halbscheibenförmigen Membran 15.2 unter der Wirkung einer Belastung des Teils aus aktivem Material 15.3. Sie nimmt die Form einer Halbschale an. Die maximale vertikale Verformung befindet sich in dem zentralen Teil der durch die Membran gebildeten Halbscheibe. Der gerade Rand B der Membran 15.2 ist verformt und seine Mitte ist der maximalen Verformung ausgesetzt. Die Spitze des Pfeils zeigt die am stärksten verformte Zone. Der runde Rand C ist eine Zone, die sich praktisch nicht verformt, da sie mit dem festen Teil 12 fest verbunden ist. Das Ende 14.1 des Torsionsarms 14, das mit der Membran 15.2 kooperiert, ist im Wesentlichen in der Mitte ihres geraden Rands B befestigt. In der 4C veranschaulicht die Grauabstufung die Amplitude der Verformung: je dunkler das Grau desto größer die Verformung.
Der Mikrospiegel umfasst also zwei halbscheibenförmige Membranen 15.2, deren gerade Ränder B sich gegenüberstehen. Die beiden Membranen 15.2 sind im Wesentlichen plan und erstrecken sich im Wesentlichen in einer selben Ebene, wenn sie sich im Ruhezustand befinden. Sie sind getrennt durch einen Raum oder Zwischenraum 17, in dem der bewegliche Teil 11 mittels der Torsionsarme 14 aufgehängt ist. Der Raum oder Zwischenraum 17 erstreckt sich unter dem beweglichen Teil 11, so dass dessen Bewegungen nicht gestört werden.
Der Raum 17 kann durch einen Hohlraum 20 gebildet werden, der den festen Teil 12 abgrenzt und einen Boden 21 hat, der dem beweglichen Teil im Ruhezustand gegenübersteht. Die nachgiebige passive Struktur 15.2 ist an einem Teil des festen Teils 12 befestigt, der Wände 22 des Hohlraums 20 bildet. Die Tiefe H des Hohlraums 20 wird größer gewählt als der Abstand zwischen der Achse 13 und dem Rand bzw. Randabschnitt des beweglichen Teils 11, der am weitesten von ihr entfernt ist. Der bewegliche Teil 11 kann also den Boden 21 während seiner Bewegungen nicht berühren.
Als Variante kann der feste Teil 12 dem beweglichen Teil 11 gegenüber ausgespart sein, wie in 4B dargestellt. Er kann im Wesentlichen die Form eines ringförmigen Rahmens ausweisen, geschlitzt oder nicht geschlitzt. Der größte Teil des Stapels 15.1 hängt frei in Bezug auf den festen Teil 12. Die Aussparung entspricht dem Raum oder Zwischenraum 17.
Die 4D zeigt als Aufriss ein Beispiel bimorpher Betätigungseinrichtungen 15 ähnlich denen der 4A und 4B. Die Befestigung des runden Rands C der Membran 15.2 ist durch dicke Punkte dargestellt.
In den 4 wurden die Einrichtungen zu Anwendung des Erregungssignals weggelassen, um die Figuren nicht zu überfrachten. Diese Einrichtungen sind abhängig von dem Typ des anzuwendenden Erregungssignals und folglich vom Typ des aktiven Materials. Man hat gesehen, dass dieses Material piezoelektrisch, magnetoresistiv, mit Formgedächtnis oder mit Thermoeffekt sein kann, wobei sich bei letzterem der Wärmedehnungskoeffizient ausreichend von dem der nachgiebigen passiven Struktur 15.2 unterscheiden muss.
Es wurde gezeigt, dass man mit einem bestimmten Erregungssignal eine Verformung mit maximaler Amplitude in der Mitte des Rands B erzielen kann, wenn der gerade Rand B' des Teils aus aktivem Material 15.3 ungefähr 2/5 des Rands B der nachgiebigen passiven Struktur 15.2 ausmacht. An dieser Stelle wird der Torsionsarm 14 befestigt.
Die 5A zeigt ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels.
Die bimorphen Betätigungseinrichtungen 15 umfassen wieder für jeden Torsionsarm 14 einen vollen Stapel 15.1 mit abgeschiedenen oder aufgebrachten Schichten einschließlich einem Teil aus aktivem Material 15.3, der mit einer nachgiebigen passiven Struktur 15.2 kooperiert. Bei diesem Beispiel hat die nachgiebige passive Struktur 15.2 die Form eines Trägers, bei dem beide Enden 15.21, 15.22 an dem festen Teil 12 befestigt sind. Der feste Teil 12 hat die Form eines Rahmens, wobei die Enden 15.21, 15.22 der beiden Träger 15 mit entgegengesetzten Rändern des Rahmens verbunden sind. Die Erregungseinrichtungen 15.4 des Teils aus aktivem Material 15.3 sind skizziert dargestellt; es kann sich um ein Paar elektrischer Kontakte (oder Elektroden) handeln, die beiderseits des aktiven Materials 15.3 angeordnet sind (insbesondere wenn es vom piezoelektrischen Typ ist), wobei diese Kontakte mit einer Wechselstromquelle verbunden sind.
Der Rahmen ist rechteckig dargestellt, aber es sind auch andere Formen möglich, zum Beispiel könnte er kreisrund, oval, quadratisch usw. sein.
Der mit den beiden Torsionsarmen 14 ausgerüstete bewegliche Teil 11 wird zwischen den beiden Trägern 15.2 montiert, die im Wesentlichen parallel sind. Wie vorhergehend erfolgt die Befestigung des Endes 14.1 eines Torsionsarms 14 an einem Träger 15.2 vorzugsweise in einem Punkt, der einer starken vertikalen Verformung ausgesetzt ist, wenn der Träger durch den erregten Teil aus aktivem Material 15.3 belastet wird.
Wenn der Stapel 15.1 der bimorphen Betätigungseinrichtungen 15 einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt ist, das vertikal ausgerichtet ist und durch die Erregungseinrichtungen 15.4 erzeugt wird, beginnt er vertikal zu vibrieren. Er nimmt bei seinen Bewegungen den festen Teil in Form des Rahmens 12, an dem er befestigt ist, und die Torsionsarme 14 mit. Da der Stapel 15.1 (in Trägerform) mit seinen Enden an dem Rahmen 12 befestigt ist und der Rahmen steif ist, verformt sich letzterer nicht sondern in seiner Gesamtheit in eine Vertikalvibrationsbewegung versetzt.
Da die Torsionsarme 14 in Bezug auf den Massenmittelpunkt M des beweglichen Teils 11 versetzt ist, erzeugt die Asymmetrie der Verteilung der Massen um die Achse 13 herum ein Moment, das den beweglichen Teil 11 in einer Schwingungsbewegung um die Achse 13 herum mitnimmt. Der Mikrospiegel ist dann in einem aktivierten Zustand. Er nimmt Mittel- und Extremstellungen ein, wie dargestellt in den 2B bis 2D.
Die Schwingungsbewegung des beweglichen Teils 11 ist synchron mit der Erregung der bimorphen Betätigungseinrichtungen 15. Wenn die Erregung eine Frequenz hat, die der mechanischen Resonanzfrequenz des beweglichen Teils 11 entspricht, ist die Schwingungsamplitude des beweglichen Teils 11 maximal.
Bei diesem Beispiel ist es der Mittelteil des Trägers 15.2, der der starken vertikalen Verformung ausgesetzt wird, wie angezeigt durch die Spitze des Pfeils in der 5B. In dieser Figur ist der Träger gekrümmt. Die Enden 15.21, 15.22 sind nicht oder praktisch nicht verformt. Ebenso wie oben zeigt die Grauabstufung die Amplitude der Verformung an. Diese Verformungsamplitude bedingt die Amplitude der Schwingungen.
Der bewegliche Teil 11 hängt im Wesentlichen im Mittelteil des Rahmens des festen Teils 12, wobei dieser Teil einer Aussparung entspricht und der bewegliche Teil 11 also in Schwingung um die Achse 13 herum versetzt werden kann, ohne mit dem festen Teil 12 zu kollidieren.
Der Teil aus aktivem Material 15.3 ist eine Schicht, die mit dem Träger 15.2 den Stapel 15.1 bildet. Sie bedeckt den Träger 15.2 entweder ganz oder partiell. In dem Beispiel der 5A bedeckt die Schicht aus aktivem Material 15.3 nur einen Mittelteil des Trägers und die beiden Endteile des Trägers 15.2 sind nicht bedeckt. Diese beiden Endteile sind im Wesentlichen gleich. Ähnlich wie in der 4D befindet sich in der 5C die Schicht aus aktivem Material 15.3 in einer Zone des Trägers 15.2, die einer starken Verformung ausgesetzt ist. Die Befestigung des Trägers an seinen beiden Enden 15.21, 15.22 ist durch dicke Punkte angedeutet.
Wie oben hat sich gezeigt, dass die Amplitude der Verformung des Trägers für ein bestimmtes Erregungssignal in seiner Mitte maximal ist, wenn der Teil aus aktivem Material 15.3 den Träger in Höhe jedes seiner Enden über ungefähr 1/6 seiner Länge frei bzw. unbedeckt lässt.
Die geometrischen Formen und die relativen Positionen der nachgiebigen passiven Strukturen, der Teile aus aktivem Material und der oben beschriebenen festen und mobilen Teile sind nicht begrenzt.
In diesen Beispielen kann die nachgiebige passive Struktur aus einem Halbleitermaterial sein, zum Beispiel aus monokristallinem Silicium, aus polykristallinem Silicium oder Sonstigem, ebenso wie der bewegliche Teil, die Torsionsarme und der feste Teil. Bei den Mikrosystemen ist das aufgrund seiner Qualitäten am meisten verwendete Material das monokristalline Silicium. Man kann jedoch vorsehen, dass die nachgiebige passive Struktur, die Torsionsarme, der bewegliche Teil und der feste Teil in dem Maße aus anderen Materialien sind, wie sie sich für Strukturen im mikrometrischen Maßstab eignen. Man kann metallische Materialien auf der Basis von Gold, Aluminium, Wolfram und anderen Halbleitermaterialien wie Arsen, Gallium oder Siliciumderivate wie etwa Siliciumnitrid oder – oxid oder Polymere usw. verwenden. In der Folge werden typische Dimensionen für die verschiedenen Teile des Mikrospiegels angegeben.
Die Größe und Dicke des beweglichen Teils 11 werden durch die optische Funktion der Reflexionszone 19 festgelegt. In dem Maße, wie die Reflexionszone eine ganze Hauptfläche des beweglichen Teils einnimmt, kann dieses letztere eine Größe haben (die oft ein Durchmesser ist), die zwischen einigen hundert μm und einigen mm enthalten ist. Seine Dicke kann einige zehn μm betragen.
Die nachgiebige passive Struktur 15.2 muss ausreichend dünn sein, um nachgiebig zu sein, was für den Rahmen im Falle des Stands der Technik nicht der Fall war. Sie kann eine Dicke haben, die zwischen ungefähr einigen μm bis einigen zehn μm enthalten ist. Ihre seitlichen Dimensionen (Rand B oder Länge des Trägers) sind typisch zwischen ungefähr einigen hundert μm und einigen mm enthalten. Zwischen Dicke und seitlicher Dimension muss ein Kompromiss gefunden werden, um die erforderliche Nachgiebigkeit zu erhalten.
Die Dicke des Teils aus aktivem Material wird durch die Abscheidungstechnik und durch die Art des Materials bestimmt. Es ist ebenfalls dünn und typisch zwischen ungefähr einigen zehn μm und einigen mm enthalten.
Die Dimensionierung der Torsionsarme ermöglicht, ihre Steifigkeit anzupassen, um die Resonanzfrequenz und folglich die Schwingungsfrequenz des beweglichen Teils auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Es folgt die Beschreibung eines Beispiels eines Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Mikrospiegels mit bimorphen Betätigungseinrichtungen. Das beschriebene Beispiel betrifft ein aktives Material des piezoelektrischen Typs oder ein aktives Thermoeffektmaterial wie etwa Zinkoxid. Jedoch kann das Verfahren auch auf andere Materialtypen angewendet werden. Dazu betrachte man die 6A bis 6J.
Man geht aus von einem Substrat 100, gebildet durch eine Schicht aus Isoliermaterial 102, vergraben zwischen zwei Schichten aus Halbleitermaterial 101, 103, wobei die Halbleitermaterialschicht 101 Basisschicht genannt wird und die Halbleitermaterialschicht 103 Oberflächenschicht (6A).
Dieses Substrat 100 kann ein SOI-Substrat mit eine Schicht 102 aus Siliciumoxid sein, vergraben in einem Siliciumsubstrat. Ein solches SOI-Substrat erleichtert die Realisierung des beweglichen Teils, der an dem festen Teil aufgehängt ist.
Zunächst werden die bimorphen Betätigungseinrichtungen realisiert und insbesondere der Teil aus aktivem Material und eventuell die Erregungseinrichtungen, wenn sie aus einem Stück mit dem Substrat sind. Die nachgiebige passive Struktur wird in der Oberflächen-Halbleiterschicht ausgebildet.
In dem Beispiel der 6 befindet sich der Teil aus aktivem Material des piezoelektrischen oder Thermoeffekt-Typs jedes der Stapel sandwichartig zwischen einem Elektrodenpaar, das zur Erzeugung der Erregung beiträgt. In dem Fall des piezoelektrischen Materials tragen die Elektroden dazu bei, das elektrische Erregungsfeld zu erzeugen. In dem Fall des Thermoeffektmaterial ermöglichen sie den Durchgang eines elektrischen Stroms in den Teil aus aktivem Material, um seine Erwärmung durch Jouleeffekt zu bewirken. Diese Elektroden müssen elektrisch von dem Halbleitermaterial isoliert werden. In einem Elektrodenpaar definiert man eine zuerst realisierte untere (erste) Elektrode und eine anschließend realisierte obere (zweite) Elektrode. Um folglich diese Isolation herzustellen, realisiert man eine Isolationsbasis 104 unter jeder der unteren Elektroden.
Dazu erzeugt man auf der Halbleiter-Oberflächenschicht 103 eine Isolierschicht. Diese Isolierschicht bildet die Isolationsbasis 104 unter jeder unteren Elektrode, die später realisiert wird. Die Isolierschicht 104 kann zum Beispiel durch CVD-Abscheidung von Siliciumoxid oder -nitrid oder Sonstigem realisiert werden. Die Kontur der Isolationsbasis 104 kann zum Beispiel durch reaktives Ionenätzen oder Nassätzen mit Flusssäure oder einer anderen Säure realisiert werden. Als Variante kann die Isolierbasis 104 mittels thermischer Oxidation des Halbleitermaterials der Halbleiter-Oberflächenschicht 103 realisiert werden, gefolgt von einer Ätzung, zum Beispiel desselben Typs wie die vorhergehend erwähnten (66).
Anschließend realisiert man auf jeder Isolationsbasis 104 eine untere Elektrode 105. Es kann sich zum Beispiel einen Abscheidungsschritt durch Aufdamfen, Sputtern oder elektrolytisches Abscheiden eine metallischen Materials handeln. Dieses metallische Material kann zum Beispiel im Falle des aktiven Thermoeffektmaterials eines auf der Basis von Aluminium sein und im Falle des aktiven piezoelektrischen Materials eines auf der Basis von Gold oder Platin. Auf diesen Abscheidungsschritt folgt ein Ätzschritt, um die Kontur jeder unteren Elektrode 105 zu begrenzen (6C). Die Dicke der unteren Elektroden 105 beträgt typisch einige zehn μm. Diese metallische Abscheidung hat auch die Funktion, das Haften des aktiven Material zu begünstigen, das anschließend abgeschieden wird.
Der nächste Schritt ist ein Realisierungsschritt – für jeden Stapel – des Teils aus aktivem Material. In dem beschriebenen Beispiel handelt es sich um piezoelektrisches Material oder um Thermoeffektmaterial 15.3. Man scheidet das aktive Material mittels eine Verfahrens des Typs Sputtern oder CVP von organometallischen Materialen ab und ätzt zum Beispiel mit einer Lösung auf der Basis von Flusssäure und Salzsäure, um die Kontur jedes Teils 15.3 aus aktivem Material zu begrenzen (6D). Das aktive Material bedeckt jede untere Elektrode 105 nicht ganz, denn man muss Zugang zu den Elektroden haben, um die Erregungssignale anzulegen. Das piezoelektrische Material kann zum Beispiel PZT sein und das Thermoeffektmaterial Zinkoxid. Seine Dicke beträgt typisch ungefähr einen μm.
Bei einem Elektrodenpaar muss die obere Elektrode elektrisch von der unteren Elektrode isoliert sein. Eine zweite Isolationsbasis 106 wird an den Stellen realisiert, wo man riskiert, dass die (später realisierte) obere Elektrode die untere Elektrode 105 erhöht bzw. überbrückt (6E). Die zweite Isolationsbasis 106 wird vorzugsweise auf dieselbe Weise wie die erste Isolationsbasis 104 realisiert.
Die erste und die zweite Isolationsbasis 104, 106 müssen eine ausreichende Dicke haben, um die elektrische Isolation zwischen der unteren und der oberen Elektrode eine Paars zu gewährleisten. Mit Siliciumoxid ist ihre Dicke größer als ungefähr 0,2 μm, wenn die zwischen den Elektroden eines Paars anzulegende Spannung niedriger als 100 Volt ist.
Auf jeder zweiten Isolationsbasis 106 wird eine obere Elektrode 107 realisiert. Man kann ebenso vorgehen, wie für die untere Elektrode 105 (6F). Ihre Dicke entspricht im Wesentlichen der der unteren Elektrode. Ihre Zusammensetzung im Falle des aktiven piezoelektrischen Materials ist im Wesentlichen dieselbe wie die der unteren Elektrode. In dem Fall des aktiven Thermoeffektmaterials kann sie auf Goldbasis realisiert werden.
Man kann die Reflexionszone 19 des beweglichen Teils realisieren. Es kann sich zum Beispiel um eine Abscheidung des Typs Sputtern, Aufdampfen oder eine elektrolytische Abscheidung eines Reflexionsmaterials auf der Basis von Gold, Aluminium usw. handeln. Eine Ätzoperation, zum Beispiel reaktives Ionenätzen, Nassätzen mit Phosphor- oder anderer Säure ermöglicht, ihre Kontur zu begrenzen (6G). Die Abscheidung des Reflexionsmaterials ist fakultativ, da die Oberfläche der Halbleiter-Oberflächenschicht 103 so wie sie ist als Reflexionszone dienen kann, wenn ihr Oberflächenzustand es erlaubt.
Anschließend begrenzt man die Kontur des beweglichen Teils 11, der Torsionsarme 14 und jeder nachgiebigen passiven Struktur 15.2 durch Ätzung zum Beispiel des Typs RIE (Reactive Ion Etching). Diese Elemente befinden sich in der Oberflächen-Halbleiterschicht 103, und folglich greift die Ätzung diese Schicht 103 an und die vergrabene Isolierschicht 102 dient als Stoppschicht (6H).
Anschließend realisiert man den Raum 17 um den beweglichen Teil 11 und die Torsionsarme 14 herum und unter einem Teil der nachgiebigen passiven Strukturen 15.2. Dies läuft darauf hinaus, den beweglichen Teil 11, die Torsionsarme 14 und die nachgiebigen passiven Strukturen 15.2 frei zu machen. Man ätzt die Basishalbleiterschicht 101 und die vergrabene Isolierschicht 102 anisotrop auf nassem oder trockenem Wege. Die Ätzung geht aus von der Seite der Basishalbleiterschicht 101, die nicht mit der vergrabenen Schicht 102 bedeckt ist. Was von der Basishalbleiterschicht 101 und der Isolierschicht 102 stehen bleibt, dient als fester Teil 12 (61). Während dieser Operation schützt man die Seite bzw. Fläche des Mikrospiegels auf der Seite der bimorphen Betätigungseinrichtungen und der Reflexionszone 19 mit einem Resist, der anschließend entfernt wird.
Man muss den Mikrospiegel nun nur noch testen, indem man zwischen der unteren Elektrode 105 und der oberen Elektrode 107 wenigstens eines Paars eine sinusförmige Spannung V anlegt und dann die Bewegung des beweglichen Teils 11 überwacht (6J).
Ein Vorteil eines solchen Mikrospiegels besteht darin, dass er in seiner Gesamtheit auf kollektive Weise zusammen mit anderen auf einem selben Substrat hergestellt werden kann, was früher nicht der Fall war. Dies bedeutet eine Kostenreduzierung in Bezug auf die konventionellen Mikrospiegel. Ein weiterer Vorteil ist, dass die passive Struktur wirklich nachgiebig, dünn und fragil ist und die Abscheidung oder die Über- bzw. Auftragung des Teils aus aktivem Material und die partielle Schrumpfung bzw. Volumenminderung (retrait) der Basishalbleiterschicht sie nicht beschädigt.
Solche bimorphen Betätigungseinrichtungen ermöglichen, dass der bewegliche Mikrospiegelteil mit einer großen Amplitude schwingen kann und dabei die gute Qualität des Reflexionsteils gewahrt bleibt.
Die Wörter "hoch", "niedrig", "unten", "oben", "horizontal", "vertikal" und andere beziehen sich auf die Darstellungen in den Figuren und entsprechen nicht notwendigerweise der Stellung bzw. Lage, die der Mikrospiegel im Betrieb einnimmt.
IN DER BESCHREIBUNG GENANNTE REFERENZEN
Diese Liste der durch den Anmelder genannten Referenzen dient nur dazu, dem Leser zu helfen und ist nicht Teil der europäischen Patentschrift. Obwohl sie mit einem Höchstmaß an Sorgfalt erstellt worden ist, können Fehler oder Weglassungen nicht ausgeschlossen werden und das EPA lehnt in dieser Hinsicht jede Verantwortung ab.
In der Beschreibung genannte Patentschriften

• US 2002002860 A
• US 5969465 A

In der Beschreibung genannte Nichtpatentliteratur

• K. YAMADA; T. KURIYAMA. A novel asymetric silicon micro-mirror for optical beam scanning display. Proceedings MEMS 98, 110–115.
• Modelling of a cantilever non-symmetric piezoelectric bimorph. Journal of micromechanics and microengineering, 2003, Band 13, 832–844.

Claims

Mikrospiegel mit einem eine reflektierende Zone (19) umfassenden beweglichen Teil (11), einer festen Zone (12), zwei von dem beweglichen Teil ausgehenden Torsionsarmen (14), die eine Achse (13) definieren, um die herum der bewegliche Teil (11) oszillieren kann, wobei diese Achse (13) im wesentlichen parallel ist zu einer Hauptebene des beweglichen Teils (11) und ihr Verlauf durch den bewegliche Teil versetzt ist in Bezug auf den Masseschwerpunkt (M) des beweglichen Teils, und jeder Torsionsarm (14) ein Ende hat, das mit dem festen Teil (12) durch bimorphe Betätigungseinrichtungen (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die bimorphen Betätigungseinrichtungen (15) für jeden Torsionsarm (14) einen vollen Stapel (15.1) mit abgeschiedenen oder aufgetragenen Schichten umfasst, die einen Teil aus aktivem Material (15.3), fähig unter der Einwirkung einer Erregung das Volumen und/oder die Form zu verändern, und eine passive nachgiebige Struktur (15.2) enthalten, wobei der Teil aus aktivem Material (15.3) und die passive nachgiebige Struktur (15.2) ohne Zwischenraum miteinander kooperieren und der Teil aus aktivem Material (15.3) die nachgiebige passive Struktur partiell überdeckt.
Mikrospiegel nach Anspruch 1, bei dem das aktive Material ein piezoelektrisches Material, ein magnetoresistives Material, ein Material mit Thermoeffekt, dessen Wärmedehnungskoeffizient sich ausreichend von dem des Materials der passiven nachgiebigen Struktur unterscheidet, eine Formgedächtnislegierung ist.
Mikrospiegel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem die bimorphen Betätigungseinrichtungen (15) Erregungseinrichtungen (15.4) des Teils aus aktivem Material (15.3) umfassen, zum Beispiel Elektroden, mindestens einen Thermowiderstand, einen Magnet oder eine Spule.
Mikrospiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein Torsionsarm (14) mit der passiven nachgiebigen Struktur (15.2) verbunden ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 4, bei dem der Torsionsarm (14) mit der passiven nachgiebigen Struktur (15.2) in einer Zone verbunden ist, die sich unter der Einwirkung der durch die Erregung erzeugten Volumen- und oder Formveränderung des aktiven Materials (15.3) stark verformt.
Mikrospiegel nach Anspruch 5, bei dem die Überdeckung, wenn sie partiell ist, sich in einer Zone starker Verformung der passiven nachgiebigen Struktur (15.2) befindet.
Mikrospiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die passive nachgiebige Struktur (15.2) die Form einer Membran aufweist, die an dem festen Teil (12) durch mindestens ein Randstück (C) befestigt ist und mindestens ein weiteres, freies Randstück (B) aufweist, an dem ein Torsionsarm (14) befestigt ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 7, bei dem die Membran (15.2) im wesentlichen eine Halbscheibe mit einem runden Rand (C) und einem geraden Rand (B) ist, wobei der gerade Rand (B) frei ist und der runde Rand (C) an dem festen Teil (12) befestigt ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 8, bei dem der Teil aus aktivem Material (15.3) im wesentlichen die Form einer Halbscheibe mit einem geraden Rand (B') hat, der im wesentlichen auf denjenigen der Membran (15.2) ausgerichtet und zentriert ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 9, bei dem der gerade Rand (B') der Halbscheibe des Teils aus aktivem Material (15.3) ungefähr 2/5 des geraden Rands (B) der Membran (15.2) ausmacht.
Mikrospiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die passive nachgiebige Struktur (15.2) die Form eines Trägers aufweist, dessen Enden (15.21, 15.22) an dem festen Teil (12) befestigt sind, wobei ein Torsionsarm (14) im wesentlichen in einer zentralen Zone des Trägers (15.2) befestigt ist.
Mikrospiegel nach Anspruch 11, bei dem der Teil aus aktivem Material (15.3) die zentrale Zone des Trägers (15.2) einnimmt, wobei an jedem Ende ungefähr 1/6 der Länge des Trägers frei bleibt.
Herstellungsverfahren eines Mikrospiegels nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es die folgenden Schritte umfasst: a) Realisierung – für jeden Torsionsarm (14) auf einer Halbleiteroberflächenschicht (103) – eines Halbleitersubstrats (100), gebildet durch eine Isolierschicht (102), vergraben zwischen einer Halbleitergrundschicht (101) und der Halbleiteroberflächenschicht (103) –, des Teils aus aktivem Material (15.3), der eventuell mit den Erregungseinrichtungen (15.4) verbunden ist; b) Abgrenzung – durch Ätzung in der Halbleiteroberflächenschicht (103) –, der Kontur des beweglichen Teils (11), der Torsionsarme (14), der passiven nachgiebigen Struktur (15.2), wobei man auf der vergrabenen Isolierschicht (102) anhält, und der Teil aus aktivem nachgiebigem Material (15.3) die passive nachgiebige Struktur (15.2) partiell überdeckt; c) Eliminierung der Halbleitergrundschicht (101) und der vergrabenen Schicht (102) unter dem beweglichen Teil (11) und den Torsionsarmen (14) und darum herum, und unter einem Teil der passiven nachgiebigen Struktur (15.2), um das bewegliche Teil (11) und die Torsionsarme (14) frei zu machen, eine Verformung der passiven nachgiebigen Struktur (15.2) zu ermöglichen und den festen Teil (12) in der restlichen Halbleitergrundschicht (101) und der vergrabenen Isolierschicht (102) zu realisieren.
Verfahren nach Anspruch 13, in dem man in der Halbleiteroberflächenschicht (103) die Reflexionszone (19) herstellt, indem man vor dem Schritt b) ein reflektierendes Material abscheidet und seine Kontur abgrenzt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, in dem man, wenn das aktive Material piezoelektrisch ist oder eines mit Thermoeffekt, als Erregungseinrichtungen (15.4) eine erste Elektrode (105) zwischen der Halbleiteroberflächenschicht (102) und dem Teil aus aktivem Material (15.3) und eine zweite Elektroden (107) über dem Teil aus aktivem Material (15.3) realisiert.
Verfahren nach Anspruch 15, in dem man zwischen der ersten Elektrode (105) und der Halbleiteroberflächenschicht (103) eine Isolationsbasis (104) einfügt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, in dem man zwischen der ersten Elektrode (105) und der zweiten Elektrode (107), um sie voneinander zu isolieren, eine weitere Isolationsbasis (106) einfügt.