DE69634603T2

DE69634603T2 - Elektromagnetischer betätiger und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE69634603T2
Application number: DE69634603T
Authority: DE
Inventors: Norihiro Urawa-shi ASADA
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 1996-04-26
Filing date: 1996-04-26
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2016-04-27
Also published as: EP0836265A1; WO1997041632A1; EP0836265A4; EP0836265B1; DE69634603D1; KR19990022831A; KR100573709B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischer Aktuator, bei dem die Miniaturbauweise aufgrund des Einsatzes der Halbleiterfertigungstechnik realisiert wurde, und ein Herstellungsverfahren für den elektromagnetischen Aktuator. Insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen von elektromagnetischen Aktuatoren, um ein Trennen oder Abschalten einer Antriebsspule zum Antreiben einer beweglichen Platte zu verhindern.
STAND DER TECHNIK
Bis zum jetzigen Zeitpunkt sind für elektromagnetische Aktuatoren sehr kleiner Abmessung, welche die Halbleitertechnik nutzen, als Beispiele zu nennen: der ebenfalls von dem Erfinder dieses Anmeldungsgegenstands vorgeschlagene Spiegelgalvanometer flacher Bauweise (japanische Patentanmeldung Nr. 5-320524 und 6-9824), das elektromagnetische Relais flacher Bauweise (japanische Patentanmeldung Nr. 5-320525) oder das optische Detektierinstrument (japanische Patentanmeldung Nr. 6-310657).
Eine Beschreibung solcher herkömmlichen elektromagnetischen Aktuatoren wird anhand eines Beispiels vorgenommen, nämlich des Spiegelgalvanometers flacher Bauweise.
Spiegelgalvanometer werden zum Beispiel bei Laserscannern eingesetzt, deren Ablenkung ein Laserstrahl scannt, wobei Betriebstheorie besagt, daß, wenn ein elektrischer Strom durch eine bewegliche Spule fließt, die in einem elektrischen Feld angeordnet ist, eine elektromagnetische Kraft wegen der gegenseitigen Beeinflussung des elektrischen Stroms und des magnetischen Felds erzeugt wird, was eine Rotationskraft (Moment) proportional zu dem elektrischen Strom hervorruft. Der Aufbau enthält eine Einrichtung, die nach der Galvanometertheorie betrieben ist, bei der sich eine bewegliche Spule um einen Winkel dreht, bei dem das Drehmoment und eine Federkraft im Gleichgewicht sind, wobei das Anliegen und die Stärke von Strom von einer Indikatornadel erfaßt wird, die von der beweglichen Spule geschwenkt oder in Schwingungen versetzt wird. Jedoch ist anstelle der Indikatornadel, die sich integral mit der beweglichen Spule dreht, ein Reflexspiegel vorgesehen.
Herkömmliche in der Praxis verwendete Spiegelgalvanometer nutzten beispielsweise ein bewegliches Eisenstück, das in einem magnetischen Feld angeordnet ist, anstelle der beweglichen Spule, wobei ein magnetischer Weg am Umfang des beweglichen Eisenstücks mittels eines magnetischen Körpers gebildet ist, der zwei Permanentmagnete und vier Magnetpole umfaßt. Der magnetische Fluß zwischen den Polen wird geändert, indem die Stärke und die Richtung des in einer Antriebsspule strömenden Stroms geändert wird, die um den magnetischen Körper herum gewickelt ist, so daß ein Reflexspiegel durch das bewegliche Eisenstück in Schwingung versetzt wird, um auf diese Weise mittels eines Laserstrahls eine Ablenkung zu scannen (s. beispielsweise „Practical Laser Technology", Kyoritsu Publishing Company, 10. Dezember 1987, S. 210-212).
Mit dem herkömmlichen Spiegelgalvanometer ist hingegen eine Miniaturisierung schwierig, beispielsweise wegen der Antriebsspule, die mechanisch gewickelt ist. Daher besteht ein Problem darin, daß das Miniaturisieren von Laserscannsystemen mit derartigen Spiegelgalvanometern und das Miniaturisieren eines Laseranwendungsgeräts mit derartigen Systemen schwierig sind.
Um dieses Problem zu lösen, hat der Erfinder den oben erwähnten planen Spiegelgalvanometer kleiner dünner Bauweise vorgeschlagen. Eine derartige Vorrichtung ist in der EP 692 729 dargestellt.
Der Spiegelgalvanometer flacher Bauweise wird nachstehend erläutert.
Bei diesem Spiegelgalvanometer flacher Bauweise ist ein Siliziumsubstrat einstückig mit einer ebenen beweglichen Platte und einem Torsionsstab an einer zentralen Position der beweglichen Platte ausgebildet, um die bewegliche Platte axial zu tragen, damit sie in einer senkrechten Richtung relativ zum Siliziumsubstrat schwingbar ist. Eine ebene Spule zum Erzeugen eins magnetischen Feldes mittels elektrischen Stroms ist an einem oberseitigen Umfangsrandabschnitt der beweglichen Platte vorgesehen, und ein voll reflektierender Spiegel ist an einem oberseitigen Zentralabschnitt vorgesehen, der von der ebenen Spule der beweglichen Platte umgeben ist. Ein Paar Elektrodenanschlüsse für eine elektrische Verbindung mit der ebenen Spule über einen Torsionsstababschnitt ist an der Siliziumsubstratseite vorgesehen, die die bewegliche Platte trägt. Außerdem sind Permanentmagnete, die miteinander Paare bilden, am Umfang der beweglichen Platte befestigt, so daß ein dadurch erzeugtes magnetisches Feld auf die ebenen Spulenabschnitte wirkt, die an den gegenüberliegenden Enden der beweglichen Platte angeordnet sind, die parallel zur Axialrichtung des Torsionsstabes liegt. Bei den obengenannten Patentanmeldungen sind die Permanentmagnetpaare jeweils über und unter den gegenüberliegenden Endabschnitten der beweglichen Platte angeordnet, wobei der Aufbau derart ausgelegt ist, daß die zwischen den Permanentmagnetpaaren erzeugten statischen Magnetfelder die Antriebsspule in vorbestimmten Richtungen kreuzen.
Der Betrieb eines derartigen Spiegelgalvanometers ebener Bauweise wird im folgenden erläutert.
Ein magnetisches Feld ist mit Hilfe von Permanentmagneten an gegenüberliegenden Enden der beweglichen Platte ausgebildet, in einer derartigen Richtung, daß die ebene Spule gekreuzt wird, welche Spule längs der ebenen Seite der beweglichen Platte liegt. Wenn Strom in der ebenen Spule fließt, die in diesem Magnetfeld positioniert ist, wirkt eine magnetische Kraft in eine Richtung entsprechend Flemings Linkehandregel für Strom, magnetische Flußdichte und Kraft an gegenüberliegenden Enden der beweglichen Platte proportional zur Stromdichte und zur magnetischen Flußdichte der ebenen Spule, so daß die bewegliche Platte gedreht wird. In diesem Augenblick werden die Torsionsstäbe mit der Drehung der beweglichen Platte verdreht, wodurch eine Federreaktionskraft hervorgerufen wird, so daß sich die bewegliche Platte in eine Position dreht, in der die magnetische Kraft und die Federreaktionskraft im Gleichgewicht stehen. Da der Drehwinkel der beweglichen Platte proportional zum in der ebenen Spule fließenden Strom ist, kann, falls der in der ebenen Spule fließende Strom geregelt oder gesteuert wird, der Drehwinkel der beweglichen Platte geregelt oder gesteuert werden.
Folglich kann die Reflexionsrichtung eines Laserstrahls im Falle eines Vollreflexspiegels in einer Ebene, die senkrecht zur Achse des Torsionsstabes steht, frei oder unabhängig gesteuert werden. Falls daher der Verlagerungswinkel des Vollreflexspiegels kontinuierlich nach hinten und vorne zykliert, kann das Laserstrahlscannen durchgeführt werden.
Außerdem gibt es auch einen um zwei Achsen beweglichen Spiegelgalvanometer, der mit einem Rahmen ähnlich der äußeren beweglichen Platte, die axial an einem Silizium-Substrat durch erste Torsionsstäbe getragen ist, und einer ebenen beweglichen Innenplatte versehen ist, die axial an der äußeren beweglichen Platte durch zweite Torsionsstäbe getragen ist, die senkrecht zu den ersten Torsionsstäben ausgerichtet ist, und der einen Vollreflexspiegel an einer oberen zentralen Fläche der beweglichen Innenplatte aufweist.
Dieser Aufbau mit zwei Achsen besitzt den Vorteil, daß, falls Strom sowohl durch eine ebene Spule an der Oberseite der beweglichen Außenplatte als auch durch eine ebene Spule an der Oberseite der beweglichen Innenplatte fließt, so drehen sich die bewegliche Außenplatte und die bewegliche Innenplatte in Richtungen, die zueinander senkrecht stehen. Falls daher ein Laserstrahl mittels des Vollreflexspiegels hinsichtlich Ablenkung gescannt wird, dann kann ein zweidimensionales Scannen durchgeführt werden.
Falls Strom nur durch eine ebene Spule fließt, so entspricht das der Bewegung einer Einzelachskonstruktion.
Bei derartigen Spiegelgalvanometern ebenen oder flachen Aufbaus sowohl im Fall der Einzelachs- als auch der Zweiachskonstruktion kann eine Verdrahtung zum Verbinden der ebenen Spule, die an der Oberseite der beweglichen Platte vorgesehen ist, mit Elektrodenanschlüssen auf der Siliziumsubstratseite, die die bewegliche Platte trägt, an dem Torsionsstababschnitt ausgebildet werden.
Dann besteht allerdings die Wahrscheinlichkeit des Trennens oder Brechens des Metallmaterials der ebenen Spule wegen Metallermüdung, die aus der Zurück- und Vorverdrehbewegung des Torsionsstabs resultiert, wenn die bewegliche Platte angetrieben wird. Aus diesem Grund besteht das Problem, daß die Lebensdauer des Spiegelgalvanometers aufgrund fehlender Dauerfestigkeit der ebenen Spule begrenzt ist.
Die Erfindung berücksichtigt die obige Situation bei Stellung der Aufgabe, einen elektromagnetischen Aktuator und ein Verfahren zum Herstellen desselben bereitzustellen, bei dem die Unterbrechungsfehler an der Antriebsspule eliminiert sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß ist ein elektromagnetischer Aktuator vorgesehen, der ein Halbleitersubstrat mit einer beweglichen Platte und einem Torsionsstab zum axialen Tragen der beweglichen Platte, so daß sie relativ zum Halbleiter-Substrat in Schwingung versetzbar ist, das einstückig damit ausgebildet ist, einen damit verbundenen Elektrodenanschluß, wobei der Aktuator eine Antriebsspule umfaßt, die an einem umfänglichen Randabschnitt der beweglichen Platte vorgesehen ist, und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Aufbringen eines statischen Magnetfelds an der Antriebsspule aufweist, wobei der Aktuator zum Antreiben der beweglichen Platte durch eine Magnetkraft ausgelegt ist, die durch den Durchfluß von Strom durch die Antriebsspule hervorgerufen ist, wobei der Aktuator dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest ein Abschnitt des Torsionsstabes elektrisch leitfähig ausgebildet ist, wobei der Elektrodenanschluß für den Anschluß an eine externe Energiequelle und die Antriebsspule über diesen elektrisch leitfähigen Bereich leitend verbunden sind.
Aufgrund einer solchen Konstruktion treten Unterbrechungsfehler bei der elektrischen Verdrahtung wegen Metallermüdung, die durch die Verdrehbewegung des Torsionsstabes auftreten, nicht länger auf, weil die polykristalline Struktur der elektrischen Metallverdrahtung an dem Torsionsstababschnitt beseitigt ist. Da außerdem das hier verwendete Halbleitersubstrat einen monokristallinen Aufbau aufweist, ist die Lebensdauer semipermanent, falls es innerhalb des elastischen Grenzbereichs eingesetzt wird.
Folglich kann die Lebensdauer des elektromagnetischen Aktuators verlängert werden.
Außerdem kann der gesamte Torsionsstab leitfähig hergestellt sein.
Im Falle eines Spiegelgalvanometers, bei dem ein Reflexspiegel an einem zentralen Abschnitt vorgesehen ist, der von der Antriebsspule der beweglichen Platte umgeben ist, ist es außerdem möglich, einen dünnen Spiegelgalvanometer mit sehr kleinen Abmessungen zu schaffen.
Außerdem ist ein Spiegelgalvanometer vorgesehen, bei dem die bewegliche Platte einen Rahmen ähnlich einer äußeren beweglichen Platte und einer inneren beweglichen Platte umfaßt, und der Torsionsstab umfaßt -einen ersten Torsionsstab zum axialen Tragen der beweglichen Außenplatte an dem Halbleitersubstrat und einen zweiten Torsionsstab, der axial in rechten Winkeln zu dem ersten Torsionsstab ausgerichtet ist, um die bewegliche Innenplatte innerhalb der beweglichen Außenplatte zu tragen, wobei eine erste Antriebsspule an einer Oberseite der beweglichen Außenplatte vorgesehen ist, wobei eine zweite Spule an einem oberseitigen Umfangsabschnitt der beweglichen Innenplatte vorgesehen ist; und wobei der Reflexspiegel an einem zentralen Abschnitt der beweglichen Innenplatte vorgesehen ist, der von der zweiten Antriebsspule umgeben ist.
Aufgrund dieses Aufbaus kann ein Spiegelgalvanometer mit zwei Achsen gebildet werden, wodurch der Vorteil erhalten wird, daß ein Laserstrahl oder dergleichen in zwei Dimensionen hinsichtlich Ablenkung gescannt werden kann.
Außerdem können der erste und der zweite Torsionsstab in zwei vollständig elektrisch leitende Bauteile getrennt sein, die nah aneinander angeordnet sind und elektrisch voneinander isoliert sind.
Außerdem sind bei einem Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetischen Aktuators folgende Verfahrensschritte vorgesehen: eine bewegliche Platte wird gebildet, die axial an einem Halbleitersubstrat getragen wird, um in Schwingung versetzbar zu sein, wobei das Halbleitersubstrat durch anisotropisches Ätzen von einer Unterseite zu einer Oberseite perforiert ist, wobei ein einen Torsionsstab bildender Abschnitt ausgespart bleibt; eine Antriebsspule wird an einem oberseitigen Umfang der beweglichen Platte gebildet; und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes wird befestigt, um an die Antriebsspule ein statisches Magnetfeld anzulegen; die bewegliche Platte wird durch anisotropisches Ätzen gebildet, nachdem an zumindest einem Teil eines den Torsionsstab bildenden Abschnitts ein leitfähiger Bereich ausgebildet ist, in dem eine P-dotierte Unreinheit in hoher Konzentration verteilt ist, und, wenn die Antriebsspule gebildet wird, werden gleichzeitig Elektrodenanschlußabschnitte an den gegenüberliegenden Endabschnitten des leitfähigen Bereichs gebildet, um den leitfähigen Abschnitt jeweils an eine externen Energiequellenseite und an die Antriebsspule-Seite anzuschließen.
Außerdem kann entweder Bor, Aluminium, Gallium oder Indium für die P-dotierte Unreinheit eingesetzt werden.
Falls ein leitfähiger Bereich auf diese Weise gebildet wird, indem in hoher Konzentration eine P-dotierte Unreinheit, wie Bor, Aluminium, Gallium oder Indium, an zumindest einen Teil eines den Torsionsstab bildenden Abschnitts verteilt wird, dann wird die Ätzgeschwindigkeit wegen der spezifischen Ätzflüssigkeit in dem leitenden Bereich erheblich verringert, wo die P-dotierte Unreinheit in dem Teil des den Torsionsstab bildenden Abschnitts in hoher Konzentration verteilt ist, wenn die bewegliche Platte durch anisotropisches Ätzen gebildet ist. Daher verbleibt der den Torsionsstab bildende Abschnitt, womit ein Torsionsstab mit einem leitenden Bereich gebildet ist.
Der Volumenwiderstand des leitenden Bereichs des Torsionsstabes, der auf diese Weise gebildet ist, liegt bei ungefähr 10^–3 Ω cm. Dieser Widerstand ist im Vergleich zu dem Volumenwiderstand von 2,3 × 10⁵ Ω cm für einen intrinsischen Siliziumhalbleiter niedrig und für den Einsatz als Energiequellenweg für die Antriebsspule ausreichend.
Mit dem Hinzufügen des Bildens eines Reflexspiegels kann ein Spiegelgalvanometer kleiner, dünner, ebener Bauweise hergestellt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators;
2 ist eine schematische Ansicht eines Torsionsstabschnitts gemäß der ersten Ausführung;
3 ist eine schematische Darstellung zum Erläutern eines Herstellungsschritts für die erste Ausführung;
4 ist eine schematische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung;
5 ist eine schematische Ansicht eines Torsionsstababschnitts gemäß der zweiten Ausführung;
6 ist eine schematische Ansicht des Hauptabschnitts einer dritten erfindungsgemäßen Ausführung.
GÜNSTIGSTE AUSFÜHRUNG ZUM DURCHFÜHREN DER ERFINDUNG
Ausführungen gemäß der Erfindung werden nun anhand der Zeichnungen beschrieben.
Die 1 und 2 zeigen den Aufbau einer ersten Ausführung gemäß der Erfindung, die bei einem Spiegelgalvanometer mit einer einzigen Achse zur Anwendung kommt, welcher Spiegelgalvanometer als ein elektromagnetischer Aktuator ausgeführt ist.
In 1 umfaßt ein Spiegelgalvanometer 1 einen Dreischicht-Aufbau mit einem entsprechenden oberen und unteren Glassubstrat 3, 4, das beispielsweise aus Borsilikatglas oder dergleichen hergestellt und mit der Ober- und Unterseite eines Siliziumsubstrats 2 anodisch verbunden ist, wie durch die Pfeile in 1 angedeutet ist. Das jeweilige obere und untere Glassubstrat 3, 4 ist jeweils an zentralen Abschnitten mit Aussparungen 3A, 4A versehen, die beispielsweise durch eine Ultraschallbearbeitung gebildet sind. Auf diese Weise kann ein Schwingraum für eine bewegliche Platte 5 sichergestellt werden, die später beschrieben wird und die in dem Siliziumsubstrat 2 ausgebildet ist. Die ebene bewegliche Platte 5 und die Torsionsstäbe 6, die leitfähig sind, was den Gegenstand der Erfindung bildet, welche Torsionsstäbe zum axialen Tragen der beweglichen Platte 5 an einer zentralen Stelle der beweglichen Platte ausgelegt sind, damit die bewegliche Platte in einer senkrechten Richtung relativ zum Siliziumsubstrat 2 in Schwingung versetzbar ist, sind einstückig mit dem Siliziumsubstrat 2 durch anisotropisches Ätzen gebildet. Der Aufbau der Torsionsstäbe 6 wird im Detail später erläutert, und zwar anhand 2.
Eine ebene Spule 7, die als dünne Kupferfolienantriebsspule ausgeführt ist, um ein magnetisches Feld mit Hilfe von elektrischem Strom zu erzeugen, und Elektrodenanschlüsse 31 sind an dem oberseitigen Umfangsrandabschnitt der beweglichen Platte 5 ausgebildet, wobei ein Spulen-Elektrotypie-Verfahren oder dergleichen verwendet wird. Ein Vollreflexspiegel 8, der als Reflexspiegel ausgeführt ist, ist an einem oberen zentralen Abschnitt der ebenen Seite der beweglichen Platte 5 mittels Aluminiumdampfablagerung ausgebildet, welche bewegliche Platte 5 von der ebenen Spule 7 umgeben ist. Ein Paar Elektrodenanschlüsse 9 ist durch ein Spulen-Elektrotypie-Verfahren oder dergleichen an der Oberseite des Siliziumsubstrats 2 auf der Seite des Torsionsstabes 6 ausgebildet, um die Elektrodenanschlüsse 31 mit der ebenen Spule 7 über den Abschnitt des Torsionsstabes 6 elektrische zu verbinden.
Zylindrische Dauermagnete 10A, 10B und 11A, 11B sind paarweise angeordnet und an dem linken und rechten Ende (s. 1) des oberen und unteren Glassubstrats 3, 4 vorgesehen, um ein statisches Magnetfeld an den ebenen Spulen (7)-Abschnitten an den gegenüberliegenden Enden der beweglichen Platte zu erzeugen, welche Abschnitte parallel zu den Achsen der Torsionsstäbe 6 liegen. Die Dauermagnete 10A, 10B sind paarweise zueinander angeordnet und bilden beispielsweise mit der unteren Seite den Nordpol und mit der oberen Seite den Südpol, während die Dauermagnete 11A, 11B paarweise zueinander angeordnet sind und im Gegensatz dazu mit der unteren Seite den Südpol und mit der oberen Seite den Nordpol bilden. Bei dieser Ausführung entsprechen die Dauermagnete 10A, 10B und 11A, 11B der Einrichtung zum Erzeugen eines statischen Magnetfeldes.
Als nächstes werden die Torsionsstäbe 6 detailliert beschrieben, die den Gegenstand der Erfindung bilden, und zwar anhand von 2. Die jeweiligen Torsionsstab(6)-Abschnitte sind auf die gleiche Weise aufgebaut, weswegen nur ein Torsionsstababschnitt hier beschrieben wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Torsionsstab(6)-Abschnitt ist eine P-dotierte Unreinheit, wie Bor, in hoher Konzentration verteilt, so daß der gesamte Körper des Torsionsstabs 6 leitfähig ist. Außerdem ist ein Elektrodenanschluß 9 für eine elektrische Verbindung mit einer externen Energiequelle (nicht in der Figur dargestellt) an einem leitfähigen Bereich ausgebildet, der strichliert in 2 angedeutet ist und nahe dem Endabschnitt des elektrisch leitfähigen Torsionsstabes 6 auf der Halbleitersubstrat(2)-Seite liegt. Außerdem ist ein Elektrodenanschluß 31 für eine elektrische Verbindung mit der ebenen Spule 7 der beweglichen Platte 5 in einem leitfähigen Bereich ausgebildet, der in 2 strichliert angedeutet ist und nahe dem Endabschnitt des Torsionsstabes 6 auf der Seite der beweglichen Platte(5) liegt.
Bei einem solchen Aufbau wird die flache Spule 7 durch eine elektrische Verbindung mit einer externen Energiequelle über den leitenden Torsionsstab 6 mit Energie versorgt. Falls außerdem beispielsweise die Borunreinheitskonzentration bei 10²⁰/cm³ liegt, ist der Volumenwiderstand des leitfähigen Bereichs des Torsionsstabes 6 annähernd 10^–3 Ω cm, was äußerst gering im Vergleich zu dem Volumenwiderstand des intrinsischen Siliziumhalbleiters ist, weswegen eine hohe Leitfähigkeit besteht. Folglich kann eine ausreichende Leistungsfähigkeit mit dem leitfähigen Pfad gewährleistet sein.
Bei einem solchen Aufbau, bei dem der Torsionsstab 6 leitfähig ausgelegt ist, so daß die flache Spule 7 über den Torsionsstab 6 selbst mit Energie versorgt wird, ist es nicht länger notwendig, ein Metalldrahtmuster polykristallinen Aufbaus an dem Torsionsstab 6 vorzusehen. Daher können Trennungsfehler des Metalldrahts wegen der Verdrehbewegung des Torsionsstabes 6 eliminiert werden. Da außerdem das Halbleitersubstrat einen monokristallinen Aufbau umfaßt, ist die Lebensdauer quasi permanent, falls das Halbleitersubstrat innerhalb des elastischen Grenzbereichs eingesetzt wird. Folglich ist die Lebensdauer des Spiegelgalvanometers flachen Aufbaus verlängerbar, und die Zuverlässigkeit ist verbessert.
Der Betrieb des erfindungsgemäßen Spiegelgalvanometers ist derselbe wie bei der bekannten Vorrichtung, weswegen auf eine Beschreibung hier verzichtet wird.
Als nächstes werden die Herstellungsschritte des Torsionsstababschnitts des Spiegelgalvanometers gemäß der ersten Ausführungsform anhand von 3 beschrieben.
Zuerst werden die Ober- und Unterseite eines Siliziumsubstrats 101 thermisch oxidiert, um einen Oxidfilm 102 zu bilden (Schritt a).
Eine Öffnung 103 für eine Fremdstoff-Diffusion ist anschließend ausgebildet, wobei der Oxidfilm an der Vorderstirnseite des den Torsionsstab bildenden Abschnitts entfernt wird (Schritt b). Eine Bor-Verunreinigung wird anschließend von der Öffnung in hoher Konzentration diffundieren, um einen leitfähigen Bereich 104 zu schaffen (Schritt c).
Ein Oxidfilm wird anschließend an dem leitfähigen Bereich 104 durch eine thermische Oxidation bei 1100°C eine Stunde lang gebildet (Schritt d). Danach wird ein SiO₂-Film durch Sputtern oder Bedampfen darauf ausgebildet.
Ein Muster aus Durchgangslöchern 105 wird anschließend auf der hinteren Stirnseite durch Photolithographie gebildet. Der Oxidfilm an dem Abschnitt der Durchgangslöcher 105 wird anschließend durch Ätzen entfernt (Schritt f), nachdem ein anisotropisches Ätzen an dem Durchgangslochabschnitt 105 durchgeführt wurde. Auf diese Weise wird der bewegliche Platten(5)-Abschnitt gebildet, und der leitfähige Bereich 104 wird wegen des Beendens des P⁺-Ätzens nicht geätzt, womit gleichzeitig der leitfähige Torsionsstab 6 mit dem leitfähigen Bereich 104 gebildet wird (Schritt g). Falls anstelle von Bor (B), Aluminium (Al), Gallium (Ga) oder Indium (In) oder dergleichen für die P-dotierte Unreinheit verwendet wird, ist es immer noch möglich, den P⁺-Ätzvorgang zu beenden. Falls der P⁺-Ätzvorgang nicht beendet wird, kann Phosphor (P), Arsen (As), Antimon (Sb), Bismuth (Bi) oder dergleichen für die P-dotierte Unreinheit verwendet werden.
Danach wird der Oxidfilm an dem die Elektrodenanschlüsse bildenden Abschnitt entfernt, um auf diese Weise Kontaktlöcher 106 zu bilden (Schritt h).
Die ebene Spule 7 und die Elektrodenanschlüsse 9 und 13 werden anschließend an dem stirnflächigen Oxidfilm 102 mittels des dafür bekannten elektrischen Spulen-Elektrotypie-Verfahrens ausgebildet (Schritt i).
Bei dem elektrischen Spulen-Elektrotypie-Verfahren wird eine Nickelschicht an der Stirnfläche des Siliziumsubstrats 101 durch Nickelaufdampfen gebildet, und anschließend wird eine Kupferschicht durch Aufbringen eines galvanischen Überzugs oder durch Aufdampfen gebildet. Die der flachen Spule entsprechenden Abschnitte und die Elektrodenanschlüsse werden anschließend mit einer Abdeckung des positiven Typs maskiert, wobei ein Kupfer- und Nikkelätzen erfolgreich durchgeführt wird, nachdem die Abdeckung entfernt wurde. Anschließend wird eine Kupfergalvanisierung durchgeführt, so daß der gesamte Umfang der Nickelschicht mit Kupfer bedeckt ist, womit eine Kupferschicht gebildet ist, die den flachen Spulen und den Elektroanschlüssen entspricht. Anschließend wird eine Galvanisierungs- oder Beschichtungsabdeckung des negativen Typs auf dem Abschnitt ausschließlich des Kupferfilms gespannt, nachdem eine Kupfergalvanisierung durchgeführt wurde, um die Dicke der Kupferschicht zu erhöhen, wodurch die ebene Spule und die Elektrodenanschlüsse gebildet werden.
Eine Isolierschicht 107 aus beispielsweise einem photosensitiven Polyamid zum Isolieren einer zweiten ebenen Schichtspule wird anschließend gebildet. Die Isolierschicht 107 wird ausschließlich der Elektrodenanschlußabschnitte und der Spulenverbindungsabschnitte für die erste Schicht und die zweite Schicht gebildet (Schritt j).
Die ebene Spule der zweiten Schicht wird anschließend auf der Isolierschicht 107 wiederum durch das elektrische Spulen-Elektrotypie-Verfahren gebildet (Schritt k). Eine Isolierschicht 107, beispielsweise ein photosensitiven Polyamid, wird anschließend darauf ausgebildet (Schritt l).
Danach wird ein Vollreflexspiegel 8 an einem zentralen Abschnitt der oberen Fläche der beweglichen Platte 5 durch Aluminiumdampfabscheidung gebildet. Ein oberes Glassubstrat 3 und eine unteres Glassubstrat 4 werden anschließend jeweils mit der oberen und unteren Fläche des Siliziumsubstrats durch anodisches Kleben verbunden. Dauermagnete werden anschließend an vorbestimmten Orten auf dem oberen und unteren Glassubstrat 3, 4 angebracht.
Eine zweite erfindungsgemäße Ausführung, die als zweiachsiger Spiegelgalvanometer einsetzbar ist, wird nun beschrieben.
Mit dem einachsiges Spiegelgalvanometer gemäß der ersten Ausführung ist ein einziger Leiter für den Torsionsstababschnitt ausreichend. Bei dem zweiachsigen Spiegelgalvanometer sind allerdings zwei Leiter für den Torsionsstababschnitt notwendig.
Die 4 und 5 zeigen den Aufbau einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführung, die als zweiachsiger Spiegelgalvanometer einsetzbar ist, der als ein elektromagnetischer Aktuator dienen kann. Zur ersten Ausführung gleiche oder identische Bauteile werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
Wie in 4 dargestellt ist, ist bei dem zweiachsigen Spiegelgalvanometer 20 die bewegliche Platte 5 des Siliziumsubstrats 2 mit einer rahmenförmigen äußeren beweglichen Platte 5A und einer ebenen inneren beweglichen Platte 5B versehen. Die äußere bewegliche Platte 5A ist axial an dem Siliziumsubstrat 2 durch erste Torsionsstäbe 6A getragen. Die innere beweglichen Platte 5B ist axial an der äußeren beweglichen Platte 5A durch zweite Torsionsstäbe 6B getragen, die beide senkrecht zu den ersten Torsionsstäben 6A, 6A ausgebildet sind. An der oberen Fläche der äußeren beweglichen Platte 5A ist eine flache oder ebene Spule 7A vorgesehen (die typischerweise als eine Einzellinie gemäß 4 außer in der Nähe der Elektrodenanschlüsse dargestellt ist), welche ebene Spule 7A als erste Antriebsspule fungiert, und Elektrodenanschlüsse 31 sind für eine elektrische Verbindung mit einem Paar äußere Elektrodenanschlüsse 9A auf dem Siliziumsubstrat 2 durch einen der ersten Torsionsstäbe 6a vorgesehen.
Außerdem ist an der oberen Fläche der inneren beweglichen Platte 5B eine ebene Spule 7B (die typischerweise als eine Einzellinie gemäß 4 außer in der Nähe der Elektrodenanschlüsse dargestellt ist) vorgesehen, welche ebene Spule 7B als eine zweite Antriebsspule fungiert, und Elektrodenanschlüsse 41 sind für eine elektrische Verbindung über einen der zweiten Torsionsstäbe 6B und den äußeren Abschnitt der beweglichen Platte 5A mit einem Paar innere Elektrodenanschlüsse 9B auf dem Siliziumsubstrat 2 durch den anderen ersten Torsionsstab 6A vorgesehen. Zudem wird eine Vollreflexspiegel 8 an einem Zentralabschnitt der inneren beweglichen Platte 5B ausgebildet. Elektrodenanschlüsse 42 an Leitungsenden der Spule an dem äußeren Abschnitt der beweglichen Platte 5A werden ausgebildet, um eine Verbindung mit der flachen Spule 7B an der inneren beweglichen Platte 5B über den zweiten Torsionsstab 6B herzustellen.
Bei der Zweiachskonstruktion gemäß der Ausführung sind acht Paare Permanentmagnete 10A – 13A und 10A – 13B, die als Einrichtungen zum Erzeugen statischer Magnetfelder dienen, jeweils auf dem oberen und unteren Glassubstrat 3, 4 angeordnet, was in 4 gezeigt ist. Die Permanentmagnete 10A, 10B und 11A, 11B erzeugen ein magnetisches Feld, um die äußere bewegliche Platte 5A anzutreiben. Außerdem erzeugen die Permanentmagnete 12A, 12B und 13A, 13B ein magnetisches Feld, um die innere bewegliche Platte 5B anzutreiben.
5 zeigt den Aufbau der Abschnitte des ersten und zweiten Torsionsstabs 6A, 6B gemäß der zweiten Ausführung. Da der Aubau der jeweiligen Abschnitte der Torsionsstäbe 6A, 6B gleich ist, wird hier nur der Abschnitt des Torsionsstabs beschrieben, der für eine Verbindung der ebenen Spule 7A der äußeren beweglichen Platte 5A mit den Elektrodenanschlüssen 9A ausgelegt ist.
Wie in 5 gezeigt ist, sind die leitfähigen Bereiche 104 parallel zueinander und in Abstand voneinander angeordnet, um voneinander isoliert zu sein, und sind in einem Abschnitt des Torsionsstabes 6A durch zwei Fremdstoff-Diffusionen ausgebildet, was durch die gestrichelte Linie in 5 angedeutet ist.
In dem Fall eines Torsionsstabes 6A mit einer Breite von annähernd 300 μm kann die Breite des jeweiligen leitfähigen Bereichs 104 annähernd 50 μm sein, und die Isolierung der beiden leitfähigen Bereiche 104 voneinander kann ohne jegliche Schwierigkeit realisiert werden, in dem eine Innenbauteil-Trenntechnik eingesetzt wird, die in der Halbleiterherstellungstechnologie eingesetzt wird.
Mit einem derartigen Aufbau kann die Lebensdauer, wie bei der ersten Ausführung, des Spiegelgalvanometers der flachen oder ebenen Bauweise verlängert und die Zuverlässigkeit verbessert werden.
Bei dem Abschnitt des zweiten Torsionsstabes 6B zum Verbinden der ebenen Spule 7B der inneren beweglichen Platte 5B mit dem Leiter der Spule an der äußeren beweglichen Platte 5A sind, wie aus 5 ersichtlich ist, die Elektrodenanschlüsse 9A anstelle der Elektrodenanschlüsse 42 vorgesehen, die Elektrodenanschlüsse 31 sind anstelle der Elektrodenanschlüsse 41 und die flache Spule 7A ist anstelle der flachen Spule 7B vorgesehen.
Der Abschnitt des Torsionsstabes kann auch gemäß einer dritten Ausführung ausgebildet sein, wie in 6 dargestellt ist.
Bei dieser Ausführung ist ein zentraler Abschnitt des Torsionsstabes 6A perforiert, um einen getrennten Aufbau mit zwei Torsionsstäben 6a, 6b nahe aneinander bereitzustellen. Wie bei der ersten Ausführung gemäß 2 bilden die jeweiligen Torsionsstäbe 6a, 6b leitfähige Bereiche durch Diffundieren einer Unreinheit durch den gesamten Körper hindurch.
In diesem Fall sind die Federreaktionskrafteigenschaften des Torsionsstabes zu denjenigen der Einzeltorsionsstabausführung unterschiedlich. Daher ist das Verhältnis zwischen der magnetischen Kraft und der Federreaktionskraft unterschiedlich zu der des Einzeltorsionsstabfalles. Allerdings hat dies keine Wirkung auf den Betrieb des Spiegelgalvanometers, und die gleiche Wirkung wie bei der ersten und zweiten Ausführung besteht, nämlich das Vermeiden des Trennens der Spule. Daher ist die Lebensdauer des flachen Spiegelgalvanometers verlängert und die Zuverlässigkeit erhöht.
Offensichtlich kann im Falle des Einzelachsspiegelgalvanometers auch ein leitfähiger Bereich durch Diffundieren einer Unreinheit in den Abschnitt des Torsionsstabes gebildet sein, wie in 5 dargestellt ist. Falls außerdem die jeweiligen Permanentmagnete ortsfest an einem anderen ortsfesten Bauteil angeordnet sind, sind das obere und untere Glassubstrat 3, 4 eigentlich nicht notwendig.
Mit Hilfe der vorliegenden Ausführung wurde ein Beispiel für die Anwendung eines Spiegelgalvanometers der flachen Bauweise bereitgestellt, der als elektromagnetischer Aktuator fungieren kann. Jedoch kann dies offensichtlich auch auf elektromagnetische Aktuatoren angewendet werden, wie das oben erwähnte flache elektromagnetische Relais oder optische Detektionseinheiten oder dergleichen.
Mit der beschriebenen Erfindung ist der Aufbau derart auszulegen, daß ein Abschnitt des Torsionsstabes elektrisch leitfähig ist, und die externe Energiequelle sowie die Antriebsspule sind elektrisch über den leitfähigen Bereich des Torsionsstabes miteinander verbunden. Daher kann ein Trennfehler der Energieversorgungsspulenleitung wegen des Hin- und Herverdrehens des Torsionsstabes verhindert werden, und daher kann die Dauerfestigkeit sowie die Zuverlässigkeit eines elektromagnetischen Aktuators der flachen Bauweise verbessert werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Mit der vorliegenden Erfindung kann die Zuverlässigkeit eines flachen elektromagnetischen Aktuators sehr kleiner Bauweise verbessert werden, so daß die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit von Geräten verbessert werden kann, die solche elektromagnetische Aktuatoren der ebenen Bauweise einsetzen. Die industrielle Anwendbarkeit ist daher beachtlich.

Claims

Elektromagnetischer Aktuator umfassend ein Halbleiter-Substrat (2) mit einer beweglichen Platte (5) und einem Torsionsstab (6) zum axialen Tragen der beweglichen Platte (5), so daß sie relativ zum Halbleiter-Substrat schwenk- oder schwingbar ist, und einen Elektrodenanschluß (9), der damit verbunden ist, wobei der Aktuator eine Antriebsspule (7), die an einem Umfangsabschnitt der beweglichen Platte (5) vorgesehen ist, und eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (10A, 10B, 11A, 11B) zum Aufbringen eines statischen Magnetfelds an der Antriebsspule (7) umfaßt, wobei der Aktuator zum Antreiben der beweglichen Platte (5) durch eine Magnetkraft ausgelegt ist, die durch den Durchfluß von Strom durch die Antriebsspule (7) hervorgerufen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt des Torsionsstabs (6) elektrisch leitfähig ausgebildet ist, wobei der Elektrodenanschluß (9) für den Anschluß an eine externe Energiequelle und die Antriebsspule (7) über diesen elektrisch leitfähigen Bereich leitend verbunden sind.
Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, bei dem der gesamte Torsionsstab (6) leitfähig ist.
Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, welcher Aktuator ein Spiegelgalvanometer (1) mit einem Reflexspiegel (8) ist, der an einem zentralen Abschnitt, der von der Antriebsspule (7) der beweglichen Platte (5) umgeben ist, vorgesehen ist.
Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 3, bei dem die bewegliche Platte eine rahmenartige, äußere, bewegliche Platte (5A) und eine ebene, innere, bewegliche Platte (5B) umfaßt und bei dem der Torsionsstab einen ersten Torsionsstab (6A) zum axialen Tragen der äußeren, beweglichen Platte an dem Halbleiter-Substrat und einen zweiten Torsionsstab (6B) umfaßt, der axial rechtwinklig zu dem ersten Torsionsstab (6A) ausgerichtet ist, um die innere, bewegliche Platte (5B) innerhalb der äußeren, beweglichen Platte (5A) axial zu halten, und bei dem eine erste Antriebsspule (7A) an einer oberen Seite der äußeren, beweglichen Platte (5A) bereitgestellt ist und bei dem eine zweite Antriebsspule (7B) an einem oberseitigen Randabschnitt der inneren, beweglichen Platte (5B) vorgesehen ist und bei dem der Reflexspiegel (8) an einem zentralen Abschnitt der inneren, beweglichen Platte (5B) vorgesehen ist, die von der zweiten Antriebsspule (7B) umgeben ist.
Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 4, bei dem der erste (6A) und der zweite (6B) Torsionsstab in zwei vollständig elektrisch leitfähige Teile getrennt sind, die eng aneinander und voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind.
Verfahren zum Herstellen eines elektromagnetischen Aktuators, bei dem eine bewegliche Platte (5) gebildet wird, die axial an einem Halbleiter-Substrat (2) getragen wird, um schwenkbar zu sein, das Halbleiter-Substrat (2) mittels anisotropischem Ätzen von einer Unterseite zu einer Oberseite perforiert wird, wobei ein einen Torsionsstab (6) bildender Abschnitt ausgespart bleibt, eine Antriebsspule (7) an einem oberseitigen Rand der beweglichen Platte gebildet wird und eine Einrichtung zum Erzeugen eines Magnetfeldes (10A, 10B, 11A, 11B) sicher vorgesehen wird, um an der Antriebsspule (7) ein statisches Magnetfeld anzulegen, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Platte (5) durch das anisotropische Ätzen gebildet ist, nachdem an zumindest einem Teil eines den Torsionsstab (6) bildenden Abschnitts, ein leitfähiger Bereich ausgebildet wird, in dem eine P-dotierte Unreinheit in hoher Konzentration verteilt wird, und, wenn die Antriebsspule (7) gebildet wird, gleichzeitig Elektrodenanschlußabschnitte (9, 31) an gegenüberliegenden Endabschnitten des leitfähigen Bereichs gebildet werden, um den leitfähigen Abschnitt jeweils an eine externe Energiequellenseite und an die Antriebsspulen(7)-Seite anzuschließen.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die P-dotierte Unreinheit entweder Bor, Aluminium, Gallium oder Indium ist.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem ein Reflexspiegel (8) an einem zentralen Abschnitt der beweglichen Platte (5) vorgesehen wird, der von der Antriebsspule (7) umgeben ist.