DE69835071T2

DE69835071T2 - Selbstanordnende mikromechanische Einrichtung

Info

Publication number: DE69835071T2
Application number: DE69835071T
Authority: DE
Inventors: Vladimir Anatolyevich Piscataway Aksyuk; David John Summit Bishop
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 1997-12-22
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2018-12-09
Also published as: JP3313656B2; EP0924763A3; JPH11248095A; US5994159A; EP0924763A2; DE69835071D1; EP0924763B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein mikromechanische Einrichtungen. Spezieller betrifft die vorliegende Erfindung selbst montierende mikrometergroße mechanische Einrichtungen.
Allgemeiner Stand der Technik
Durch einen beträchtlichen Fortschritt in der Technologie mikromechanischer Einrichtungen wurde ein mikrometergroßes Scharnier entwickelt. Das Scharnier, das zur Bildung von schwenkbaren Platten verwendet werden kann, hat dem Fachgebiet ein Mittel zum Herstellen von Geräten komplexer mikroelektromechanischer Systeme (MEMS) und mikrooptoelektromechanischer Systeme (MOEMS) geliefert. Gegenwärtig können mikrometergroße Analoga vieler Geräte im Makromaßstab hergestellt werden. Die Anwendungen von MEMS und MOEMS umfassen zum Beispiel Datenspeichergeräte, Laserscanner, Druckerköpfe, Magnetköpfe, Mikrospektrometer, Rastersondenmikroskope, optische Nahfeldmikroskope, optische Scanner, optische Modulatoren, Mikroobjektive, optische Schalter und Mikroroboter.
Das Bilden einer MEMS- oder MOEMS-Einrichtung beginnt mit dem Strukturieren von schwenkbaren Platten an geeigneten Orten auf einem Substrat. Im strukturierten Zustand liegen verschiedene schwenkbare Platten flach auf dem Substrat. Das Montieren der Einrichtung beinhaltet das Anheben des scharnierfreien Endes jeder Platte vom Substrat. Für viele Einrichtungen erfordert die Montage, dass die schwenkbaren Platten in eine im Wesentlichen senkrechte Lage relativ zum Substrat gebracht werden.
Ein Operator kann MEMS- und MOEMS-Einrichtungen unter Verwendung einer Mikrosondenstation montieren, um die verschiedenen schwenkbaren Platten in die geforderte Lage zu bringen. Jedoch ist die manuelle Montage einer großen Zahl von solchen Einrichtungen oder sogar einer einzigen komplexen Einrichtung für den Betrieb im kommerziellen Maßstab nicht durchführbar. Die manuelle Montage solcher Einrichtungen begrenzt den Nutzen der Technologie auf wenig mehr als eine Laborkuriosität.
Das Verbinden von Stellgliedern mit mikromechanischen Einrichtungen ermöglicht eine automatische Montage. Ein typisches Montagesystem verwendet ein „vertikales" Stellglied, das eine nach oben gerichtete Kraft zum Anheben einer schwenkbaren Platte vom Substrat ausübt. Ein solches Stellglied wird von Cowan et al. in „Vertical Thermal Actuator for Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems [Vertikales Thermisches Stellglied für Mikrooptoelektromechanische Systeme]", v. 3226, SPIE, S. 137-146 (1997), beschrieben. Herkömmliche Stellglieder, wie zum Beispiel die von Cowan et al. beschriebenen, sind jedoch in ihrer Wirksamkeit eingeschränkt, da sie Platten im Wesentlichen nicht mehr als fünfundvierzig Grad aus der Ebene in einem einzigen Betätigungsschritt drehen oder heben können. Es ist auch bisher nicht möglich gewesen, Hubwinkel von wesentlich mehr als fünfundvierzig Grad unter Verwendung von nur einem Montagemotor zu erreichen.
Hubwinkel von wesentlich mehr als fünfundvierzig Grad sind mit einem zweistufigen Montagesystem erreichbar. Ein zweistufiges Montagesystem besteht normalerweise aus einem vertikalen Stellglied und einem Montagemotor. Das vertikale Stellglied hebt die mikromechanische Einrichtung vom Substrat bis zu einem Maximalwinkel ab, der nicht größer wesentlich als fünfundvierzig Grad ist. Der Montagemotor, der einen Antriebsarm hat, welcher mit einem Hubarm der mikromechanischen Einrichtung verbunden ist, schließt das Anheben ab. Ein solches zweistufiges Montagesystem wird von Reid et al. in „Automated Assembly of Flip-Up Micromirrors [Automati sche Montage von Hochklapp-Mikrospiegeln]", Transducers '97, International Conf. Solid-State Sensors and Actuators, S. 347-350 (1997), offenbart.
Das zweistufige Montagesystem ist jedoch komplex, wodurch die Kosten von Chips, die MEMS- und MOEMS-Einrichtungen darauf montiert enthalten, erhöht werden. Es besteht daher ein Bedarf an einem einstufigen Montagesystem für mikromechanische Einrichtungen, die eine schwenkbare Platte um immerhin neunzig Grad aus der Ebene herausdrehen können.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es wird ein einstufiges Montagesystem, das eine mikrometergroße schwenkbare Platte um bis zu neunzig Grad aus der Ebene herausdrehen kann, offenbart. Das einstufige Montagesystem besteht aus einem Träger, der ein erstes Ende hat, welches in einem nach oben gerichteten Bogen weg von der Substratfläche bewegt werden kann. Eine erste abgeschrägte Kante hängt vom ersten Ende des Trägers herab. Ein Stellglied, das zum Anwenden einer Kraft auf den Träger betätigt werden kann, ist ebenfalls enthalten. Das einstufige Montagesystem umfasst ferner eine zweite abgeschrägte Kante, die in einem Bereich einer schwenkbaren Platte gebildet ist.
Im nicht montierten Zustand liegen der Träger und die schwenkbare Platte flach auf der Unterstützungsfläche, d.h. auf dem Substrat. Mindestens ein Teil der ersten abgeschrägten Kante, die vom Träger herabhängt, liegt unter der zweiten abgeschrägten Kante der schwenkbaren Platte. Als Reaktion auf die angewendete Kraft vom Stellglied bewegt sich das erste Ende des Trägers vom Substrat weg nach oben. Bei einer solchen nach oben gerichteten Bewegung zieht die erste abgeschrägte Kante die schwenkbare Platte vom Substrat weg, wobei die erste und die zweite abgeschrägte Kante übereinander gleiten. Der Winkel oder die Verjüngung der abgeschräg ten Kanten sorgt vorteilhafterweise für einen mechanischen Vorteil, der das Drehen der schwenkbaren Platte nach oben bis zu neunzig Grad aus der Ebene des Substrats in einem einzigen Schritt ermöglicht.
Es wurde festgestellt, dass Winkel im Bereich von etwa fünfzehn bis etwa vierzig Grad für die erste abgeschrägte Kante und zwischen etwa fünfundzwanzig und vierzig Grad für die zweite abgeschrägte Kante sich eignen, um für den notwendigen mechanischen Gewinn für die einstufige Drehung von neunzig Grad aus der Ebene für die Kräfte, die angewendet werden, und die Konfigurationen, die hierin gezeigt werden, zu sorgen.
Eine Reihe von Stellgliedern und Betätigungskräften kann in Verbindung mit dem aktuellen einstufigen Montagesystem verwendet werden. Die geforderte, nach oben gerichtete Kraft kann zum Beispiel durch die Verwendung der thermischen Zusammenziehung von Trägerschichten, durch Trägerkontraktion auf Grund der Freisetzung innerer Restspannungen, elektrostatische Kräfte, elektromagnetische Kräfte, Kapillarkräfte und äußere mechanische Kräfte eingebracht werden. Die Konfiguration des Trägers kann ja nach Funktion des Stellgliedes, das verwendet wird, schwanken.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung spezieller Ausführungsformen derselben ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Chips, das eine selbst montierende mikromechanische Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
2 zeigt eine Illustration von abgeschrägten Kanten des Hubelementes von 1;
3 zeigt abgeschrägte Kanten der mikromechanischen Einrichtung von 1;
4 zeigt die montierte mikromechanische Einrichtung von 1;
5 zeigt den beweglichen Träger, der an einem Drehpunkt aufgehängt ist;
6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Chips, das eine selbst montierende mikromechanische Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
7 zeigt die abgeschrägten Kanten des Hubelementes, das in 5 gezeigt wird; und
8 zeigt eine Illustration der montierten mikromechanischen Einrichtung von 5.
Ausführliche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein einstufiges Selbstanordnungssystem für mikrometergroße mechanische Strukturen. Die Technologie zur Herstellung solcher Strukturen und des aktuellen einstufigen Selbstanordnungssystems ist vom MEMS Technology Application Center at North Carolina (MCNC) unter den Mehrnutzer-MEMS-Prozessen (MUMPs) verfügbar, die von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) unterstützt werden.
Die MCNC MUMPs-Technologie ist ein Drei-Polysiliziumschichten-Oberflächenmikrobearbeitungsprozess. Die unterste Polysiliziumschicht, POLY0, ist nicht abtrennbar und wird zum Strukturieren der Adressierelektroden und der lokalen Verdrahtung auf einem Substrat verwendet, wie zum Beispiel einem Siliziumwafer oder -chip. Die oberen beiden Polysiliziumschichten, POLY1 und POLY2, können zum Bilden von mechanischen Strukturen abgelöst werden. Solche ein Ablösung wird durch Wegätzen der Opferoxidschichten erreicht, die zwischen den Polysiliziumschichten während der Herstellung abgeschieden werden. Die Polysilizium- und Oxidschichten sind individuell strukturiert, und unerwünschtes Material aus jeder Schicht wird durch reaktives Ionenätzen entfernt, bevor die nächste Schicht hinzugefügt wird.
Zur Herstellung von mikrometergroßen mechanischen Strukturen unter Verwendung der MUMPs-Technologie wird normalerweise eine Reihe von schwenkbaren Platten verschiedener Größe und Form, die sich an speziellen Orten auf einem Substrat befinden, gebildet. Das Bilden solcher schwenkbarer Platten ist im Fachgebiet bekannt. Siehe Pfister et al., "Microfabricated Hinges", vol. 33, Sensors and Actuators A, S. 249-256, 1992. Siehe auch die mit anhängigen Patentanmeldungen des Beauftragten, MICRO MACHINED OPTICAL SWITCH [mikrobearbeiteter optischer Schalter], eingereicht am 15. Mai 1997 unter Eingangsnummer 08/856569, und METHODS AND APPARATUS FOR MAKING A MICRODEVICE, eingereicht am 15. Mai 1997 unter Eingangsnummer 08/856565.
Nach der Bildung liegen die schwenkbaren Platten flach auf der Fläche des Substrats. Daher erfordert das Montieren einer Struktur, dass solche Platten um die Scharniere aus der Ebene des Substrats herausgedreht werden. Einige der schwenkbaren Platten werden normalerweise um neunzig Grad gedreht und andere um einen kleineren Winkel. Die einstufige Montageeinrichtung, die hierin beschrieben wird, ist in der Lage, Drehungen von bis zu neunzig Grad, neunzig Grad eingeschlossen, zu erreichen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Selbstanordnung" auf einen Prozess, durch den mehrere mikromechanische Einrichtungen auf der Basis eines einzigen Eingriffs zur Anwendung einer Betätigungskraft herge stellt werden. Die Begriffe „aus der Ebene" und dergleichen und „vertikal" beziehen sich auf eine Richtung oder einen Ort relativ zur Fläche eines Substrats, auf der die schwenkbaren Platten liegen. In einigen Ausführungsformen können die Platten tatsächlich auf einer Schicht ruhen, die auf dem Substrat angeordnet ist, so dass „aus der Ebene" als aus einer Ebene verstanden werden soll, die parallel zur Fläche des Substrats liegt. Ebenfalls wie hierin verwendet, beziehen sich die Begriffe „Mikrostruktur" oder „mikromechanische Einrichtung" oder dergleichen auf eine mikrometergroße mechanische, optomechanische, elektromechanische oder optoelektromechanische Einrichtung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer selbstanordnenden mikromechanischen Einrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die selbstanordnende mikromechanische Einrichtung 1 umfasst ein einstufiges Selbstanordnungssystem und eine schwenkbare Platte 2. Die selbstanordnende mikromechanische Einrichtung 1 ist auf einem Abschnitt einer Fläche 4 eines Substrats 6 angeordnet. Die Einrichtung 1 wird als nicht angeordnet in 1 gezeigt, wobei die verschiedenen Strukturen, die die Einrichtung bilden, flach auf der Fläche 4 liegen.
Das einstufige Selbstanordnungssystem umfasst einen Träger 8, der ein „freies" erstes Ende 10 hat, das aus der Ebene der Fläche 4 heraus bewegt werden kann, wenn es in geeigneter Weise betätigt wird. In dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, ist der Träger 8 an einem zweiten Ende 12 an der Fläche 4 an einem Verankerungspunkt, nicht gezeigt, der unterhalb des zweiten Endes 12 von Träger 8 liegt, befestigt. In einigen Ausführungsformen ist das zweite Ende 12 von Träger 8 an einer darunterliegenden Schicht von Material, nicht gezeigt, die auf der Fläche 4 angeordnet ist, verankert. Ein Anschlag 16, der in 1 als Stab gezeigt ist, hängt seitlich vom ersten Ende 10 von Träger 8 herab. Ein erstes Eingriffselement 18, das in der Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird, v-förmig ist, hängt von Anschlag 16 herab. Das einstufige Selbstanordnungssystem umfasst auch ein zweites Eingriffselement 22, das in der Ausführungsform, die in 1 gezeigt wird, eine v-förmige Kerbe ist, welche in der schwenkbaren Platte 2 gebildet ist.
Die schwenkbare Platte 2 ist über zwei Scharniere 20a, 20b drehbar an Fläche 4 befestigt. Es versteht sich, dass in anderen Ausführungsformen eine andere Zahl von Scharnieren für die drehbare Befestigung einer Platte an einem Substrat verwendet werden kann. Eine relativ große Platte wird normalerweise mehr Scharniere als eine relativ kleine Platte erfordern. Vor der Anordnung liegt ein Teil des ersten Eingriffselementes 18 unter der schwenkbaren Platte 2.
Das erste Eingriffselement 18 wird detaillierter in 2 gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel, das in 2 gezeigt ist, hat das erste Eingriffselement 18 eine erste abgeschrägte Fläche 24, die eine erste abgeschrägte Kante 24a aufweist. Weiterhin bestehen in der aktuellen Ausführungsform die erste abgeschrägte Fläche 24 und die abgeschrägte Kante 24a jeweils aus einem ersten und einem zweiten Teil, die die gegenüberliegenden Seiten des v-förmigen ersten Eingriffselementes 18 bestimmen.
Zusätzliche Details des zweiten Eingriffselementes werden in 3 gezeigt. In dem Ausführungsbeispiel, das in 3 gezeigt ist, hat das zweite Eingriffselement eine zweite abgeschrägte Fläche 26, die eine zweite abgeschrägte Kante 26a aufweist. weiterhin bestehen in der Ausführungsform, die in 3 gezeigt ist, die zweite abgeschrägte Fläche 26 und die zweite abgeschrägte Kante 26a jeweils aus einem ersten und einem zweiten Teil, die die gegenüberliegenden Seiten der v-förmigen Kerbe bestimmen, welche in der aktuellen Ausführungsform das zweite Eingriffselement 22 bestimmt.
Bei geeigneter Betätigung bewegt sich das erste Ende 10 von Träger 8 nach oben, im Wesentlichen in einem Bogen aus der Ebene des Substrats heraus. Die andauernde, nach oben gerichtete Kraft bewirkt, dass die erste abgeschrägte Kante 24a und die zweite abgeschrägte Kante 26a übereinander gleiten und dass die schwenkbare Platte 2 aus der Ebene des Substrats um ihre Scharniere 20a, 20b rotiert. Bei andauernder, nach oben gerichteter Kraft konvergieren im Wesentlichen die Scheitelpunkte 25, 28 des ersten bzw. des zweiten Eingriffselementes 24, 26. Bei einer solchen wesentlichen Konvergenz ist die schwenkbare Platte im Wesentlichen senkrecht zum Substrat 6, nachdem sie um etwa neunzig Grad aus der Ebene gedreht ist, wie in 4 illustriert. Der Anschlag 16 hindert die schwenkbare Platte 2 daran, umzuklappen und zurück zum Substrat auf die Oberseite von Träger 8 zu fallen.
Obwohl nicht in den Figuren gezeigt, kann die schwenkbare Platte 2 auf mehrerlei Weise in einer aufrechten Lage verriegelt werden. Zum Beispiel befindet sich in einer Ausführungsform eine zweite schwenkbare Platte, die eine Drehrichtung senkrecht zur Drehung der schwenkbaren Platte 2 hat, in der Nähe der schwenkbaren Platte 2. Die zweite schwenkbare Platte, die einen Schlitz zur Aufnahme einer Kante der stehenden schwenkbaren Platte 2 hat, dreht sich zur schwenkbaren Platte 2 hin. Wenn der Schlitz die Kante der schwenkbaren Platte 2 aufnimmt, sind beide Platten wirksam in ihrer Lage verriegelt. Sobald sie in ihrer Lage verriegelt sind, kann Klebstoff auf die Scharniere der schwenkbaren Platten für eine stabilere Arretierung aufgetragen werden. Solche Methoden werden detaillierter in der oben genannten Patentanmeldung des Beauftragten, Einreichungsnummer 08/856569 und in der Patentanmeldung des Beauftragten unter dem Titel METHOD FOR FORMING MICRON-SIZED AND SMALLER LIQUID DROPLETS [Verfahren zur Bildung von mikrometergroßen und kleineren flüssigen Tröpfchen], eingereicht am 15. Mai 1996, unter Einreichungsnummer 08/856566, beschrieben.
Das aktuelle einstufige Selbstanordnungssystem umfasst auch ein Stellglied zum Aufbringen der Kraft, die zum Anheben des ersten Endes 10 von Träger 8 von der Fläche 4 erforderlich ist. Eine Reihe von Betätigungsverfahren kann in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden. In der Ausführungsform, die in den 1, 2 und 4 gezeigt wird, ist der Träger 8 selbst das Stellglied. In solchen Ausführungsformen umfasst Träger 8 zwei oder mehr Schichten. Der Träger kann zum Beispiel zwei Schichten umfassen, einschließlich einer unteren Schicht 8b dicht beim Substrat 6 und einer oberen Schicht 8a, die auf Schicht 8b angeordnet ist. Die untere Schicht 8b ist normalerweise Polysilizium, wobei die Schicht eine Dicke von etwa 1,5 Mikrometern besitzt. In einer ersten Ausführungsform hat jede der Schichten 8a, 8b unterschiedliche lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten. Insbesondere hat die obere Schicht 8a einen größeren linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als die untere Schicht 8b. Beim Kühlen, wie zum Beispiel beim Einbringen in eine Tiefkühltruhe, zieht sich die obere Schicht 8a stärker zusammen als die untere Schicht 8b und erzeugt so eine nach oben gerichtete Kraft.
In einer zweiten Ausführungsform können die Restspannungseigenschaften bestimmter Materialien zum Entwickeln der Betätigungskraft verwendet werden. In solch einer Ausführungsform umfasst die obere Schicht 8a ein Material, das durch eine hohe Eigenspannung gekennzeichnet ist, die mit abgeschiedenen Filmen verbunden ist, eine optionale Mittelschicht, falls vorhanden, umfasst ein zweites Material, das eine hohe Eigenbelastung aufweist, und die untere Schicht 8b ist wieder Polysilizium bis zu einer Dicke von etwa 1,5 Mikrome tern. Der Träger wird freigelegt, wobei eine Opferschicht aus Siliziumdioxid weggeätzt wird, wie zum Beispiel durch HF. Wenn die Opferschicht entfernt ist, ziehen sich die obere Schicht 8a und die optionale Mittelschicht zusammen, um die Restspannung zu minimieren, was eine nach oben gerichtete Kraft auf das erste Ende 10 von Träger 8 ausübt. Materialien, die zur Verwendung als obere und optionale Mittelschicht geeignet sind, umfassen Siliziumnitrid, Gold, Chrom oder andere Metalle, ohne darauf beschränkt zu sein.
In anderen Ausführungsformen werden andere Stellglieder und Betätigungskräfte verwendet. Für solche Ausführungsformen wird jedoch die Konfiguration des Trägers 8 geändert. Eine solche geänderte Konfiguration wird in 5 gezeigt, wobei der Träger 8 auf einem Drehpunkt 30 ruht. Der Drehpunkt 30 ist am Substrat 6 oder der Schicht POLY0 befestigt. Der Drehpunkt 30 teilt den Träger in einen ersten Abschnitt 32 und einen zweiten Abschnitt 34. Die Betätigung beinhaltet die Anwendung einer nach unten gerichteten Kraft auf den ersten Abschnitt 32 von Träger 8. Auf Grund des Drehelementes 30 bewegt sich der zweite Abschnitt 34 von Träger 8 bewegt sich nach oben wie bei einer Wippe oder Schaukel, wenn sich der erste Abschnitt 32 von Träger 8 nach unten bewegt.
In einer ersten Ausführungsform zur Verwendung mit einem drehbaren Träger, wie zum Beispiel in 5 illustriert, wird eine Flüssigkeit als Stellglied verwendet, und die Kapillarwirkung wird als Betätigungskraft eingesetzt. In einer solchen Ausführungsform wird Flüssigkeit, wie zum Beispiel Wasser oder eine andere geeignet erhaltene Flüssigkeit, in Kontakt mit der Fläche 4 von Substrat 6 gebracht. Die Flüssigkeit fließt unter den erhöhten Abschnitt 32 von Träger 8. Während die Flüssigkeit von Fläche 4 abfließt, wird der erste Abschnitt 32 von Träger 8 durch die Kapillarwirkung zur Fläche 4 hin nach unten gezogen. Wenn sich der erste Abschnitt 32 senkt, steigt der zweite Abschnitt 34 von Träger 8 an, was den oben beschriebenen gleitenden Eingriff des ersten Eingriffselementes 18 und des zweiten Eingriffselementes 22 bewirkt. Ein Waschschritt wird normalerweise nach einer Opferoxidätzung ausgeführt. Solche Waschung kann für die Flüssigkeit zur Betätigung sorgen, wie oben beschrieben.
In einer zweiten Ausführungsform zur Verwendung mit einem drehbaren Träger können elektrostatische Kräfte den Träger 8 betätigen. In einer solchen Ausführungsform wird eine Struktur, die in der Lage ist, eine nach unten gerichtete Kraft geeigneter Größe zu erzeugen, mechanisch mit dem ersten Abschnitt 32 von Träger 8 verbunden. Wie vorher beschrieben, bewegt sich der zweite Abschnitt 34 von Träger 8 nach oben, wobei die schwenkbare Platte 2 in Eingriff kommt und angehoben wird, wenn sich der erste Abschnitt 32 nach unten bewegt. Ein Beispiel für eine Struktur, die sich für die Erzeugung einer nach unten gerichteten Kraft eignet, wird in der oben genannten Patentanmeldung 08/856569 des aktuellen Vertreters beschrieben. Kurz gesagt, umfasst die Struktur, die darin beschrieben wird, eine senkrecht bewegliche leitfähige Platte, die über einem leitfähigen Bereich aufgehängt ist. Wenn eine Spannung an die Platte und den leitfähigen Bereich angelegt wird, bewegt sich die leitfähige Platte nach unten zum leitfähigen Bereich hin. Eine Verbindung von der leitfähigen Platte zum Träger 8 überträgt die nach unten gerichtete Kraft auf den ersten Abschnitt 32 von Träger 8, wodurch das Ansteigen des zweiten Abschnitts 34 von Träger 8 bewirkt wird.
In einer dritten Ausführungsform zur Verwendung mit einem drehbar gelagerten Träger kann eine elektromagnetische Kraft zur Betätigung verwendet werden. In einer Ausführungsform wird ein Stellglied, das eine solche Kraft einsetzt, ähnlich wie das Stellglied konfiguriert, das elektrostatische Kräfte verwendet. Statt eine Spannung anzulegen, sind die Stromkreise zur Erzeugung von magnetischen Feldern ausgelegt, um eine herabhängende, senkrecht bewegliche Platte zum Substrat 6 hin zu ziehen.
In einer vierten Ausführungsform zur Verwendung mit einem drehbar gelagerten Träger können äußere mechanische Kräfte verwendet werden, um den Träger 8 zu betätigen. Solche Kräfte, wie sie von einer Mikrosonde oder dergleichen ausgeübt werden können, werden genutzt, um den ersten Abschnitt 32 von Träger 8 zum Substart 6 hin nach unten zu drücken. Es versteht sich, dass für eine Montage im kommerziellen Maßstab eine Einrichtung, die mehrere geeignet platzierte Mikrosonden enthält, zur gleichzeitigen Montage mehrerer Mikroeinrichtungen verwendet werden würde.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer selbst anordnenden mikromechanischen Einrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Einrichtung 100 wird in nicht montiertem Zustand in 6 gezeigt, wobei die verschiedenen Strukturen, die die Einrichtung bilden, flach auf der Fläche 4 von Substrat 6 liegen.
Wie in den 6–8 gezeigt, hat das erste Eingriffselement 180 eine andere Konfiguration als das erste Eingriffselement 18, das in den 1, 2 und 4 gezeigt wird. Das zweite Eingriffselement 22, das in einem Abschnitt der schwenkbaren Platte 200 gebildet ist, wird so wie in der ersten Ausführungsform konfiguriert, die in den 1, 3 und 4 gezeigt wird. Die Drehrichtung der schwenkbaren Platte 200 ist jedoch senkrecht zur Drehrichtung der schwenkbaren Platte 2.
Mit Verweis auf 7 hat ein erstes Eingriffselement 180 eine erste und zweite v-förmige Erweiterung 184, 186, die in einem Element 182 gebildet sind. Das Element 182 hängt über Arme 188, 190 am ersten Ende 10 von Träger 8. In dem Ausführungsbeispiel, das in den
7–9 gezeigt wird, hat die erste Erweiterung 184 eine erste abgeschrägte Fläche 192, die eine erste abgeschrägte Kante 192a hat. In der Ausführungsform, die in den 7–9 gezeigt wird, umfasst die erste abgeschrägte Fläche 192 einen ersten Abschnitt 194 und einen zweiten Abschnitt 196, die die gegenüberliegenden Seiten der ersten v-förmigen Erweiterung 184 bestimmen. Die erste abgeschrägte Kante 192a umfasst in gleicher Weise einen ersten Abschnitt 194a und einen zweiten Abschnitt 196a. In der vorliegenden Ausführungsform hat die zweite v-förmige Erweiterung 186 dieselbe Konfiguration wie die erste v-förmige Erweiterung 184. Die zweite v-förmige Erweiterung 186 hat eine dritte abgeschrägte Fläche 198, die eine dritte abgeschrägte Kante 198a aufweist. Die dritte abgeschrägte Fläche 198 umfasst einen ersten Abschnitt 202 und einen zweiten Abschnitt 204, die die gegenüberliegenden Seiten der zweiten v-förmigen Erweiterung 186 bestimmen. Die dritte abgeschrägte Kante 198a umfasst einen ersten Abschnitt 202a und einen zweiten Abschnitt 204a.
Bei geeigneter Betätigung bewegt sich das erste Ende 10 von Träger 8 aus der Ebene von Substrat 6 heraus nach oben. Für eine schwenkbare Platte 200, die links von ihren Scharnieren 222a, 222b liegt, wie in 6 gezeigt, bewirkt die andauernde, nach oben gerichtete Kraft, dass die dritte abgeschrägte Kante 198a des ersten Eingriffselementes 180 und eine zweite abgeschrägte Kante 260b des zweiten Eingriffselementes 220 übereinander gleiten. Solch ein gleitender Eingriff bewirkt, dass die schwenkbare Platte 200 sich aus der Ebene des Substrats heraus um ihre Scharniere 222a, 222b dreht. Bei andauernder, nach oben gerichteter Kraft nähern sich die Einengung oder der Eckpunkt 203 des ersten Eingriffselementes 180 und der Eckpunkt 280 des zweiten Eingriffselementes stark aneinander an. Bei einer solchen starken Annäherung ist die schwenkbare Platte 200 im Wesentlichen senkrecht zu Substrat 6, da sie um etwa neunzig Grad aus der Ebene herausgedreht ist, wie in 8 gezeigt.
Wenn die schwenkbare Platte 200 nicht links, sondern rechts von den Scharnieren 222a, 222b läge, dann würden die erste abgeschrägte Kante 192a des ersten Eingriffselementes 180 und eine vierte abgeschrägte Kante 260a des zweiten Eingriffselementes 220 ineinander greifen, um die schwenkbare Platte 200 anzuheben.
Die zweite Ausführungsform der selbst anordnenden mikromechanischen Einrichtung 100, die in den 6–8 gezeigt wird, kann auf dieselbe Weise, wie oben für die erste Ausführungsform der selbst anordnenden mikromechanischen Einrichtung 1 beschrieben, einschließlich des Drehelementes 30 betätigt werden.
In den Ausführungsformen, die hierin beschrieben werden, werden das erste und das zweite Eingriffselement als v-förmig gezeigt, daher gibt es einen Eingriff zwischen dem ersten und dem zweiten Eingriffselement auf beiden Seiten des „v". In 6 zum Beispiel greift sowohl der erste Abschnitt 202a als auch der zweite Abschnitt 204a der abgeschrägten Kante 198a in die zwei abgeschrägten Kanten ein, die zusammen die abgeschrägte Kante 260b des zweiten Eingriffselementes 220 bestimmen. In anderen Ausführungsformen umfassen das erste und zweite Eingriffselement nur eine einzelne abgeschrägte Fläche und eine einzelne abgeschrägte Kante.
Für eine klare Darstellung wird nur eine einzelne schwenkbare Platte und das begleitende einstufige Selbstanordnungssystem in den Figuren gezeigt. Solch eine einzelne schwenkbare Platte umfasst nur einen Teil der komplexen mikromechanischen Einrichtungen. Es versteht sich, dass für die meisten Anwendungen der vorliegenden Erfindung viele weitere schwenkbare Platten wechselnder Formen und Größen mit ihren zugehörigen einstufigen Anordnungseinrichtungen an verschiedenen vorgegebenen Orten auf einem Substrat angeordnet sind, um solche komplexen mikromechanischen Einrichtungen herzustellen. Es wird auch zu erkennen sein, dass mehrere Kopien einer mikromechanischen Einrichtung oder eine Reihe verschiedener Einrichtungen strukturiert und auf einem einzelnen Chip unter Verwendung der vorliegenden Erfindung angeordnet werden können. Außerdem versteht es sich, dass die aktuellen selbstanordnenden mikromechanischen Einrichtungen auf Chips hergestellt werden können, die andere Komponenten aufweisen können, so dass nach der Anordnung die mikromechanischen Einrichtungen mechanisch oder optisch mit solchen anderen Komponenten in Wechselwirkung treten können. Weiterhin kann ein Chip, der Felder von aktuellen selbstanordnenden mikromechanischen Einrichtungen enthält, an anderen Chips, die andere Einrichtungen enthalten, befestigt werden, so dass die mikromechanischen Einrichtungen mit den anderen Einrichtungen in Wechselwirkung treten.
Die Erfindung wird ferner durch die folgenden Beispiele beschrieben, die als Illustration, nicht als Einschränkung, bereitgestellt werden.
BEISPIELE
Die Mikrostruktur, die in den folgenden Beispielen angehoben wurde, war eine schwenkbare Platte, die eine Länge von 430 Mikrometern und eine Breite von 170 Mikrometern hatte. Die Beispiele 1–6 beruhten auf der Konfiguration des einstufigen Selbstanordnungssystems, das in den 1–5 illustriert wird. Beispiel 7 beruhte auf der Konfiguration des einstufigen Selbstanordnungssystems, das in den 6–8 illustriert wird. Numerische Werte, die den verschiedenen „abgeschrägten Kanten" der Eingriffselemente als „Verjüngung" zugewiesen werden, betreffen den Winkel α, der von einer abgeschrägten Fläche oder Kante, wie zum Beispiel der abgeschrägten Kante 24a, und der Projektion einer Linie begrenzt wird, die sich am Eckpunkt oder der Einengung des Eingriffselementes befindet, wie zum Beispiel der Achse 1-1, wie in 2 gezeigt.
Beispiel 1
Die erste abgeschrägte Kante des ersten Eingriffselementes hatte eine Verjüngung von 16,5 Grad. Die zweite abgeschrägte Kante des zweiten Eingriffselementes hatte eine Verjüngung von 45 Grad. Der Träger wurde an der Schicht POLY0 verankert, die auf der Fläche des Substrats lag. Der Träger wurde aus einer darunterliegenden Schicht aus Polysilizium mit einer Dicke von 1,5 Mikrometern, einer ersten darüber liegenden Schicht von Chrom von etwa 30 nm (300 Ångström) Dicke, die auf dem Polysilizium angeordnet war, und einer zweiten darüber liegenden Schicht von Gold, 0,5 Mikrometer dick, die auf dem Chrom angeordnet war, gebildet. Unter der Polysiliziumschicht lag eine Opferschicht aus Siliziumdioxid von etwa 2,75 Mikrometern Dicke. Das Anheben wurde unter Verwendung der Restspannungseigenschaften der Gold- und Chromschichten bewirkt. Siliziumdioxid wurde mit HF entfernt. Die Platte drehte sich um neunzig Grad um ihre Scharniere und kam in einer im Wesentlichen senkrechten Lage relativ zur Fläche des Substrats zur Ruhe.
Beispiel 2
Dieselbe Verjüngung wie oben, aber der Träger wurde auf einem Drehelement platziert, statt an einem Ende verankert zu werden. Das Anheben wurde mehrmals wiederholt, wobei eine im Wesentlichen senkrechte Stellung unter Verwendung verschiedener Betätigungskräfte, einschließlich elektrostatischer Kräfte, Kapillarwirkung und äußerer mechanischer Kraft, erreicht wurde. Zur Betätigung durch Kapillarwirkung wurde Isopropanol verwendet. Zur Betätigung durch eine äußere mechanische Kraft wurde mit einer Mikrosonde eine nach unten gerichtete Kraft auf den Träger ausgeübt.
Beispiel 3
Das Experiment von Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch hatte die erste abgeschrägte Kante des ersten Eingriffselementes eine Verjüngung von 25 Grad. Die Platte wurde in eine senkrechte Stellung angehoben.
Beispiel 4
Die Experimente von Beispiel 2 wurden wiederholt, jedoch hatte die erste abgeschrägte Kante des ersten Eingriffselementes eine Verjüngung von 25 Grad. Die Platte wurde in eine senkrechte Stellung angehoben.
Beispiel 5
Das Experiment von Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch hatte die erste abgeschrägte Kante eine Verjüngung von 28 Grad, und die zweite abgeschrägte Kante des zweiten Eingriffselementes hatte eine Verjüngung von 23 Grad. Die Platte wurde in eine senkrechte Stellung angehoben.
Beispiel 6
Die Experimente von Beispiel 2 wurden wiederholt, jedoch hatte die erste abgeschrägte Kante des ersten Eingriffselementes eine Verjüngung von 28 Grad, und die zweite abgeschrägte Kante des zweiten Eingriffselementes hatte eine Verjüngung von 23 Grad. Die Platte wurde in eine senkrechte Stellung angehoben.
Beispiel 7
Die Verjüngung der beteiligten abgeschrägten Kanten betrug für das erste und das zweite Eingriffselement 40 Grad. Die Platte wurde unter Verwendung des Verfahrens, das in Beispiel 1 beschrieben wird, in eine senkrechte Stellung angehoben.
Obwohl spezielle Ausführungsformen dieser Erfindung hierin gezeigt und beschrieben worden sind, versteht es sich, dass diese Ausführungsformen nur Illustrationen für die vielen möglichen speziellen Anordnungen sind, die bei der Anwendung der Prinzipien der Erfindung ersonnen werden können. Zahlreiche und verschiedene andere Anordnungen können gemäß diesen Prinzipien von Fachleuten ersonnen werden, ohne den Geltungsbereich der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, zu verlassen.

Claims

Blättchen, umfassend: ein Substrat (6), das eine Fläche (4) aufweist; einen Träger (8), der ein erstes Ende (10) hat, das in einem Bogen weg von der Fläche des Substrats bewegt werden kann, wobei ein erstes Eingriffselement (18, 180), das eine erste abgewinkelte Kante (24a) aufweist, von dem ersten Ende (10) des Trägers herabhängt, und wobei ferner der Träger zwischen der ersten und zweiten Position beweglich ist; und eine planare Mikrostruktur (2), die an der Fläche des Substrats drehbar befestigt ist und ein zweites Eingriffselement (22, 220) aufweist, das eine zweite abgewinkelte Kante (26a) hat; und ein Stellglied, das zum Anwenden einer Kraft auf den Träger betätigt werden kann, was bewirkt, dass das erste Ende des Trägers angehoben und in einem Bogen vom Substrat wegbewegt wird, wobei die Mikrostruktur und der bewegliche Träger in der ersten Position in einer im Wesentlichen überlagerten und parallelen Stellung relativ zueinander angeordnet sind und wobei ferner mindestens ein Abschnitt der ersten abgewinkelten Kante unter der zweiten abgewinkelten Kante liegt, so dass beim Wegbewegen des ersten Endes (10) des beweglichen Trägers (8) von der Fläche des Substrats bei Betätigung und beim Anheben der überlagerten Mikrostruktur (2) die erste abgewinkelte Kante und die zweite abgewinkelte Kante gleitend ineinander greifen; und wobei in der zweiten Position das erste Ende des Trägers sich ausreichend weit von der Fläche des Substrats derart wegbewegt hat, dass in Verbindung mit dem gleitenden Ineinandergreifen der ersten und zweiten abgewinkelten Kante die Mikrostruktur (2) im Wesentlichen mehr als 45 Grad von der Fläche des Substrats gedreht ist.
Verfahren zur Selbstmontage einer mikromechanischen Vorrichtung, die mindestens eine schwenkbare Platte (2) umfasst, welche mindestens ein Drehgelenk (20a, 20b) hat und drehbar daran befestigt und im Wesentlichen in der Ebene eines Substrats (6) angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer ersten abgewinkelten Kante (24a), die mechanisch mit einem Stellglied verbunden ist, wobei die erste abgewinkelte Kante im Wesentlichen in der Ebene des Substrats und unterhalb der schwenkbaren Platte angeordnet ist; Anwenden einer Betätigungskraft auf die erste abgewinkelte Kante, was bewirkt, dass sie abhebt und sich in einem Bogen weg von der Unterlage bewegt; und wodurch die erste abgewinkelte Kante (24a) in Kontakt mit einer zweiten abgewinkelten Kante (26a) der schwenkbaren Platte gebracht ist, wobei bei Berührung die erste abgewinkelte Kante die darüber liegende schwenkbare Platte anhebt, wobei die erste und zweite Kante gleitend ineinander greifen, und die schwenkbare Platte um das Scharnier und um im Wesentlichen mehr als 45 Grad weg vom Substrat dreht.
Blättchen nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zweite abgewinkelte Kante durch eine Abschrägung im Bereich von etwa 25 bis etwa 40 Grad und/oder die Abschrägung der ersten abgewinkelten Kante im Bereich von etwa 15 bis 40 Grad gekennzeichnet ist.
Blättchen nach Anspruch 1, wobei das erste Eingriffselement zwei Kanten umfasst, die umgekehrt vom ersten Ende des beweglichen Trägers herabhängen, wobei mindestens eine dieser Kanten die erste abgewinkelte Kante ist.
Blättchen nach Anspruch 1, ferner einen Anschlag (16) umfassend, der vom ersten Ende des Trägers herabhängt, wobei der Anschlag so ausgelegt ist, dass er in die Mikrostruktur eingreift, um die Rotation derselben zu beenden.
Blättchen nach Anspruch 1, wobei das erste Eingriffselement zwei V-förmige Erweiterungen (184, 186) umfasst, wobei jede Erweiterung durch zwei angewinkelte Kanten definiert ist, wobei mindestens eine der Kanten einer Erweiterung zum Eingriff in die zweite abgewinkelte Kante des zweiten Eingriffselementes dient.
Blättchen nach Anspruch 1, wobei ein zweites Ende (12) des Trägers an einer Schicht in Kontakt mit der Fläche des Substrats befestigt ist.
Blättchen nach Anspruch 7, wobei der Träger eine erste und eine zweite Schicht umfasst, wobei diese Schichten das Stellglied umfassen, wobei die zweite Schicht (8b) näher zum Substrat liegt und die erste Schicht (8a) auf der zweiten Schicht angeordnet ist.
Blättchen nach Anspruch 8, wobei die erste Schicht durch einen ersten Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung und die zweite Schicht durch einen zweiten Koeffizienten der linearen thermischen Ausdehnung gekennzeichnet ist, wobei der erste Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung größer als der zweite Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung ist.
Blättchen nach Anspruch 8, wobei die erste Schicht aus einem Material besteht, das einen relativ großen Betrag an innerer Restspannung hat.
Blättchen nach Anspruch 1, wobei der Träger auf einem Schwenkelement (30) angeordnet ist.
Blättchen nach Anspruch 11, wobei ein erster Abschnitt des Trägers zwischen dem Schwenkelement und dem ersten Ende des Trägers festgelegt ist, und ein zweiter Abschnitt des Trägers zwischen dem Schwenkelement und einem zweiten Ende des Trägers festgelegt ist, und wobei ferner das Stellglied verwendet werden kann, um eine nach unten gerichtete Kraft auf den zweiten Abschnitt des Trägers auszuüben.
Blättchen nach Anspruch 12, wobei das Stellglied einen leitfähigen Bereich umfasst, der auf dem Substrat angeordnet ist, und ferner eine leitfähige Platte umfasst, die oberhalb des leitfähigen Bereichs aufgehängt und mechanisch mit dem zweiten Abschnitt des beweglichen Trägers verbunden ist.
Blättchen nach Anspruch 12, wobei das Stellglied entweder eine Flüssigkeit, die auf der ersten Fläche des Substrats angeordnet ist, und Mittel zum Entfernen der Flüssigkeit oder ein mechanisches Element umfasst, das mechanisch mit dem zweiten Abschnitt des beweglichen Trägers verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die schwenkbare Platte um etwa 90 Grad von der Unterlage wegbewegt ist.