WO2002047241A1 - Micromechanical, rotating device with a magnetic drive and method for the production thereof - Google Patents

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WO2002047241A1
WO2002047241A1 PCT/EP2000/012414 EP0012414W WO0247241A1 WO 2002047241 A1 WO2002047241 A1 WO 2002047241A1 EP 0012414 W EP0012414 W EP 0012414W WO 0247241 A1 WO0247241 A1 WO 0247241A1
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magnetically driven
carrier
magnetic field
pivotable
layer
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Hans-Heinrich Gatzen
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Gatzen Hans Heinrich
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    • G02B7/1821—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors for rotating or oscillating mirrors
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Definitions

  • the invention relates generally to micromechanical devices and, more particularly, to a micromechanical swiveling device with a magnetic drive and a method for the production thereof.
  • a micromechanically produced mirror which can be tilted upward by magnetic forces from a lying position about a tilt axis, the tilt axis of which lies essentially laterally, but in the plane defined by the mirror surface, but far outside the mirror dimensions.
  • a tilting process is extremely disadvantageous, for example for optical systems, because with one
  • Angle adjustment is always accompanied by a change in length of the optical path.
  • a change in the length of the optical path generally leads to misalignments in imaging systems or requires complex and expensive optical arrangements to compensate for them.
  • the invention is therefore based on the object to provide a generic device in which one Rotational or swiveling movements are more decoupled than with conventional systems.
  • the possibility of generating a rotary or pivoting movement independently of a translational component in and / or perpendicular to the direction of propagation of the light would be advantageous.
  • a first pivotable carrier on which forces generated by the generated magnetic field can be exerted, which cause a pivoting movement of the first pivotable carrier, a reliable arrangement can already be provided, even with a very small size of the carrier , this means that a size of a reflecting surface attached to it of less than a square millimeter provides a beam tilt without substantial lateral migration or shading of the beam.
  • pivoting or rotating movement of the carrier In contrast to the known tilting movement about an external tilting axis lying to the side of the mirror, a pivoting or rotating movement of the carrier should be referred to as pivoting of the carrier, in which the rotating or pivoting axis is not laterally adjacent to the carrier.
  • This pivot axis can advantageously run through the geometrical center of gravity of the surface of the carrier in order to thereby provide the lowest possible moment of inertia with optimal adjustment possibilities.
  • the pivot axis can also advantageously run through the physical center of gravity of the carrier in order to provide the fastest possible control with the lowest possible moment of inertia of the arrangement.
  • the pivot axis can also lie in front of or behind one of the main surfaces of the carrier, if, for example, translational adjustments are also to be made with an adjustment component in the direction of the optical axis.
  • first pivotable carrier is held by a second pivotable carrier, which is pivotable about a second pivot axis Y running perpendicular to the pivot axis X of the first carrier, since this provides an essentially gimbaled platform system with a magnetic drive, in which the pivot axes X and Y of the first and second carrier, see, for example, FIGS. 1 to 3, can run exactly in the plane of the surface of the carrier or in the vicinity thereof, as a result of which essentially no undesired migration of beam paths in one direction two pivot axes perpendicular direction Z is generated more.
  • first and second devices for generating a magnetic field each comprise at least two arrangements generating a magnetic field, the arrangements generating at least two magnetic fields being controllable separately from one another, extremely advantageous further setting options result for the setting of the position of the first carrier serving as a platform.
  • an additional, adjustable train can be developed, which leads to a defined deflection of the carrier in the negative IS direction, see for example FIGS. 1 to 3, which is more optical for adjustment purposes Paths is usable.
  • the fastening of the first and / or the second carrier comprises a web made of polysilicon
  • this creates a solid-state joint with high reliability, which provides elastic restoring forces that can be dimensioned to a large extent due to its shape.
  • this joint can be produced using the methods of semiconductor structuring from the same substrate as the remaining components of the pivotable device.
  • the first and the second carrier are part of a substrate consisting of a silicon compound and the silicon compound of the first and second carrier contain polysilicon and / or silicon dioxide which is part of the substrate or is applied thereto.
  • the effectively effective restoring force can be defined within wide limits both for a pivoting movement and for a deflection in the Z direction.
  • the first and / or second device for generating a magnetic field comprises galvanically produced coils, because this enables lithographic processes to be used whose resolution is in the micrometer range or below, which also means that the galvanically produced coils have conductor widths in the range Can have micrometers and overall dimensions in the range of a few micrometers.
  • the first and / or second device for generating a magnetic field comprises a yoke made of a soft magnetic material, because this allows geometries optimized for the purposes of the magnetic drive, in particular for the generated and guided magnetic fields and fluxes, provide.
  • a section of a soft magnetic material is arranged on the first and / or on the second carrier, which is at least partially penetrated by the magnetic field of the first or second device for generating a magnetic field, one is carried out by the respective geometric Dimensions of the field and the soft magnetic material defined force coupling between the generated magnetic field and the first and / or second carrier.
  • Preferred soft magnetic materials are advantageously selected from the group comprising nickel-iron compounds and alloys, aluminum-iron-silicon compounds and alloys, nickel-iron tantalum compounds and alloys and combinations of these compounds and alloys ,
  • a particularly preferred soft magnetic material contains nickel-iron compounds or alloys in a composition Ni: Fe of 81:19 at% or 45:55 at%.
  • the permanent or hard magnetic material is preferably selected from the group consisting of cobalt-chromium-tantalum compounds and alloys, cobalt-platinum-chromium compounds and alloys, cobalt-platinum-chromium tantalum compounds and alloys. Cobalt-samarium compounds and alloys, neodymium-iron-boron compounds and alloys and combinations of these compounds and alloys.
  • the production can be simplified and optimized, because complex three-dimensional structures can be produced from only one substrate surface and subsequently combined in a simple manner by a sandwich-like structure of the substrates.
  • Figure 1 is a perspective view of a first
  • FIG. 1 is a perspective view of a second
  • Figure 3 is a perspective view of a third
  • FIG. 4 shows a cross-sectional illustration of the first embodiment along the sectional plane A-A
  • Figure 1 is a cross-sectional view with a view of the web serving as a solid-state joint for fastening the gimbal ring acting as a second support along the section plane BB from FIG. 1.
  • FIG. 1 is a first embodiment of a magnetically driven swiveling device which is provided with the reference number 1 as a whole
  • a first device 2 for generating a magnetic field is arranged below a first pivotable carrier 3, on which 2 magnetic forces can be exerted by the magnetic field of the device.
  • the first pivotable carrier 3 which essentially consists of silicon, can be pivoted about webs 4, which preferably consist of polysilicon and define solid-state joints with an adjustable restoring torque or restoring force.
  • the first carrier 3 is surrounded by a second pivotable carrier 5, which is also pivotably held by webs 6 serving as solid-state joints.
  • the first carrier 3 is held pivotably about the pivot axis X and the second carrier 5 about the pivot axis Y perpendicular to this, so that a gimbal is created for the first carrier 3 serving as a platform, whereby an independent adjustment of a pivoting movement around the X and Y axes is made possible.
  • the swiveling movement of the first carrier about the X axis and with a second device 7 for generating a second magnetic field the swiveling movement of the first and second carriers 3, 5 about the Y- can be caused by magnetic forces with the first device 2 for generating a magnetic field. Axis are generated.
  • Each of the fire-generating devices 2, 7 each contains two yokes 8, 9, 10, 11 with an E-shaped cross section, the middle arm of which is surrounded by a coil 12, 13, 14, 15 in the first embodiment.
  • the two coils 12, 14, and 13, 15 each of a fire-generating device 2, 7 can be electrically controlled separately from one another, so that both rectified and opposed magnetic fields can be generated.
  • the magnetic field lines which are not shown in the figures but are well known to the person skilled in the art, are guided through the arms 16 of the E-shaped yokes 8, 9, 10, 11 in such a way that they run upward, sections 17 attached below the first carrier 3 , 18, 19, 20 penetrate a soft magnetic material and be guided in this soft magnetic material.
  • Pivot axis X, Y generates a one-sided magnetic field which attempts to attract the section of soft magnetic material 17, 18, 19, 20 located above and a swiveling movement is generated, which reduces the distance between the respective soft magnetic material and the associated current-carrying coil with the E-shaped yoke underneath.
  • sections which also contain permanent magnets, are used instead of the section made of soft magnetic material, depending on the direction of the magnetic field generated by the coils 12, 13, 14, 15, a repulsive or a compressive force can also be generated in addition to a tensile force. This is the case if the poles of the permanent magnet material and the E-shaped yokes face each other.
  • a coil arrangement of U-shaped yokes can also be used instead of the E-shaped yokes, coils being arranged in each case around the legs of the U-shaped yoke pointing upward.
  • the same directional magnetic fields in both coils of a field-generating arrangement can cause the first carrier 3 to be displaced in both the positive and the negative Z direction, with the use of S-shaped webs 4, 6 allowing greater elongations than in the case of the in the figures illustrated straight embodiments.
  • FIG. 2 a perspective view of a second embodiment with round first and second carriers 3, 5 is shown.
  • the gimbal suspension of this embodiment which is functionally the same in itself, is particularly well suited for systems with round apertures, such as those which arise, for example, when focusing modes guided in a single-mode fiber.
  • FIG. 3 shows an embodiment with rectangular first and second carriers, in which both the second device of a magnetic field 7 and its E-shaped yokes 9, 11 and coils 13, 15 are spaced further apart and a section of the soft magnetic material 20, 18 is arranged on the second carrier 5. This results in a larger lever with respect to the pivot axis Y and thus, with the same forces, a greater rotational acceleration with the same current strength in the coils 13, 15.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional illustration along the sectional plane AA from FIG. 1.
  • the first and the second carrier 3, 5 are worked out from a first silicon substrate 21 by etching techniques, which are described in more detail below, and are arranged spaced apart by a spacer or spacer layer 22 on a second silicon substrate 23.
  • the coils 12, 14 comprise galvanically applied, single-layer turns, which are embedded in a photolithographically structurable epoxy resin layer 24.
  • FIG. 5 in which a cross-sectional view through an alternative embodiment to the embodiment shown in FIG. 1 along the sectional plane BB from FIG. 1 is shown.
  • the web 6, which is anchored in the upper wafer 21 and is made of polysilicon, and its connecting region or anchoring 30 on the second carrier 5 can be seen particularly well. Furthermore, the first pivotable carrier 3 is coated with a mirror layer 25 made of gold.
  • FIG. 5 also shows how the left arm 16 of a U-shaped yoke 11 "extends through a coil arrangement 15", which instead of a central arrangement, as in the embodiment shown in FIG. 1, alternatively around the two outer legs 16 of the E-shaped yoke 11 is arranged.
  • the coil arrangement 15 ′′ comprises a first coil layer 26, which was applied galvanically to the substrate 23 and is also provided with a second coil layer 27, which is arranged above the first coil layer 26.
  • Both coil layers 26, 27 each define a concentric ring system, which by means of
  • Through openings or vias 28 is electrically conductively connected.
  • the entire lower wafer 23 is covered with a passivation view 29, which is on the In a manner known to those skilled in the art, there are connection spots at which the coils 12, 13, 14, 15 can be supplied with electrical current.
  • the overall system is generally constructed on an upper wafer 21 and a lower wafer 23, each serving as a substrate
  • Structure of a magnetic drive system consisting of the yokes 8, 9, 10, 11, 12, also referred to as magnetic legs, which conduct the magnetic flux of the magnetic field and the electrically conductive coils 12, 13, 14 15, 15 ', which form a time-varying magnetic field depending on the current flowing through it.
  • the gimbal-mounted first carrier or platform 3 and the magnetic yokes 17, 18, 19, 20 consisting of a section of soft or soft and hard magnetic material are formed on the upper wafer 21.
  • the material of the lower wafer 23 consists essentially of silicon.
  • the first production step is the production of the lower part of the E- or U-shaped yokes 8, 9, 10, 11 that runs in the substrate plane.
  • Magnetic material by means of sputtering or vapor deposition
  • a planarizing insulating layer 31 is then applied, see FIG. 5, a photosensitive epoxy resin being used for this purpose.
  • the next step is to manufacture the coils 12, 13, 14, 15, 15 ', which in the particularly preferred embodiment consists of two layers 26, 27.
  • Coil layer 26 and the supply lines and connection spots are carried out by means of the following individual steps:
  • This coil layer 26 is then isolated, again using a photosensitive epoxy resin 31.
  • the layer receives suitable windows.
  • the electrically conductive bushings are then fabricated using thin-film or galvanic molding. Now follows the production of the second coil layer 27, which in the sequence of steps essentially corresponds to that for the production of the first coil layer 26.
  • An organic, photosensitive insulating layer 31 is in turn produced on the finished second coil layer 27, which in turn receives windows in the area of the magnetic poles.
  • the magnet system is completed by galvanically growing the upward-pointing arms or magnetic poles 16, followed by planarization of the wafer.
  • the conclusion is a passivation of the entire wafer 23 with the exception of the contact pads, because these are covered beforehand by means of a photomask by applying a passivation layer 29.
  • the upper wafer 21 also consists essentially of silicon, but has a layer of silicon dioxide on its surface, which serves as a sacrificial layer.
  • the gimbal-suspended platform 3 and the magnetic legs are constructed on this wafer from a section 17, 18, 19, 20 of soft or soft and hard magnetic material for driving them.
  • the platform 3 or the first and second pivotable devices serving as supports are produced by means of relevant processes in silicon mechanics.
  • the sacrificial layer is removed in areas in which the anchoring 30 of the solid-state joints of the gimbal-suspended platform 3 takes place.
  • the sequence of steps for this is:
  • a layer of polycrystalline silicon (polysilicon) is then applied over the entire surface, from which later the webs or solid joints 4, 6, the second carrier or gimbal ring 5 and the first carrier 3 or the platform structure arise.
  • the next step is to generate the cavity in the wafer 21 in the region of the first carrier 3.
  • the rear side of the wafer 21 pointing upwards in the figures is masked by means of a photomask and the cavity is shaped by means of anisotropic etching.
  • the next Manufacturing steps again take place on the wafer surface, which is shown in the figures facing downwards.
  • the structure of webs or solid-state joints 4, 6, second carrier or gimbal ring 5 and first carrier or platform 3 is defined by means of a photomask and then produced by reactive etching.
  • the upper flux guide is then applied, the sequence of steps corresponds to the sequence discussed in the manufacture of the lower magnetic legs of the lower wafer 23.
  • the sacrificial layer is removed by means of reactive etching and thus the gimbaled platform 3 is exposed.
  • the upward-facing wafer surface is coated with a reflective material 25 by means of sputtering or other suitable coating processes known to the person skilled in the art. This completes the wafer processing process for both wafers 21, 23.
  • the next step is to produce the overall system by connecting the wafers. However, due to the necessary distance between the two wafers, this does not take place directly; rather, a spacer or spacer layer 22 is introduced between the two.
  • connection of the three parts of upper wafer 21, spacer 22 and lower wafer 23 takes place by means of a semiconductor bonding process known to the person skilled in the art. Separation is used to separate them into individual systems or arrays. In the following description of the materials used, reference is first made to the materials of the magnet system.
  • a material with a high saturation flux density is preferably used as the soft magnetic material for the magnetic legs.
  • nickel iron called “Permalloy” is used, in the most preferred embodiments a composition of NiFe in at% (81:19), or NiFe in at% 45:55, called “Sendust” AlFeSi and NiFeTa. Since nickel-iron can be electrodeposited, it is a particularly preferred candidate.
  • the permanent or hard magnetic material is selected from the group consisting of cobalt-chromium-tantalum compounds and alloys, cobalt-platinum Chromium compounds and -
  • the preferred conductor material for supply lines and coil layers 26, 27 is copper, since it shows a significantly lower tendency to electromigration than other conductors.
  • other electrically conductive materials can also be used.
  • Inorganic materials such as A1 2 0 3 or Si0 2 , which can also be used as a passivation layer 29, are suitable as insulators.
  • organic materials can also be used, which are particularly advantageous if they can be structured photolithographically.
  • a photosensitive epoxy resin with the brand name SU8 is particularly well suited for photolithographic structuring without restricting generality.
  • Polycrystalline silicon polysilicon
  • silicon dioxide Si0 2
  • the surface is metallized with gold or aluminum.
  • the invention has been described with reference to a device in which the coils generating the magnetic field were not arranged to be movable, the invention also includes pivotable devices in which field-generating coils are arranged on the pivotable devices 3, 5.
  • the solid-state joints 4, 6 designed as webs can carry conductor tracks for controlling these coils.

Abstract

The invention relates to a magnetically driven rotatable device comprising a first device for producing a magnetic field for increased decoupling of a rotating or pivoting movement with respect to conventional systems. A first rotatable carrier is provided, whereby the magnetic forces produced by the magnetic field can be exerted thereon, resulting in a rotating movement of said carrier.

Description

Mikromechanische, schwenkbare Vorrichtung mit magnetischem Antrieb sowie Verfahren zu deren Micromechanical, swiveling device with magnetic drive and method for the same
Herstellungmanufacturing
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft allgemein mikromechanische Vorrichtungen sowie im speziellen eine mikromechanische schwenkbare Vorrichtung mit magnetischem Antrieb sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates generally to micromechanical devices and, more particularly, to a micromechanical swiveling device with a magnetic drive and a method for the production thereof.
Es ist bekannt, mikromechanische Aktuatoren bzw. MEMS (Micro- electromechanical Systems) mittels elektrischer Felder zu betreiben. Hierbei werden jedoch vielfältige Störungen durch die verwendeten elektrische Felder verursacht. Zum einen sind bei zu hohen Feldstärken spannungsinduzierte Durchbrüche möglich und zum anderen neigen hohe elektrische Feldstärken dazu, feinste Partikel anzuziehen und können Verschmutzungen der teilweise im Mikrometerbereich liegenden Strukturen verursachen, welches bis zu deren Ausfall führen kann. Folglich wurde bereits versucht, Aktuatoren, insbesondere zum Bewegen optisch 'reflektierender Substrate zu verwenden. In der amerikanischen Patentschrift US 6,108,117 wird eine Anordnung zum Absenken von Abschnitten eines in Streifen unterteilten Spiegels beschrieben, wodurch es zu einer Veränderung einer Beugungsstruktur kommt welche dann im Wege der Mehrstrahlinterferenz in der Rückreflexion Maxima und Minima ausbildet. Nachteilig ist jedoch, daß eine große Vielzahl von bewegten Spiegeln nötig ist, um hierdurch einen einzigen Schaltvorgang für rückreflektiertes Licht zu erhalten.It is known to operate micromechanical actuators or MEMS (micro-electromechanical systems) by means of electrical fields. However, various interferences are caused by the electrical fields used. On the one hand, voltage-induced breakdowns are possible if the field strengths are too high, and on the other hand high electrical field strengths tend to attract the finest particles and can cause contamination of the structures, some of which are in the micrometer range, which can lead to their failure. Consequently, attempts have already been made to use actuators, in particular for moving optically 'reflecting substrates. In the US Pat. No. 6,108,117, an arrangement for lowering sections of a mirror divided into strips is described, as a result of which a diffraction structure is changed, which then forms maxima and minima in the way of multi-beam interference in the back reflection. It is disadvantageous, however, that a large number of moving mirrors is necessary in order to obtain a single switching operation for back-reflected light.
Die gleichen gravierenden Nachteile weist auch das in der amerikanischen Patentschrift US 6,141,139 beschriebene System auf.The same serious disadvantages also have the system described in the US Pat. No. 6,141,139.
In Optical Engineering, Vol. 36 No . 5, Mai 1997 wird ein mikromechanisch hergestellter Spiegel beschrieben, welcher durch magnetische Kräfte aus einer liegenden Stellung um eine Kippachse nach oben herauskippbar ist, wobei dessen Kippachse im wesentlichen seitlich, in der durch die Spiegeloberfläche definierten Ebene aber weit außerhalb der Spiegelabmessungen liegt. Ein derartiger Kippvorgang ist jedoch beispielsweise für optische Systeme äußerst nachteilig, da mit einerIn Optical Engineering, Vol. 36 No. 5, May 1997, a micromechanically produced mirror is described, which can be tilted upward by magnetic forces from a lying position about a tilt axis, the tilt axis of which lies essentially laterally, but in the plane defined by the mirror surface, but far outside the mirror dimensions. However, such a tilting process is extremely disadvantageous, for example for optical systems, because with one
Winkelverstellung immer zwingend auch eine Längenänderung des optischen Pfades einher geht. Eine derartige Längenänderung des optischen Pfades führt jedoch bei abbildenden Systemen in der Regel zu Dejustierungen oder bedarf aufwendiger und teuerer optischer Anordnungen zu deren Kompensation.Angle adjustment is always accompanied by a change in length of the optical path. However, such a change in the length of the optical path generally leads to misalignments in imaging systems or requires complex and expensive optical arrangements to compensate for them.
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zu Grunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung bereitzustellen, bei welcher eine Dreh- oder Schwenkbewegung stärker entkoppelt sind, als bei den herkömmlichen Systemen. Vorteilhaft wäre dabei insbesondere die Möglichkeit zur Erzeugung einer Dreh- oder Schwenkbewegung unabhängig von einer translatorischen Komponente in und/oder senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes.The invention is therefore based on the object to provide a generic device in which one Rotational or swiveling movements are more decoupled than with conventional systems. In particular, the possibility of generating a rotary or pivoting movement independently of a translational component in and / or perpendicular to the direction of propagation of the light would be advantageous.
Diese Aufgabe wird auf höchst überraschend einfache Weise bereits mit einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This task is solved in a most surprisingly simple way with a magnetically driven swiveling device with the features of claim 1.
Mit einer ersten Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes, einem ersten schwenkbaren Träger, auf welchen durch das erzeugte Magnetfeld Kräfte ausübbar sind, die eine Schwenkbewegung des ersten schwenkbaren Trägers bewirken kann bereits eine zuverlässige Anordnung bereitgestellt werden, welche auch bei einer nur sehr kleinen Größe des Trägers, dies bedeutet einer Größe einer daran angebrachten reflektierenden Fläche von weniger als einem Quadratmillimeter eine Strahlverkippung ohne wesentliches seitliches Auswandern oder Abschatten des Strahls bereitstellt.With a first device for generating a magnetic field, a first pivotable carrier, on which forces generated by the generated magnetic field can be exerted, which cause a pivoting movement of the first pivotable carrier, a reliable arrangement can already be provided, even with a very small size of the carrier , this means that a size of a reflecting surface attached to it of less than a square millimeter provides a beam tilt without substantial lateral migration or shading of the beam.
Als Schwenken des Trägers soll dabei in Abgrenzung zur vorbekannten Kippbewegung um eine seitlich des Spiegels liegende, externe Kippachse eine Drehung oder Drehbewegung des Trägers bezeichnet werden, bei welcher die Dreh- bzw. Schwenkachse nicht seitlich neben dem Träger liegt.In contrast to the known tilting movement about an external tilting axis lying to the side of the mirror, a pivoting or rotating movement of the carrier should be referred to as pivoting of the carrier, in which the rotating or pivoting axis is not laterally adjacent to the carrier.
Vorteilhaft kann diese Schwenkachse durch den geometrischen Flächenschwerpunkt der Oberfläche des Trägers verlaufen, um hierdurch ein möglichst geringes Trägheitsmoment bei optimalen Justiermöglichkeiten bereitzustellen. In ebenfalls vorteilhafter Weise kann die Schwenkachse durch den physikalischen Schwerpunkt des Trägers verlaufen, um bei möglichst geringem Trägheitsmoment der Anordnung eine möglichst schnelle Ansteuerung bereitzustellen.This pivot axis can advantageously run through the geometrical center of gravity of the surface of the carrier in order to thereby provide the lowest possible moment of inertia with optimal adjustment possibilities. The pivot axis can also advantageously run through the physical center of gravity of the carrier in order to provide the fastest possible control with the lowest possible moment of inertia of the arrangement.
Die Schwenkachse kann jedoch auch vor oder hinter einer der Hauptoberflächen des Trägers, liegen, falls beispielsweise auch translatorische Einstellungen mit einer Einstellkomponente in Richtung der optischen Achse vorgenommen werden sollen.However, the pivot axis can also lie in front of or behind one of the main surfaces of the carrier, if, for example, translational adjustments are also to be made with an adjustment component in the direction of the optical axis.
Besonders vorteilhaft ist jedoch es, wenn der erste schwenkbare Träger von einem zweiten schwenkbaren Träger gehalten ist, welcher um eine senkrecht zur Schwenkachse X des ersten Trägers verlaufende zweite Schwenkachse Y schwenkbar ist, denn hierdurch wird ein im wesentlichen kardanisch aufgehängtes Plattformsystem mit magnetischem Antrieb bereitgestellt, bei welchem die Schwenkachsen X und Y des ersten bzw. zweiten Trägers, siehe hierzu beispielsweise die Fig. 1 bis 3, exakt in der Ebene der Oberfläche der Träger oder in deren Nähe verlaufen können, wodurch im wesentlichen keine unerwünschtes Auswandern von Strahlengängen in einer zu beiden Schwenkachsen senkrecht verlaufenden Richtung Z mehr erzeugt wird.However, it is particularly advantageous if the first pivotable carrier is held by a second pivotable carrier, which is pivotable about a second pivot axis Y running perpendicular to the pivot axis X of the first carrier, since this provides an essentially gimbaled platform system with a magnetic drive, in which the pivot axes X and Y of the first and second carrier, see, for example, FIGS. 1 to 3, can run exactly in the plane of the surface of the carrier or in the vicinity thereof, as a result of which essentially no undesired migration of beam paths in one direction two pivot axes perpendicular direction Z is generated more.
Mit einer zweiten Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes, welche Kräfte auf den ersten und/oder zweiten Träger ausübt, die eine Schwenk- oder Kippbewegung des ersten und/oder zweiten Trägers bewirken, kann auf vorteilhafte Weise das Schwenken um die beiden Schwenkachsen mit magnetischen Kräften verwirklicht werden. Wenn die erste und zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes jeweils mindestens zwei ein Magnetfeld erzeugende Anordnungen umfassen, wobei die mindestens zwei Magnetfeld erzeugenden Anordnungen getrennt voneinander ansteuerbar sind, ergeben sich für die Einstellung der Lage des als Plattform dienenden ersten Trägers äußerst vorteilhafte weitere Einstellmöglichkeiten.With a second device for generating a second magnetic field, which exerts forces on the first and / or second carrier, which cause a pivoting or tilting movement of the first and / or second carrier, the pivoting about the two pivot axes can advantageously be carried out with magnetic forces be realized. If the first and second devices for generating a magnetic field each comprise at least two arrangements generating a magnetic field, the arrangements generating at least two magnetic fields being controllable separately from one another, extremely advantageous further setting options result for the setting of the position of the first carrier serving as a platform.
Zum einen kann durch zwei gleichzeitig auf einen Träger einwirkende Magnetfelder neben einem Drehmoment noch ein zusätzlicher, einstellbarer Zug entwickelt werden, welcher zu einer definierten Auslenkung des Trägers in negativer IS- Richtung, siehe beispielsweise die Figuren 1 bis 3, führt, welches zu Justierungszwecken optischer Pfade verwendbar ist.On the one hand, by means of two magnetic fields acting simultaneously on a carrier, in addition to a torque, an additional, adjustable train can be developed, which leads to a defined deflection of the carrier in the negative IS direction, see for example FIGS. 1 to 3, which is more optical for adjustment purposes Paths is usable.
Werden zusätzlich zu den felderzeugenden Spulen an Stelle der weichmagnetischen Materialien oder zusätzlich zu den weichmagnetischen Materialien permanentmagnetische bzw. hartmagnetische Materialien eingesetzt, kann hierdurch außer einem Zug auch eine Druckkraft in positiver Z-Richtung generiert werden und verdoppelt sich die effektive zur Verfügung stehende Auslenkung in Z-Richtung.If permanent magnetic or hard magnetic materials are used in addition to the field-generating coils instead of the soft magnetic materials or in addition to the soft magnetic materials, this can also generate a compressive force in the positive Z direction in addition to a pull and doubles the effective deflection available in Z -Direction.
Wenn die Befestigung des ersten und/oder des zweiten Trägers einen aus Polysilizium bestehenden Steg umfaßt, wird hierdurch ein Festkörpergelenk mit hoher Zuverlässigkeit geschaffen, welches in weitem Rahmen durch dessen Form dimensionierbare elastische Rückstellkräfte bereitstellt. Ferner ist es besonders vorteilhaft, daß dieses Gelenk mit den Verfahren der Halbleiterstrukturierung aus dem gleichen Substrat herstellbar ist, wie die verbleibenden Bestandteile der schwenkbaren Vorrichtung. Hierbei ist es auch vorteilhaft, wenn der erste und der zweite Träger Teil eines aus einer Siliziumverbindung bestehenden Substrates sind und die Siliziumverbindung des ersten und zweiten Trägers Polysilizium und/oder Siliziumdioxid enthalten, welches Teil des Substrates oder auf dieses aufgebracht ist.If the fastening of the first and / or the second carrier comprises a web made of polysilicon, this creates a solid-state joint with high reliability, which provides elastic restoring forces that can be dimensioned to a large extent due to its shape. Furthermore, it is particularly advantageous that this joint can be produced using the methods of semiconductor structuring from the same substrate as the remaining components of the pivotable device. Here it is too advantageous if the first and the second carrier are part of a substrate consisting of a silicon compound and the silicon compound of the first and second carrier contain polysilicon and / or silicon dioxide which is part of the substrate or is applied thereto.
Wird der Steg S-förmig ausgebildet, kann hierdurch die effektiv wirksame Rückstellkraft sowohl für eine Schwenkbewegung als auch für eine Auslenkung in Z-Richtung in weiten Grenzen definiert vorgegeben werden.If the web is S-shaped, the effectively effective restoring force can be defined within wide limits both for a pivoting movement and for a deflection in the Z direction.
Besonders kleine Dimensionierungen lassen sich erreichten, wenn die erste und/oder zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes galvanisch hergestellte Spulen umfaßt, denn hierdurch lassen sich lithographische Verfahren verwenden, deren Auflösung im Mikrometerbereich oder darunter liegt, wodurch auch die galvanisch hergestellten Spulen Leiterbreiten im Bereich von Mikrometern und Gesamtabmessungen im Bereich einiger Mikrometer aufweisen können.Particularly small dimensions can be achieved if the first and / or second device for generating a magnetic field comprises galvanically produced coils, because this enables lithographic processes to be used whose resolution is in the micrometer range or below, which also means that the galvanically produced coils have conductor widths in the range Can have micrometers and overall dimensions in the range of a few micrometers.
Vorteilhaft ist es ferner auch, wenn die erste und/oder zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes ein Joch aus einem weichmagnetischem Material umfaßt, denn hierdurch lassen sich für die Zwecke des magnetischen Antriebs optimierte Geometrien, insbesondere für die erzeugten und geführten magnetischen Felder und Flüsse, bereitstellen.It is also advantageous if the first and / or second device for generating a magnetic field comprises a yoke made of a soft magnetic material, because this allows geometries optimized for the purposes of the magnetic drive, in particular for the generated and guided magnetic fields and fluxes, provide.
Wenn am ersten und/oder am zweiten Träger ein Abschnitt eines weichmagnetischen Materials angeordnet ist, welcher zumindest teilweise von dem Magnetfeld der ersten oder zweiten Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes durchdrungen ist, erfolgt eine durch die jeweiligen geometrischen Abmessungen des Feldes und des weichmagnetischen Materials definierte Kraftkopplung zwischen dem erzeugten Magnetfeld und dem ersten und/oder zweiten Träger.If a section of a soft magnetic material is arranged on the first and / or on the second carrier, which is at least partially penetrated by the magnetic field of the first or second device for generating a magnetic field, one is carried out by the respective geometric Dimensions of the field and the soft magnetic material defined force coupling between the generated magnetic field and the first and / or second carrier.
Bevorzugte weichmagnetische Materialien sind vorteilhaft aus der Gruppe ausgewählt, welche Nickel-Eisen-Verbindungen- und - Legierungen, Aluminium-Eisen-Silizium-Verbindungen und - Legierungen, Nickel-Eisen-Tantal-Verbindungen und - Legierungen und Kombinationen aus diesen Verbindungen und Legierungen umfaßt.Preferred soft magnetic materials are advantageously selected from the group comprising nickel-iron compounds and alloys, aluminum-iron-silicon compounds and alloys, nickel-iron tantalum compounds and alloys and combinations of these compounds and alloys ,
Ein besonders bevorzugtes weichmagnetisches Material enthält Nickel-Eisen-Verbindungen oder -Legierungen in einer Zusammensetzung Ni : Fe von 81:19 at-% oder 45:55 at-% .A particularly preferred soft magnetic material contains nickel-iron compounds or alloys in a composition Ni: Fe of 81:19 at% or 45:55 at%.
Höhere Kräfte lassen sich für den magnetischen Antrieb verwirklichen, wenn am ersten und/oder am zweiten Träger ein Abschnitt eines permanent- oder hartmagnetischen Materials angeordnet ist, welcher zumindest teilweise von einem Magnetfeld der ersten oder zweiten Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes erfaßt ist. Dabei ist das permanent- oder hartmagnetische Material bevorzugt aus der Gruppe ausgewählt, welche Cobalt-Chrom-Tantal-Verbindungen und -Legierungen, Cobalt-Platin-Chrom-Verbindungen und -Legierungen, Cobalt- Platin-Chrom-Tantal-Verbindungen und -Legierungen- Cobalt- Samarium-Verbindungen und -Legierungen, Neodym-Eisen-Bor- Verbindungen und -Legierungen und Kombinationen aus diesen Verbindungen und Legierungen umfaßt.Higher forces can be achieved for the magnetic drive if a section of a permanent or hard magnetic material is arranged on the first and / or on the second carrier, which section is at least partially captured by a magnetic field of the first or second device for generating a magnetic field. The permanent or hard magnetic material is preferably selected from the group consisting of cobalt-chromium-tantalum compounds and alloys, cobalt-platinum-chromium compounds and alloys, cobalt-platinum-chromium tantalum compounds and alloys. Cobalt-samarium compounds and alloys, neodymium-iron-boron compounds and alloys and combinations of these compounds and alloys.
Durch einen schichtartigen Aufbau, bei welchem der erste und zweite Träger Teil eines ersten Siliziumsubstrats oder auf einem ersten Siliziumsubstrat aufgebaut sind und die erste und/oder zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf einem zweiten Silizium-, Glas- oder Keramiksubstrat ausgebildet sind, kann die Herstellung vereinfacht und optimiert werden, denn es lassen sich komplexe dreidimensionale Strukturen von nur einer Substrat-Oberfläche her erzeugen und nachfolgend auf einfache Weise durch einen sandwichartigen Aufbau der Substrate kombinieren.By means of a layered structure in which the first and second carriers are part of a first silicon substrate or on a first silicon substrate and the first and / or second device for generating a magnetic field are formed on a second silicon, glass or ceramic substrate, the production can be simplified and optimized, because complex three-dimensional structures can be produced from only one substrate surface and subsequently combined in a simple manner by a sandwich-like structure of the substrates.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen:The invention is described in more detail below on the basis of preferred embodiments and with reference to the attached drawings. Show it:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer erstenFigure 1 is a perspective view of a first
Ausführungsform einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung mit rechteckiger Plattform und rechteckiger kardanischer Aufhängung, Figur 2 eine perspektivische Ansicht einer zweitenEmbodiment of a magnetically driven pivotable device with a rectangular platform and rectangular gimbal, Figure 2 is a perspective view of a second
Ausführungsform einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung mit runder Plattform und runder kardanischer Aufhängung,Embodiment of a magnetically driven swiveling device with a round platform and a round gimbal,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht einer drittenFigure 3 is a perspective view of a third
Ausführungsform einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung mit rechteckiger Plattform und rechteckiger kardanischer Aufhängung, bei welcher die den magnetischen Fluß führendenEmbodiment of a magnetically driven swiveling device with a rectangular platform and a rectangular gimbal, in which the guiding the magnetic flux
Elemente unterhalb der als erster Träger wirkenden Plattform und unterhalb des als zweiter Träger wirkenden kardanischen Rings angeordnet sind, Figur 4 eine Querschnittsdarstellung der ersten Ausführungsform entlang der Schnittebene A-A ausElements are arranged below the platform acting as the first carrier and below the gimbal ring acting as the second carrier, FIG. 4 shows a cross-sectional illustration of the first embodiment along the sectional plane A-A
Figur 1, Figur 5 eine Querschnittsdarstellung mit Aufsicht auf den als Festkörpergelenk dienenden Steg zur Befestigung des als zweiter Träger wirkenden kardanischen Rings entlang der Schnittebene B-B aus Figur 1.Figure 1, Figure 5 is a cross-sectional view with a view of the web serving as a solid-state joint for fastening the gimbal ring acting as a second support along the section plane BB from FIG. 1.
Die Erfindung wird nachfolgend detaillierter und unter Bezugnahme auf bevorzugte und besonders bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Zum besseren Verständnis sind dabei gleiche oder äquivalente Bestandteile verschiedener Ausführungsformen mit jeweils den selben Bezugszeichen versehen.The invention is described in more detail below with reference to preferred and particularly preferred embodiments. For better understanding, the same or equivalent components of different embodiments are provided with the same reference numerals.
Nachfolgend wird auf Fig. 1 Bezug genommen, welche eine im ganzen mit dem Bezugszeichen 1 versehene, erste Ausführungsform einer magnetisch angetriebenen schwenkbarenIn the following, reference is made to FIG. 1, which is a first embodiment of a magnetically driven swiveling device which is provided with the reference number 1 as a whole
Vorrichtung darstellt. Eine erste Einrichtung 2 zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist unterhalb eines ersten schwenkbaren Trägers 3 angeordnet, auf welchen durch das Magnetfeld der Einrichtung 2 magnetische Kräfte ausübbar sind.Device represents. A first device 2 for generating a magnetic field is arranged below a first pivotable carrier 3, on which 2 magnetic forces can be exerted by the magnetic field of the device.
Der im wesentlichen aus Silizium bestehende erste schwenkbare Träger 3 kann um Stege 4 verschwenkt werden, welche vorzugsweise aus Polysilizium bestehen und Festkörpergelenke mit einstellbarem Rückstellmoment bzw. Rückstellkraft definieren.The first pivotable carrier 3, which essentially consists of silicon, can be pivoted about webs 4, which preferably consist of polysilicon and define solid-state joints with an adjustable restoring torque or restoring force.
Der erste Träger 3 ist von einem zweiten schwenkbaren Träger 5 umgeben, welcher ebenfalls von als Festkörpergelenken dienenden Stegen 6 schwenkbar gehalten ist. Der erste Träger 3 ist um die Schwenkachse X und der zweite Träger 5 um die zu dieser senkrecht stehenden Schwenkachse Y schwenkbar gehalten, so daß insgesamt eine kardanische Aufhängung für den als Plattform dienenden ersten Träger 3 geschaffen wird, wodurch jeweils eine unabhängige Einstellung einer Schwenkbewegung um die X- und um die Y-Achse ermöglicht wird.The first carrier 3 is surrounded by a second pivotable carrier 5, which is also pivotably held by webs 6 serving as solid-state joints. The first carrier 3 is held pivotably about the pivot axis X and the second carrier 5 about the pivot axis Y perpendicular to this, so that a gimbal is created for the first carrier 3 serving as a platform, whereby an independent adjustment of a pivoting movement around the X and Y axes is made possible.
Hierbei kann durch magnetische Kräfte mit der ersten Einrichtung 2 zur Erzeugung eines Magnetfeldes die Schwenkbewegung des ersten Trägers um die X-Achse und mit einer zweiten Einrichtung 7 zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes die Schwenkbewegung des ersten und des zweiten Trägers 3, 5 um die Y-Achse erzeugt werden.In this case, the swiveling movement of the first carrier about the X axis and with a second device 7 for generating a second magnetic field the swiveling movement of the first and second carriers 3, 5 about the Y- can be caused by magnetic forces with the first device 2 for generating a magnetic field. Axis are generated.
Jede der feiderzeugenden Einrichtungen 2, 7 enthält jeweils zwei im Querschnitt E-förmige Joche 8, 9, 10, 11, deren mittlerer Arm bei der ersten Ausführungsform jeweils von einer Spule 12, 13, 14, 15, umgeben ist.Each of the fire-generating devices 2, 7 each contains two yokes 8, 9, 10, 11 with an E-shaped cross section, the middle arm of which is surrounded by a coil 12, 13, 14, 15 in the first embodiment.
Die zwei Spulen 12, 14, und 13, 15 jeweils einer feiderzeugenden Einrichtung 2, 7 sind getrennt voneinander elektrisch ansteuerbar, so daß sowohl gleichgerichtete als auch entgegengerichtete Magnetfelder erzeugbar sind.The two coils 12, 14, and 13, 15 each of a fire-generating device 2, 7 can be electrically controlled separately from one another, so that both rectified and opposed magnetic fields can be generated.
Die in den Figuren nicht dargestellten, aber dem Fachmann hinlänglich bekannten, magnetischen Feldlinien werden durch die Arme 16 der E-förmigen Joche 8, 9, 10, 11, so geführt, daß diese nach oben verlaufen, unterhalb des ersten Trägers 3 angebrachte Abschnitte 17, 18, 19, 20 eines weichmagnetischen Materials durchdringen und in diesem weichmagnetischen Material geführt werden.The magnetic field lines, which are not shown in the figures but are well known to the person skilled in the art, are guided through the arms 16 of the E-shaped yokes 8, 9, 10, 11 in such a way that they run upward, sections 17 attached below the first carrier 3 , 18, 19, 20 penetrate a soft magnetic material and be guided in this soft magnetic material.
Wird durch eine der Spulen 12, 13, 14, 15 ein elektrischer Strom geschickt, wird hierdurch in Bezug auf die jeweiligeIf an electrical current is sent through one of the coils 12, 13, 14, 15, this will result in reference to the respective
Schwenkachse X, Y ein einseitiges Magnetfeld erzeugt, welches den jeweils oberhalb liegenden Abschnitt aus weichmagnetischem Material 17, 18, 19, 20 versucht anzuziehen und es wird hierbei eine Schwenkbewegung erzeugt, welche den Abstand zwischen dem jeweiligen weichmagnetischen Material und der zugeordneten, darunterliegenden stromdurchflossenen Spule mit dem E-förmigen Joch verkleinert.Pivot axis X, Y generates a one-sided magnetic field which attempts to attract the section of soft magnetic material 17, 18, 19, 20 located above and a swiveling movement is generated, which reduces the distance between the respective soft magnetic material and the associated current-carrying coil with the E-shaped yoke underneath.
Werden zwei Spulen 12, 14 beziehungsweise 13, 15 mit einem Strom beaufschlagt, kommt es zu einer Zugkraft in negativer Z-Richtung, welche in Abhängigkeit von der Elastizität der vorzugsweise aus polykristalinem Silizium bestehenden Stege 4, 6 zu einer Auslenkung des ersten und zweiten Trägers 3, 5 in negativer Z-Richtung führt.If a current is applied to two coils 12, 14 and 13, 15, there is a tensile force in the negative Z direction which, depending on the elasticity of the webs 4, 6, which are preferably made of polycrystalline silicon, leads to a deflection of the first and second carriers 3, 5 leads in the negative Z direction.
Werden an Stelle des Abschnitts aus weichmagnetischem Material Abschnitte, die auch Permanentmagnete enthalten, eingesetzt, kann in Abhängigkeit von der Richtung des durch die Spulen 12, 13, 14, 15, erzeugten Magnetfeldes außer einer Zugkraft auch eine abstoßende, beziehungsweise eine Druckkraft erzeugt werden. Dies ist der Fall falls sich gleichsinnige Pole des permanentmagneitschen Materials und der E-förmigen Joche gegenüberliegen.If sections, which also contain permanent magnets, are used instead of the section made of soft magnetic material, depending on the direction of the magnetic field generated by the coils 12, 13, 14, 15, a repulsive or a compressive force can also be generated in addition to a tensile force. This is the case if the poles of the permanent magnet material and the E-shaped yokes face each other.
Hierzu kann, um ein einzelnes Nord-Südpolpaar pro Spulenanordnung auszubilden an Stelle der E-förmigen Joche auch eine Spulenanordnung von U-förmigen Jochen Verwendung finden, wobei Spulen jeweils um die nach oben weisenden Schenkels des U-förmigen Jochs angeordnet sind.For this purpose, in order to form a single north-south pole pair per coil arrangement, a coil arrangement of U-shaped yokes can also be used instead of the E-shaped yokes, coils being arranged in each case around the legs of the U-shaped yoke pointing upward.
Bei Einsatz permanentmagnetischen Materials kann bei gleich gerichteten Magnetfeldern in beiden Spulen einer felderzeugenden Anordnung sowohl eine Verschiebung des ersten Trägers 3 in positiver als auch in negativer Z-Richtung erfolgen, wobei bei Verwendung S-förmiger Stege 4, 6 größere Elongationen ermöglicht werden als bei den in den Figuren dargestellten geraden Ausführungsformen.When permanent magnetic material is used, the same directional magnetic fields in both coils of a field-generating arrangement can cause the first carrier 3 to be displaced in both the positive and the negative Z direction, with the use of S-shaped webs 4, 6 allowing greater elongations than in the case of the in the figures illustrated straight embodiments.
Nachfolgend wird auf Fig. 2 Bezug genommen, in welcher eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform mit runden ersten und zweiten Träger 3, 5 gezeigt ist. Die an sich funktionsgleiche kardanische Aufhängung dieser Ausführungsform eignet sich besonders gut für Systeme mit runden Aperturen, wie sich diese beispielsweise bei der Fokussierung von in einer Monomode-Faser geführten Moden einstellen.Reference is made below to FIG. 2, in which a perspective view of a second embodiment with round first and second carriers 3, 5 is shown. The gimbal suspension of this embodiment, which is functionally the same in itself, is particularly well suited for systems with round apertures, such as those which arise, for example, when focusing modes guided in a single-mode fiber.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit rechteckigem ersten und zweiten Träger, bei welcher sowohl die zweite Einrichtung eines Magnetfeldes 7 als auch deren E-förmige Joche 9, 11 und Spulen 13, 15 zueinander weiter beabstandet sind und jeweils ein Abschnitt des weichmagnetischen Materials 20, 18 am zweiten Träger 5 angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich in Bezug auf die Schwenkachse Y ein größerer Hebel und damit bei gleichen Kräften eine stärkere Drehbeschleunigung bei gleicher Stromstärke in den Spulen 13, 15.3 shows an embodiment with rectangular first and second carriers, in which both the second device of a magnetic field 7 and its E-shaped yokes 9, 11 and coils 13, 15 are spaced further apart and a section of the soft magnetic material 20, 18 is arranged on the second carrier 5. This results in a larger lever with respect to the pivot axis Y and thus, with the same forces, a greater rotational acceleration with the same current strength in the coils 13, 15.
Nachfolgend wird auf Fig. 4 Bezug genommen, welche eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittebene A-A aus Fig. 1 zeigt. Bei dieser Ausführungsform ist der erste und der zweite Träger 3, 5 aus einem ersten Siliziumsubstrat 21 durch Äzttechniken herausgearbeitet, welche nachfolgend noch genauer beschrieben werden, und ist durch eine Abstands- oder Spacerlage 22 beabstandet auf einem zweiten Siliziumsubstrat 23 angeordnet. Die Spulen 12, 14 umfassen galvanisch aufgebrachte, einlagige Windungen, die in einer photolithographisch strukturierbaren Epoxidharzschicht 24 eingebettet sind. Nachfolgend wird auf Fig. 5 Bezug genommen, in welcher eine Querschnittsdarstellung durch eine alternative Ausführungs orm zu der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform entlang der Schnittebene BB aus Fig. 1 gezeigt ist.In the following, reference is made to FIG. 4, which shows a cross-sectional illustration along the sectional plane AA from FIG. 1. In this embodiment, the first and the second carrier 3, 5 are worked out from a first silicon substrate 21 by etching techniques, which are described in more detail below, and are arranged spaced apart by a spacer or spacer layer 22 on a second silicon substrate 23. The coils 12, 14 comprise galvanically applied, single-layer turns, which are embedded in a photolithographically structurable epoxy resin layer 24. In the following, reference is made to FIG. 5, in which a cross-sectional view through an alternative embodiment to the embodiment shown in FIG. 1 along the sectional plane BB from FIG. 1 is shown.
In dieser Darstellung ist der im oberen Wafer 21 verankerte, aus Polysilizium bestehende Steg 6 und dessen Verbindungsbereich bzw. Verankerung 30 am zweiten Träger 5 besonders gut zu erkennen. Ferner ist der erste schwenkbare Träger 3 mit einer Spiegelschicht 25 aus Gold überzogen.In this illustration, the web 6, which is anchored in the upper wafer 21 and is made of polysilicon, and its connecting region or anchoring 30 on the second carrier 5 can be seen particularly well. Furthermore, the first pivotable carrier 3 is coated with a mirror layer 25 made of gold.
Aus Fig. 5 auch zu erkennen, wie der linke Arm 16 eines U- förmigen Jochs 11" sich durch eine Spulenanordnung 15" erstreckt, welche anstatt einer mittigen Anordnung, wie bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform alternativ jeweils um die beiden äußeren Schenkel 16 des E-förmigen Jochs 11 angeordnet ist.5 also shows how the left arm 16 of a U-shaped yoke 11 "extends through a coil arrangement 15", which instead of a central arrangement, as in the embodiment shown in FIG. 1, alternatively around the two outer legs 16 of the E-shaped yoke 11 is arranged.
Hierbei umfaßt die Spulenanordnung 15" eine erste Spulenlage 26, welche galvanisch auf dem Substrat 23 aufgebracht wurde und ist darüberhinaus mit einer zweiten Spulenlage 27 versehen, welche oberhalb der ersten Spulenlage 26 angeordnet ist.Here, the coil arrangement 15 ″ comprises a first coil layer 26, which was applied galvanically to the substrate 23 and is also provided with a second coil layer 27, which is arranged above the first coil layer 26.
Beide Spulenlagen 26, 27 definieren jeweils ein konzentrisches Ringsystem, welches mittelsBoth coil layers 26, 27 each define a concentric ring system, which by means of
Durchgangsöffnungen oder Vias 28 elektrisch leitend verbunden ist.Through openings or vias 28 is electrically conductively connected.
Bei dieser Ausführungsform ist der gesamte untere Wafer 23 mit einer Passivierungssicht 29 bedeckt, welche auf dem Fachmann bekannte Weise Anschlußflecken freiläßt, an welchen den Spulen 12, 13, 14, 15 elektrischer Strom zugeführt werden kann.In this embodiment, the entire lower wafer 23 is covered with a passivation view 29, which is on the In a manner known to those skilled in the art, there are connection spots at which the coils 12, 13, 14, 15 can be supplied with electrical current.
Nachfolgend wird auf das Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen 1 eingegangen.The method for producing the devices 1 according to the invention is discussed below.
Der Aufbau des Gesamtsystems erfolgt generell auf einem oberen Wafer 21 und einem unteren, jeweils als Substrat dienenden Wafer 23. Auf dem unteren Wafer 23 erfolgt derThe overall system is generally constructed on an upper wafer 21 and a lower wafer 23, each serving as a substrate
Aufbau eines magnetischen Antriebssystems, bestehend aus den auch als Magnetschenkeln bezeichneten Jochen 8, 9, 10, 11, 12, welche den magnetische Fluß des Magnetfeldes leiten und den elektrisch leitfähigen Spulen 12, 13, 14 15, 15', welche ein zeitlich veränderbares Magnetfeld in Abhängigkeit von dem durch diese hindurch fließenden Strom erzeugen.Structure of a magnetic drive system, consisting of the yokes 8, 9, 10, 11, 12, also referred to as magnetic legs, which conduct the magnetic flux of the magnetic field and the electrically conductive coils 12, 13, 14 15, 15 ', which form a time-varying magnetic field depending on the current flowing through it.
Auf dem oberen Wafer 21 entsteht der kardanisch gelagerte erste Träger bzw. Plattform 3 sowie die aus einem Abschnitt weich- oder weich und hartmagnetischen Materials bestehenden magnetischen Joche 17, 18, 19, 20.The gimbal-mounted first carrier or platform 3 and the magnetic yokes 17, 18, 19, 20 consisting of a section of soft or soft and hard magnetic material are formed on the upper wafer 21.
Das Material des unteren Wafers 23 besteht im wesentlichen aus Silizium. Der erste Fertigungsschritt ist die Herstellung des unteren, in der Substratebene verlaufenden Teils der E- oder U- förmgien Joche 8, 9, 10, 11.The material of the lower wafer 23 consists essentially of silicon. The first production step is the production of the lower part of the E- or U-shaped yokes 8, 9, 10, 11 that runs in the substrate plane.
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden um der Klarheit willen für den Fachmann an sich bekannte Prozeßschritte, wie beispielsweise Ätzen, photolitographisches Strukturieren oder Aufdampfen von dünnen Schichten nicht detaillierter erläutert, da derartige Prozesse unter anderem auch von der Halbleiterbearbeitung zur Herstellung integrierter Schaltungen hinlänglich bekannt sind.In the following detailed description of the method according to the invention, for the sake of clarity, process steps known per se to the person skilled in the art, such as, for example, etching, photolithographic structuring or vapor deposition of thin layers, are not explained in more detail, since such processes also depend on the Semiconductor processing for the production of integrated circuits are well known.
Die Einzelschritte hierfür sind: - Niederschlag einer Kontaktschicht aus demThe individual steps for this are: - Precipitation of a contact layer from the
Magnetwerkstoff mittels Kathodenzerstäubens oder Aufdampfen,Magnetic material by means of sputtering or vapor deposition,
Erzeugen einer Photomaske, die ein Negativ der zu erzeugenden Magnetschenkelstruktur darstellt, und danach die galvanische Abformung des Schenkels, - Strippen des Photoresists undProduction of a photomask which represents a negative of the magnetic leg structure to be produced, and then the galvanic impression of the leg, stripping of the photoresist and
Entfernen der Kontaktschicht mittels lonenstrahlätzen.Remove the contact layer using ion beam etching.
Danach erfolgt die Aufbringung einer planarisierenden Isolierschicht 31, siehe Fig. 5, wobei hierzu ein photoempfindliches Epoxydharz zum Einsatz kommt.A planarizing insulating layer 31 is then applied, see FIG. 5, a photosensitive epoxy resin being used for this purpose.
In den Bereichen, in welchen später die Pole oder aufwärtsweisenden Schenkel der E- und U-förmigen Joche des Magnetsystems 2, 7 aufwachsen, wird mittels geeigneter Photolithographieschritte hierfür jeweils eine Öffnung erzeugt .In the areas in which the poles or upward-pointing legs of the E- and U-shaped yokes of the magnet system 2, 7 later grow, an opening is created for this purpose by means of suitable photolithography steps.
Als nächstes erfolgt die Fertigung der Spulen 12, 13, 14, 15, 15', welche bei der besonders bevorzugten Ausführungsform aus zwei Lagen 26, 27 besteht. Die Herstellung der erstenThe next step is to manufacture the coils 12, 13, 14, 15, 15 ', which in the particularly preferred embodiment consists of two layers 26, 27. The making of the first
Spulenlage 26 sowie der Zuleitungen und Anschlussflecken erfolgt mittels der folgenden Einzelschritte:Coil layer 26 and the supply lines and connection spots are carried out by means of the following individual steps:
Niederschlag oder Aufdampfen einer Kontaktschicht aus Leitermaterial mittels Kathodenzerstäubens, - Erzeugen einer Photomaske, die eine Negativform der zu erzeugenden Spulenlage 26 darstellt, dünnfilmtechnische bzw. galvanische Abformung von Leitern und Spulenlage, Strippen des Photoresists und Ätzen der Kontaktschicht.Precipitation or vapor deposition of a contact layer made of conductor material by means of cathode sputtering, - Generation of a photomask, which represents a negative form of the coil layer 26 to be produced, thin film technology or galvanic impression of Conductors and coil layer, stripping the photoresist and etching the contact layer.
Daraufhin wird diese Spulenlage 26 isoliert, wobei wiederum ein photoempfindliches Epoxydharz 31 zum Einsatz kommt. In den Bereichen der aufwärtsweisenden Arme 16 der Joche und zur Herstellung eines elektrisch leitfähigen Vias 28, also von Durchführungen 28 zur nächsthöheren Spulenlage, erhält die Schicht geeignete Fenster.This coil layer 26 is then isolated, again using a photosensitive epoxy resin 31. In the areas of the upward-pointing arms 16 of the yokes and for the production of an electrically conductive vias 28, that is to say of feedthroughs 28 to the next higher coil position, the layer receives suitable windows.
Danach erfolgt die Fabrikation der elektrisch leitfähigen Durchführungen mittels dünnfilmtechnischer bzw. galvanischer Abformung. Nun folgt die Herstellung der zweiten Spulenlage 27, die in der Schrittfolge mit denen zur Herstellung der ersten Spulenlage 26 im wesentlichen übereinstimmt.The electrically conductive bushings are then fabricated using thin-film or galvanic molding. Now follows the production of the second coil layer 27, which in the sequence of steps essentially corresponds to that for the production of the first coil layer 26.
Auf der fertiggestellten zweite Spulenlage 27 wird wiederum eine organische, photoempfindliche Isolierschicht 31 hergestellt, die wiederum im Bereich der Magnetpole Fenster erhält. Eine galvanische Verstärkung der Kontaktflecken, hierzu ist erneut eine Photomaskierung erforderlich, um nur an den Kontaktpads oder -flecken Schichtaufbau zu erzielen, schließt den Spulenaufbau ab.An organic, photosensitive insulating layer 31 is in turn produced on the finished second coil layer 27, which in turn receives windows in the area of the magnetic poles. A galvanic reinforcement of the contact patches, this again requires photomasking, in order to achieve layer build-up only on the contact pads or patches, completes the coil assembly.
Die Fertigstellung des Magnetsystems erfolgt mit dem galvanischen Aufwachsen der aufwärtsweisenden Arme oder Magnetpole 16, gefolgt von einer Planarisierung des Wafers.The magnet system is completed by galvanically growing the upward-pointing arms or magnetic poles 16, followed by planarization of the wafer.
Den Abschluß bildet eine Passivierung des gesamten Wafers 23 mit Ausnahme der Kontaktpads, denn diese werden vorher mittels einer Photomaske abgedeckt, durch Aufbringen einer Passivierungsschicht 29. Auch der obere Wafer 21 besteht im wesentlichen aus Silizium, weist jedoch auf seiner Oberfläche eine Schicht aus Siliziumdioxid auf, die als Opferschicht dient. Auf diesem Wafer erfolgt, wie bereits erwähnt, der Aufbau der kardanisch aufgehängten Plattform 3 sowie der Magnetschenkel aus einem Abschnitt 17, 18, 19, 20 weich- oder weich- und hartmagnetischen Materials zu deren Antrieb.The conclusion is a passivation of the entire wafer 23 with the exception of the contact pads, because these are covered beforehand by means of a photomask by applying a passivation layer 29. The upper wafer 21 also consists essentially of silicon, but has a layer of silicon dioxide on its surface, which serves as a sacrificial layer. As already mentioned, the gimbal-suspended platform 3 and the magnetic legs are constructed on this wafer from a section 17, 18, 19, 20 of soft or soft and hard magnetic material for driving them.
Die Herstellung der Plattform 3 bzw. der ersten und zweiten, als Träger dienenden schwenkbaren Einrichtungen folgt mittels einschlägiger Prozesse der Siliziummechanik.The platform 3 or the first and second pivotable devices serving as supports are produced by means of relevant processes in silicon mechanics.
Zunächst wird die Opferschicht in Bereichen entfernt, in welchen die Verankerung 30 der Festkörpergelenke der kardanisch aufgehängten Plattform 3 erfolgt. Die Schrittfolge hierfür ist:First, the sacrificial layer is removed in areas in which the anchoring 30 of the solid-state joints of the gimbal-suspended platform 3 takes place. The sequence of steps for this is:
Erzeugen einer Photomaske, reaktives Ätzen des Siliziumdioxids und - Strippen der Maske.Generation of a photomask, reactive etching of the silicon dioxide and stripping of the mask.
Nun erfolgt ein ganzflächiges Aufbringen einer Schicht aus polykristallinem Silizium (Polysilizium) , woraus später die Stege, bzw. Festkörpergelenke 4, 6, der zweite Träger bzw. Kardanring 5 und der erste Träger 3 bzw. die Plattformstruktur entstehen.A layer of polycrystalline silicon (polysilicon) is then applied over the entire surface, from which later the webs or solid joints 4, 6, the second carrier or gimbal ring 5 and the first carrier 3 or the platform structure arise.
Als nächstes erfolgt das Erzeugen der Kavität im Wafer 21 im Bereich des ersten Trägers 3.The next step is to generate the cavity in the wafer 21 in the region of the first carrier 3.
Hierzu wird die in den Figuren nach oben zeigende Rückseite des Wafers 21 mittels einer Photomaske maskiert und die Kavität mittels anisotropen Ätzens geformt. Die nächsten Fertigungsschritte finden wiederum an der Waferoberflache, welche in den Figuren nach unten weisend gezeigt ist, statt. Mittels einer Photomaske wird die Struktur von Stegen bzw. Festkörpergelenken 4, 6, zweitem Träger bzw. Kardanring 5 und erstem Träger bzw. Plattform 3 definiert und anschließend durch reaktives Ätzen erzeugt.For this purpose, the rear side of the wafer 21 pointing upwards in the figures is masked by means of a photomask and the cavity is shaped by means of anisotropic etching. The next Manufacturing steps again take place on the wafer surface, which is shown in the figures facing downwards. The structure of webs or solid-state joints 4, 6, second carrier or gimbal ring 5 and first carrier or platform 3 is defined by means of a photomask and then produced by reactive etching.
Danach wird die obere Flussführung aufgebracht, die Schrittfolge entspricht der beim Herstellen der unteren Magnetschenkel des unteren Wafers 23 diskutierten Folge.The upper flux guide is then applied, the sequence of steps corresponds to the sequence discussed in the manufacture of the lower magnetic legs of the lower wafer 23.
Zum Abschluß wird mittels reaktivem Ätzen die Opferschicht entfernt und damit die kardanisch aufgehängte Plattform 3 freigelegt.Finally, the sacrificial layer is removed by means of reactive etching and thus the gimbaled platform 3 is exposed.
Soll die Plattform 3 als Spiegel dienen, wird die nach oben zeigende Waferoberflache mit einem reflektierenden Material 25 mittels Kathodenzerstäubung oder anderen geeigneten, dem Fachmann bekannten Beschichtungsverfahren beschichtet. Damit ist der Waferbearbeitungsprozess für beide Wafer 21, 23 abgeschlossen.If the platform 3 is to serve as a mirror, the upward-facing wafer surface is coated with a reflective material 25 by means of sputtering or other suitable coating processes known to the person skilled in the art. This completes the wafer processing process for both wafers 21, 23.
Als nächstes erfolgt die Herstellung des Gesamtsystems durch Verbinden der Wafer. Auf Grund des notwendigen Abstandes zwischen den beiden Wafern erfolgt dieses jedoch nicht direkt, vielmehr wird zwischen beiden eine Abstands- oder Spacerlage 22 eingebracht.The next step is to produce the overall system by connecting the wafers. However, due to the necessary distance between the two wafers, this does not take place directly; rather, a spacer or spacer layer 22 is introduced between the two.
Die Verbindung der drei Teile oberer Wafer 21, Abstandhalter 22 und unterer Wafer 23 erfolgt mittels eines dem Fachmann bekannten Halbleiter-Bondprozesses. Durch Trennschleifen erfolgt ein Vereinzeln in Einzelsysteme oder Arrays . Bei der nachfolgenden Beschreibung der verwendeten Werkstoffe wird zunächst auf die Werkstoffe des Magnetsystems Bezug genommen.The connection of the three parts of upper wafer 21, spacer 22 and lower wafer 23 takes place by means of a semiconductor bonding process known to the person skilled in the art. Separation is used to separate them into individual systems or arrays. In the following description of the materials used, reference is first made to the materials of the magnet system.
Für die Magnetschenkel kommt bevorzugt als weichmagnetisches Material ein Material mit hoher Sättigungsflussdichte zum Einsatz. Verwendet werden, beispielsweise als "Permalloy" bezeichnetes Nickel-Eisen, und zwar in den am meisten bevorzugten Ausführungsformen ein einer Zusammensetzung NiFe in at-% (81:19), oder NiFe in at-% 45:55, als "Sendust" bezeichnetes AlFeSi und NiFeTa. Da sich Nickel-Eisen galvanisch abscheiden läßt, ist es ein besonders bevorzugter Kandidat .A material with a high saturation flux density is preferably used as the soft magnetic material for the magnetic legs. For example, nickel iron called "Permalloy" is used, in the most preferred embodiments a composition of NiFe in at% (81:19), or NiFe in at% 45:55, called "Sendust" AlFeSi and NiFeTa. Since nickel-iron can be electrodeposited, it is a particularly preferred candidate.
Wird am ersten und/oder am zweiten Träger 3, 5 ein Abschnitt eines permanent- oder hartmagnetischen Materials angeordnet, wird das permanent- oder hartmagnetische Material aus der Gruppe ausgewählt, welche Cobalt-Chrom-Tantal-Verbindungen und -Legierungen, Cobalt-Platin-Chrom-Verbindungen und -If a section of a permanent or hard magnetic material is arranged on the first and / or on the second carrier 3, 5, the permanent or hard magnetic material is selected from the group consisting of cobalt-chromium-tantalum compounds and alloys, cobalt-platinum Chromium compounds and -
Legierungen, Cobalt-Platin-Chrom-Tantal-Verbindungen und - Legierungen, Cobalt-Samarium-Verbindungen und -Legierungen, Neodym-Eisen-Bor-Verbindungen und -Legierungen und Kombinationen aus diesen Verbindungen und Legierungen umfaßt.Alloys, cobalt-platinum-chrome-tantalum compounds and alloys, cobalt-samarium compounds and alloys, neodymium-iron-boron compounds and alloys and combinations of these compounds and alloys.
Bevorzugtes Leitermaterial für Zuleitungen und Spulenlagen 26, 27 ist Kupfer, da es wesentlich geringere Neigung zu Elektromigration zeigt als andere Leiter. Prinzipiell lassen sich aber auch andere elektrisch leitende Werkstoffe einsetzen. Als Isolator eignen sich anorganische Werkstoffe wie A1203 oder Si02, die auch als Passivierungsschicht 29 verwendbar sind. Ferner sind aber auch organische Werkstoffe einsetzbar, die insbesondere dann von Vorteil sind, wenn sie sich photolithographisch strukturieren lassen.The preferred conductor material for supply lines and coil layers 26, 27 is copper, since it shows a significantly lower tendency to electromigration than other conductors. In principle, however, other electrically conductive materials can also be used. Inorganic materials such as A1 2 0 3 or Si0 2 , which can also be used as a passivation layer 29, are suitable as insulators. Furthermore, organic materials can also be used, which are particularly advantageous if they can be structured photolithographically.
Ein photoempfindliches Epoxydharz mit der Markenbezeichnung SU8 ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit für die photolithographische Strukturierung besonders gut geeignet.A photosensitive epoxy resin with the brand name SU8 is particularly well suited for photolithographic structuring without restricting generality.
Als Werkstoff für die kardanisch aufgehängte Plattform eignen sich besonders polykristallines Silizium (Polysilizium) oder Siliziumdioxid (Si02) . Soll die Plattform als Spiegel dienen, wird die Oberfläche mit Gold oder Aluminium metallisiert.Polycrystalline silicon (polysilicon) or silicon dioxide (Si0 2 ) are particularly suitable as the material for the gimbaled platform. If the platform is to serve as a mirror, the surface is metallized with gold or aluminum.
Obwohl die Erfindung anhand einer Vorrichtung beschrieben wurde, bei welcher die das Magnetfeld erzeugenden Spulen nicht beweglich angeordnet waren, umfaßt die Erfindung auch schwenkbare Vorrichtungen, bei welchen felderzeugende Spulen an den schwenkbaren Einrichtungen 3, 5 angeordnet sind. Bei derartigen Ausführungsfor en können die als Stege ausgebildeten Festkörpergelenke 4, 6 Leiterbahnen zur Ansteuerung dieser Spulen tragen.Although the invention has been described with reference to a device in which the coils generating the magnetic field were not arranged to be movable, the invention also includes pivotable devices in which field-generating coils are arranged on the pivotable devices 3, 5. In such embodiments, the solid-state joints 4, 6 designed as webs can carry conductor tracks for controlling these coils.
Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, Spulen nur an den schwenkbaren Trägern anzuordnen und hart- oder weichmagnetische Joche am stationären Substrat 23 auszubilden. Furthermore, it is within the scope of the invention to arrange coils only on the pivotable supports and to form hard or soft magnetic yokes on the stationary substrate 23.

Claims

Patentansprüche claims
1. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung umfassend eine erste Einrichtung (2) zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welche an oder in einem Substrat (33) ausgebildet ist, einen ersten schwenkbaren Träger (3), auf welchen durch das erzeugte Magnetfeld Kräfte ausübbar sind, die eine Schwenkbewegung des ersten schwenkbaren Trägers (3) bewirken.1. Magnetically driven swiveling device comprising a first device (2) for generating a magnetic field, which is formed on or in a substrate (33), a first swiveling carrier (3), on which forces generated by the generated magnetic field can be exerted Cause pivoting movement of the first pivotable carrier (3).
2. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste schwenkbare Träger (3) von einem zweiten schwenkbaren Träger (5) gehalten ist, welcher um eine senkrecht zur Schwenkachse X des ersten Trägers verlaufende zweite Schwenkachse Y schwenkbar ist.2. Magnetically driven pivotable device according to claim 1, characterized in that the first pivotable carrier (3) is held by a second pivotable carrier (5) which is pivotable about a second pivot axis Y extending perpendicular to the pivot axis X of the first carrier.
3. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, ferner gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung (7) zur Erzeugung eines zweiten Magnetfeldes, welche Kräfte auf den ersten und/oder zweiten Träger (3, 5) ausübt, die eine Schwenk- oder Kippbewegung des ersten und/oder zweiten Trägers (3, 4) bewirken.3. Magnetically driven pivotable device according to claim 1 or 2, further characterized by a second device (7) for generating a second magnetic field, which exerts forces on the first and / or second carrier (3, 5), which has a pivoting or tilting movement of the first and / or second carrier (3, 4).
4. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach4. Magnetically driven swiveling device after
Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Einrichtung (2, 7) zur Erzeugung eines Magnetfeldes jeweils mindestens zwei ein Magnetfeld erzeugende Anordnungen (8, 9, 10, 11; 12, 13, 14, 15, 16) umfassen, wobei die mindestens zwei Magnetfeld erzeugenden Anordnungen (8, 9, 10, 11; 12, 13, 14, 15, 16) getrennt voneinander ansteuerbar sind. Claim 1, 2 or 3, characterized in that the first and second means (2, 7) for generating a magnetic field each have at least two arrangements (8, 9, 10, 11; 12, 13, 14, 15, 16 ), the at least two magnetic field generating arrangements (8, 9, 10, 11; 12, 13, 14, 15, 16) being controllable separately from one another.
5. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung des ersten und/oder des zweiten Trägers (3, 5) Stege (4, 6) umfaßt.5. Magnetically driven pivotable device according to one of the preceding claims, characterized in that the attachment of the first and / or the second carrier (3, 5) webs (4, 6).
6. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Träger (3, 5) Teil auf einem Siliziumsubstrat (21) aufgebaut sind.6. Magnetically driven swivel device according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second carrier (3, 5) part are constructed on a silicon substrate (21).
7. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumverbindung des ersten und zweiten Trägers (3, 5) Polysilizium und/oder Siliziumdioxid enthält.7. Magnetically driven pivotable device according to claim 6, characterized in that the silicon connection of the first and second carrier (3, 5) contains polysilicon and / or silicon dioxide.
8. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Einrichtung (2, 7) zur Erzeugung eines Magnetfeldes in Dünnfilmtechnik bzw. galvanisch hergestellte Spulen (26, 27) umfaßt.8. Magnetically driven pivotable device according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or second device (2, 7) for generating a magnetic field in thin film technology or electroplated coils (26, 27).
9. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und/oder zweite Einrichtung (2, 7) zur Erzeugung eines Magnetfeldes ein Joch (8, 9, 10, 11) aus einem weichmagnetischem Material umfaßt.9. Magnetically driven pivotable device according to one of the preceding claims, characterized in that the first and / or second means (2, 7) for generating a magnetic field comprises a yoke (8, 9, 10, 11) made of a soft magnetic material.
10. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß am ersten und/oder am zweiten Träger (3, 5) ein Abschnitt (17, 18, 19, 20) eines weichmagnetischen Materials angeordnet ist, welcher zumindest teilweise von einem Magnetfeld der ersten oder zweiten Einrichtung (2, 7) zur Erzeugung eines Magnetfeldes durchdrungen ist.10. Magnetically driven swivel device according to one of the preceding claims, characterized in that on the first and / or on the second carrier (3, 5) a section (17, 18, 19, 20) of a soft magnetic material is arranged, which at least partially by one Magnetic field of first or second device (2, 7) for generating a magnetic field is penetrated.
11. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Nickel-Eisen-Verbindungen und -Legierungen, Aluminium- Eisen-Silizium-Verbindungen und -Legierungen, Nickel-Eisen- Tantal-Verbindungen und -Legierungen und Kombinationen aus diesen Verbindungen und Legierungen umfaßt.11. Magnetically driven swiveling device according to claim 9 or 10, characterized in that the soft magnetic material is selected from the group consisting of nickel-iron compounds and alloys, aluminum-iron-silicon compounds and alloys, nickel-iron Tantalum compounds and alloys and combinations of these compounds and alloys.
12. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das weichmagnetische Material ein Material aus der Gruppe umfaßt, welches Nickel- Eisen-Verbindungen oder -Legierungen in einer Zusammensetzung Ni:Fe von 81:19 at-% oder 45:55 at-% enthält.12. Magnetically driven swiveling device according to claim 11, characterized in that the soft magnetic material comprises a material from the group comprising nickel-iron compounds or alloys in a composition Ni: Fe of 81:19 at% or 45:55 at-% contains.
13. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche von 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß am ersten und/oder am zweiten Träger (3, 5) ein Abschnitt (17, 18, 19, 20) eines permanent- oder hartmagnetischen Materials angeordnet ist, welcher zumindest teilweise von einem Magnetfeld der ersten oder zweiten Einrichtung (2, 7) zur Erzeugung eines Magnetfeldes erfaßt ist.13. Magnetically driven pivotable device according to one of the preceding claims from 1 to 9, characterized in that on the first and / or on the second carrier (3, 5) a section (17, 18, 19, 20) of a permanent or hard magnetic material is arranged, which is at least partially detected by a magnetic field of the first or second device (2, 7) for generating a magnetic field.
14. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das permanent- oder hartmagnetische Material aus der Gruppe ausgewählt ist, welche Cobalt-Chrom-Tantal-Verbindungen und -Legierungen, Cobalt-Platin-Chrom-Verbindungen und -Legierungen, Cobalt- Platin-Chrom-Tantal-Verbindungen und -Legierungen, Cobalt- Samarium-Verbindungen und -Legierungen, Neodym-Eisen-Bor- Verbindungen und -Legierungen und Kombinationen aus diesen Verbindungen und Legierungen umfaßt.14. Magnetically driven pivotable device according to claim 13, characterized in that the permanent or hard magnetic material is selected from the group consisting of cobalt-chromium-tantalum compounds and alloys, cobalt-platinum-chromium compounds and alloys, cobalt - Platinum-chrome-tantalum compounds and alloys, cobalt-samarium compounds and alloys, neodymium-iron-boron- Compounds and alloys and combinations of these compounds and alloys.
15. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 2 bis 14 dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Träger (3, 5) Teil eines ersten Siliziumsubstrats (21) oder auf einem ersten Siliziumsubstrag (21) sind und die erste und/oder zweite Einrichtung (3, 5) zur Erzeugung eines Magnetfeldes auf einem zweiten Silizium- Glas- oder Keramiksubstrat (23) ausgebildet sind.15. Magnetically driven pivotable device according to one of claims 2 to 14, characterized in that the first and second carriers (3, 5) are part of a first silicon substrate (21) or on a first silicon substrate (21) and the first and / or second device (3, 5) for generating a magnetic field on a second silicon glass or ceramic substrate (23) are formed.
16. Magnetisch angetriebene schwenkbare Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat16. Magnetically driven pivotable device according to claim 15, characterized in that the second substrate
(23) ein Silizium-, Keramik oder Glassubstrat ist, welches mit einer Passivierungsschicht (29) bedeckt ist und in welchem galvanisch Spulen (12, 13, 14, 15, 26, 27) zur Erzeugung eines Magnetfeldes unterhalb der Passivierungsschicht (29) angeordnet sind.(23) is a silicon, ceramic or glass substrate which is covered with a passivation layer (29) and in which galvanic coils (12, 13, 14, 15, 26, 27) are arranged below the passivation layer (29) to generate a magnetic field are.
17. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: das Aufbringen eines magnetischen Antriebssystems mit einer ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung (2, 7), auf ein Substrat (23) und das Ausbilden eines schwenkbaren Trägers (3, 5) in oder an einem Substrat (21) .17. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to one of the preceding claims, comprising: applying a magnetic drive system with a device (2, 7) generating a magnetic field to a substrate (23) and forming a pivotable carrier (3, 5) in or on a substrate (21).
18. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Antriebssystem (2, 7) auf einem ersten Substrat (23) und der schwenkbare Träger (3) in oder an einem zweiten Substrat (21) ausgebildet wird. 18. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to claim 17, characterized in that the magnetic drive system (2, 7) on a first substrate (23) and the pivotable carrier (3) in or on a second substrate (21) becomes.
19. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen des magnetischen Antriebssystems (2, 7) umfaßt das dünnfilmtechnische bzw. galvanischen Aufbringen von Magnetschenkeln (8, 9, 10, 11) auf dem ersten Substrat (23), welche geeignet sind, den magnetische Fluß eines Magnetfeldes zu leiten und das Aufbringen von in der Nähe der Magnetschenkel (8, 9, 10, 11) angeordneten, elektrisch leitfähigen Spulen (12, 13, 14, 15, 26, 27), welche geeignet sind, ein zeitlich veränderbares Magnetfeld in Abhängigkeit von dem durch diese hindurch fließenden Strom zu erzeugen.19. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to claim 17 or 18, characterized in that the application of the magnetic drive system (2, 7) comprises the thin-film or galvanic application of magnetic legs (8, 9, 10, 11) on the first substrate (23) which are suitable for guiding the magnetic flux of a magnetic field and the application of electrically conductive coils (12, 13, 14, 15, 26) arranged in the vicinity of the magnetic legs (8, 9, 10, 11) , 27), which are suitable for generating a time-variable magnetic field as a function of the current flowing through it.
20. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 17, 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der Magnetschenkel oder der parallel zur Substratoberfläche (23) verlaufenden Teile der Joche (8, 9, 10, 11) umfaßt den Niederschlag einer Kontaktschicht aus einem weichmagnetischen Werkstoff, das Erzeugen einer Photomaske, die ein Negativ der zu erzeugenden Magnetschenkelstruktur darstellt, die galvanische Abformung des Schenkels, das Strippen des Photoresists und das Entfernen der Kontaktschicht mittels Ionenstrahlätzen .20. A method for producing a magnetically driven swiveling device according to claim 17, 18 or 19, characterized in that the application of the magnetic legs or of the parts of the yokes (8, 9, 10, 11) running parallel to the substrate surface (23) comprises the precipitation a contact layer made of a soft magnetic material, the production of a photomask which represents a negative of the magnetic leg structure to be produced, the galvanic molding of the leg, the stripping of the photoresist and the removal of the contact layer by means of ion beam etching.
21. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufbringen der Magnetschenkel oder der parallel zur Substratoberfläche (23) verlaufenden Teile der Joche (8, 9, 10, 11) eine planarisierende Isolierschicht aufgebracht wird, wobei hierzu vorzugsweise ein photoempfindliches Epoxydharz verwendet wird.21. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to claim 20, characterized in that after the application of the magnetic leg or the parallel to the substrate surface (23) Parts of the yokes (8, 9, 10, 11) a planarizing insulating layer is applied, for which purpose a photosensitive epoxy resin is preferably used.
22. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 21, welches dadurch gekennzeichnet, daß in Bereichen, in welchen die Pole des Magnetsystems oder die aufwärtsgerichteten Arme (16) der Joche (8, 9, 10, 11) aufgewachsen werden, mittels photolithographischer Schritte hierfür Öffnung erzeugt werden.22. A method for producing a magnetically driven swivel device according to claim 21, characterized in that in areas in which the poles of the magnet system or the upward arms (16) of the yokes (8, 9, 10, 11) are grown, by means of photolithographic steps for this opening are generated.
23. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung einer ersten Spulenlage (26) sowie der Zuleitungen und Anschlußflecken zu der ersten Spulenlage umfaßt den Niederschlag einer Kontaktschicht aus elektrisch leitendem Material, das Erzeugen einer Photomaske, die eine Negativform der zu erzeugenden Spulenlage (26) darstellt, die galvanische Ausbildung von Leitern und Spulenlage (26), das Strippen des Photoresists und das Ätzen der Kontaktschicht.23. A method for producing a magnetically driven swiveling device according to one of claims 17 to 22, characterized in that the production of a first coil layer (26) and the leads and connection spots to the first coil layer comprises the precipitation of a contact layer made of electrically conductive material, the production of a photomask which represents a negative form of the coil layer (26) to be produced, the galvanic formation of conductors and coil layer (26), the stripping of the photoresist and the etching of the contact layer.
24. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spulenlage (26) durch Aufbringen einer Passivierungsschicht (29, 31) isoliert, wird. 24. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to claim 23, characterized in that the first coil layer (26) is isolated by applying a passivation layer (29, 31).
25. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden der Leiter der ersten Spulenlage (26) elektrisch leitende Durchgangsöffnungen (28) mittels galvanischer Abformung ausgebildet werden.25. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to claim 24, characterized in that at the ends of the conductors of the first coil layer (26) electrically conductive through openings (28) are formed by means of galvanic molding.
26. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine weitere, zweite Spulenlage (27) mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 21 oberhalb der ersten Spulenlage (26) ausgebildet wird.26. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to claim 25, characterized in that at least one further, second coil layer (27) is formed with the method steps of claim 21 above the first coil layer (26).
27. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 17 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Substrat (23) einen Wafer aus Silizium, Glas oder Keramikumfaßt, an dessen Oberfläche eine Schicht aus Siliziumdioxid ausgebildet ist, welche als Opferschicht dient.27. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to one of claims 17 to 26, characterized in that the second substrate (23) comprises a wafer made of silicon, glass or ceramic, on the surface of which a layer of silicon dioxide is formed, which as Sacrificial layer serves.
28. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Opferschicht in Bereichen entfernt wird, in welchen die Verankerung der Festkörpergelenke (4, 6) des ersten und zweiten Trägers (3, 5) erfolgt, wozu eine Photomaske erzeugt wird, und nachfolgend reaktives Ätzen des Siliziumdioxids und ein Strippen der Photomaske durchgeführt wird.28. A method for producing a magnetically driven swiveling device according to claim 27, characterized in that the sacrificial layer is removed in areas in which the solid joints (4, 6) of the first and second carrier (3, 5) are anchored, for which purpose Photomask is generated, and subsequently reactive etching of the silicon dioxide and stripping of the photomask is carried out.
29. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 28, ferner gekennzeichnet durch ein ganzflächiges Aufbringen einer Schicht aus polykristallinem Silizium auf den zweiten Wafer, um daraus nachfolgend die Festkörpergelenke (4, 6) und den ersten und zweiten Träger (3, 5) auszubilden.29. The method for producing a magnetically driven pivotable device according to claim 28, further characterized by applying a layer of polycrystalline silicon to the second wafer over the entire surface, in order to subsequently use the solid-state joints (4, 6) and the to form first and second carriers (3, 5).
30. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach Anspruch 27, 28 oder 29 dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite des Wafers (21) mittels einer Photomaske maskiert und die Kavität unterhalb der • Träger (3, 5) mittels anisotropem Ätzen geformt wird.30. A method of making a magnetically driven pivoting device according to claim 27, 28 or 29 characterized in that the backside of the wafer (21) masked by means of a photomask and the cavity below the • support (3, 5) is formed by means of anisotropic etching.
31. Verfahren zur Herstellung einer magnetisch angetriebenen schwenkbaren Vorrichtung nach einem der Ansprüche von 17 bis31. A method for producing a magnetically driven pivotable device according to any one of claims 17 to
30 dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung des Gesamtsystems durch Verbinden der Wafer (21, 23) unter Zwischenlegen eines Abstandshalters (22) erfolgt. 30 characterized in that the production of the overall system is carried out by connecting the wafers (21, 23) with the interposition of a spacer (22).
BezucrszeichenlisteBezucrszeichenliste
1 erfindungsgemäße Vorrichtung1 device according to the invention
2 erste Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 3 erster schwenkbarer Träger2 first device for generating a magnetic field 3 first pivotable carrier
4 Festkörpergelenk, Steg4 solid body joint, bridge
5 zweiter schwenkbarer Träger5 second swiveling carrier
6 Festkörpergelenk, Steg6 solid body joint, bridge
7 zweite Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds 8 E-förmiges Joch7 second device for generating a magnetic field 8 E-shaped yoke
9 E-förmiges Joch9 E-shaped yoke
10 E-förmiges Joch10 E-shaped yoke
11 E-förmiges Joch11 E-shaped yoke
12 Spule 13 Spule12 coil 13 coil
14 Spule14 coil
15 Spule15 coil
16 Arme der Joche16 arms of the yokes
17 Abschnitt mit weichmagnetischem Material 18 Abschnitt mit weichmagnetischem Material17 section with soft magnetic material 18 section with soft magnetic material
19 Abschnitt mit weichmagnetischem Material19 section with soft magnetic material
20 Abschnitt mit weichmagnetischem Material20 section with soft magnetic material
21 erstes Siliziumsubstrat21 first silicon substrate
22 Abstands- oder Spacerlage 23 zweites Siliziumsubstrat22 spacer or spacer layer 23 second silicon substrate
24 Siliziumdioxidschicht24 silicon dioxide layer
25 Spiegelschicht25 mirror layer
26 erste Spulenlage26 first coil position
27 zweite Spulenlage 28 Durchgangsöffnung oder Via27 second coil layer 28 through opening or via
29 Passivierungsschicht29 passivation layer
30 Verankerung30 anchoring
31 Isolierschicht 31 insulating layer
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