WO2009124608A1 - Mikromechanische elektrodenstruktur, entsprechendes herstellungsverfahren und mikroaktuatorvorrichtung - Google Patents

Mikromechanische elektrodenstruktur, entsprechendes herstellungsverfahren und mikroaktuatorvorrichtung Download PDF

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WO2009124608A1
WO2009124608A1 PCT/EP2008/066562 EP2008066562W WO2009124608A1 WO 2009124608 A1 WO2009124608 A1 WO 2009124608A1 EP 2008066562 W EP2008066562 W EP 2008066562W WO 2009124608 A1 WO2009124608 A1 WO 2009124608A1
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WO
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electrode
micromechanical
deflectable
electrode assembly
electrode structure
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Application number
PCT/EP2008/066562
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English (en)
French (fr)
Inventor
Tjalf Pirk
Stefan Pinter
Michael Krueger
Joerg Muchow
Joachim Fritz
Christoph Friese
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N1/00—Electrostatic generators or motors using a solid moving electrostatic charge carrier
    • H02N1/002—Electrostatic motors
    • H02N1/006—Electrostatic motors of the gap-closing type
    • H02N1/008—Laterally driven motors, e.g. of the comb-drive type

Definitions

  • Micromechanical electrode structure corresponding manufacturing method and Mikroaktuatorvor- direction
  • the present invention relates to a micromechanical electrode structure, to a corresponding production method and to a microactuator device.
  • a static tilting of a micromechanical device out of the chip plane can be achieved by various techniques.
  • One possibility is the utilization of the Lorenz force, wherein a corresponding magnetic field must be generated by extreme hard magnets.
  • Other options include an electrostatic plate drive or an electrostatic finger drive or comb drive.
  • FIGS. 4a, b are schematic perspective views of a known micromechanical electrode structure in the form of a finger structure or comb structure.
  • two fixed finger electrode structures or comb electrodes are designated by the reference symbols Fl and F2.
  • the fixed structures Fl, F2 are arranged in a first plane El.
  • two rotatable finger electrode structures or comb electrodes Dl, D2 are arranged, which extend at a right angle from a beam D defining an axis of rotation ROT.
  • Attached to one end of the bar D is a micromirror S, which, when corresponding potentials are applied, can be rotated about the fixed finger electrode structures F1 and F2 as well as on the rotatable finger electrode structures D1, D2 about the axis of rotation ROT.
  • the components of such a rotary drive are typically made of silicon. Not shown in Fig.
  • 4a, b are the usual one-sided clamping of the fixed finger structures Fl, F2 at their end facing away from the beam D and a clamping of the beam D or the micromirror S, for example via torsion springs on a holder.
  • the fact that the finger electrodes lie in different planes El, E2 makes it possible to exert an electrostatic force which moves the micromirror S out of the plane E2.
  • the force depends on the surface overlap between the finger electrodes in the direction of rotation. As long as the rotatable finger electrode structures D1, D2 are completely immersed in the fixed finger electrode structures F1 (see Fig. 4b), the generated torque does not decrease.
  • a restoring force is generated, which prevents further deflection and thus determines the maximum achievable angle.
  • the fingers clamped on one side as shown in FIGS. 4a, 4b are not very stable in the lateral direction and can not be stabilized simply by means of cross connections between the fingers above or below, since the fingers must interlock and should typically also be able to exit on both sides.
  • the fingers of the finger electrode structures should be as far away as possible from the axis of rotation.
  • a finger electrode structure is known, which is arranged on a frame remote from the axis of rotation, so as to improve the torque.
  • this leads to the fact that the tip of the fingers are already completely immersed in the fixed finger electrode structure at a low angular deflection.
  • the maximum distance of the fingertips from the axis of rotation is limited by the layer thicknesses for a given angular deflection.
  • the angle restriction can be defused, the maximum angle is then determined by the angle of the Vorlenkung.
  • micromechanical electrode structure according to the invention of claim 1, the Mikroaktuatorvor- direction according to claim 9 and the corresponding manufacturing method according to claim 12 have the advantage that they both an increase in torque with reduced risk of PuIl-in the fingers and a deflection around the rest position allows.
  • the electrode fingers of the rotatable electrode structure according to the present invention clamped on multiple or both sides have a lateral stabilization which is higher by a factor of typically 15 than known finger electrode structures.
  • the idea underlying the present invention is to clamp the electrode fingers of the rotatable electrode structure several times or both sides and to fix the electrodes of the fixed electrode structure in the form of ribs on a base plate.
  • both electrode structures have a high lateral stability.
  • the rotatable electrode structure and the fixed electrode structure can be clearly tilted against each other in the initial state to allow a wide immersion of the fingers without the fingers of the rotatable electrode structure on the lower side of the fingers of the fixed electrode structure reappear or abut against the base plate ,
  • the production process proposed according to the invention is based on established mass production steps and is a rapidly implementable, production-tested process on existing production machines.
  • the angle restriction can be canceled by mechanically pre-tilting the base plates with the static electrode structures.
  • the spring tension increases and torque and spring tension thus increase simultaneously.
  • each electrode rib already partially immersed in a corresponding opening in the rest position. This simplifies the deflection from the rest position.
  • the fixed electrode arrangement has a second base plate and at least one second electrode rib provided thereon, the deflectable electrode arrangement having a second plurality of electrode fingers provided on the first beam, which are connected to one another by a third beam Electrode fingers, the first beam and the third beam defining a corresponding second number of openings, and wherein the fixed electrode assembly and the deflectable electrode assembly are arranged such that each second electrode rib is aligned with a corresponding one of the second number of opening and at a Deflection of the deflectable electrode assembly changes the orientation.
  • the first and second base plates are tilted in opposite directions with respect to the deflectable electrode arrangement.
  • a symmetrically deflectable arrangement can be created.
  • the second beam or the third beam are provided at an end remote from the first beam of the electrode fingers.
  • the electrode fingers have one or more outer electrode fingers, which have a bevelled shape such that they counteract a lateral deflection.
  • the fixed electrode arrangement and the deflectable electrode arrangement are made of silicon.
  • FIG. 1 a, b are schematic perspective views of a micromechanical electrode structure according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of an embodiment of a microactuator device according to the invention with a micromechanical electrode structure according to a second embodiment of the present invention
  • FIGS. 4a, b are schematic perspective views of a known micromechanical electrode structure in the form of a finger structure or comb structure.
  • FIGS. 1a, b are schematic perspective views of a micromechanical electrode structure according to a first embodiment of the present invention.
  • reference numeral 50 designates an embodiment of a micromechanical electrode structure according to the invention.
  • the electrode structure 50 comprises a fixed electrode structure F, which has a first and a second base plate 1a, 1b, on each of which a plurality of parallel, spaced-apart electrode ribs 2a, 2b, 2c or 2d, 2e, 2f is provided.
  • the two base plates Ia, Ib are tilted in opposite directions with respect to an overlying rotatable finger electrode structure D.
  • the rotatable finger electrode structure D has a central bar 5, on each of which a plurality of electrode fingers 5a, 5b, 5c, 5d or 5e, 5f, 5g, 5h is attached on both sides.
  • a first clamping bar 15 is provided at the ends of the fingers 5a, 5b, 5c, 5d, and a second clamping bar 25 is also provided at the ends of the fingers 5e, 5f, 5g 5h.
  • clamping bars 15, 25 give the fingers 5a, 5b, 5c, 5d or 5d, 5e, 5f, 5g increased lateral stability.
  • the electrode rings 5a-5h, the beam 5 and the two clamping bars 15, 25 define a number of openings 01-06, the fixed electrode assembly F and the deflectable electrode assembly D being arranged such that each first electrode rib 2a-2f faces a corresponding opening 01-06 is aligned and changes in a deflection of the deflectable electrode assembly D, the orientation.
  • each electrode rib 2a-2f in the rest position is partially immersed in a corresponding opening 01-06.
  • the arrangement of the fixed electrode structure F with the tilted base plates Ia, Ib with respect to the rotatable electrode structure D is such that, using the beam 5 as a rotation axis, the fixed electrode structure F can further dip into the rotatable electrode structure D on both sides.
  • the electrode ribs 2a, 2b, 2c and 2d, 2e, 2f do not grip from the side between the fingers 5a, 5b, 5c, 5d and 5e, 5f, 5g, 5h, respectively, but from below.
  • the clamping bars 15, 25 can be provided, which substantially increase the stability.
  • the connections of the fingers to the beam 5 can be carried out in an optimized manner, or the beam 5 itself can be reinforced or the external fingers can be made particularly strong (see FIG. 2). Since the fingers 5a, 5b, 5c, 5d and 5e, 5f, 5g, 5h vibrate out of their original plane during a rotation, and the stronger the longer they are, the base plates 1a, 1b should expediently be tilted by the maximum deflection angle Fingers 5a, 5b, 5c, 5d and 5e, 5f, 5g, 5h plus a safety distance be steered.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of an embodiment of a microactuator device according to the invention with a micromechanical electrode structure according to a second embodiment of the present invention.
  • the Mikroaktuatorvoriques is an actuator device for rotating a micromirror 10, which is clamped by webs 8 a, 8 b in an annular holder 7. Attached to opposite ends 55a, 55b of the annular post 7 are respective center bars 5 'and 5 ", respectively, of first and second micromechanical electrode structures 50a, 50b, respectively, as discussed above with respect to FIG. 1 a rotation axis RED
  • the outer fingers 5a ', 5d', 5e ', 5h' of the first and second rotatable electrode structure have a different shape than the fingers 5b, 5c, 5f, 5g.
  • the shape of the outer fingers 5a ', 5d', 5e ', 5h' is designed obliquely so that it additionally counteracts due to their bevel to the outside of a transverse bending.
  • reference numeral 1 denotes a standard semiconductor substrate, for example, a silicon semiconductor substrate.
  • a sacrificial oxide layer 40 is deposited and patterned, i. H. partially removed.
  • an epitaxial silicon start layer 41 is preferably applied to the patterned sacrificial oxide layer 40.
  • the sacrificial layer 40 is interrupted in predetermined regions VIa, VIb.
  • the starting layer 41 allows uniform growth of a functional layer 45 of polysilicon, from which later both the electrodes of the rotatable electrode structure and the ribs of the fixed electrode structure are formed by a corresponding etching process.
  • a cavity K is first etched back into the semiconductor substrate 1 from its rear side. This is done by a suitable anisotropic wet etching process.
  • a structuring of the semiconductor substrate 1 takes place within the cavity K by means of a corresponding trench etching process, which is carried out on the sacrificial oxide layer 40 stops.
  • the base plates 1a, 1b of the fixed electrode structure are formed, as can be seen in FIG. 3c.
  • the functional layer 45 which is preferably epitaxially applied polysilicon or an SOI substrate, is structured from the front side. This is done by a known Trenchierrak in which both the movable electrode structure D and the ribs 2a, 2b, 2d, 2e of the fixed electrode structure F are generated. This leads to the process state shown in FIG.
  • the sacrificial oxide layer 40 is then etched in order to separate the rotatable finger electrode structure D from the stationary electrode structure F. It should be noted that the firmly attached areas, such as the ribs 2a, 2b, 2d, 2e, are protected from too much undercutting.
  • the base plates need not be tilted in the case of small deflections, and the ribs also do not have to dive into the openings when they are at rest.
  • the ribs also do not have to dive into the openings when they are at rest.
  • several stabilizer bars may be provided over the length of the finger electrodes, and correspondingly a plurality of rows of ribs.
  • the electrode assembly need not be symmetrical to the center beam, but may also be formed only on one side.

Abstract

Die Erfindung schafft eine mikromechanische Elektrodenstruktur, ein entsprechendes Herstellungsverfahren und eine Mikroaktuatorvorrichtung. Die Elektrodenstruktur umfasst eine feststehende Elektrodenanordnung (F) und eine auslenkbare Elektrodenanordnung (D); wobei die feststehende Elektrodenanordnung (F) eine erste Grundplatte (1a; 1b) und mindestens eine darauf vorgesehene erste Elektrodenrippe (2a-2f) aufweist; wobei die auslenkbare Elektrodenanordnung (D) einen ersten Balken (5) aufweist, an dem eine erste Mehrzahl von Elektrodenfingern (5a-5h; 5a', 5b-5f, 5f') vorgesehen ist, welche durch einen zweiten Balken (15; 25) miteinander verbunden sind; wobei die Elektrodenfinger (5a-5h; 5a', 5b-5f, 5f'), der erste Balken (5) und der zweite Balken (15; 25) eine entsprechende erste Anzahl von Öffnungen (O1-O6) definieren; und wobei die feststehende Elektrodenanordnung (F) und die auslenkbare Elektrodenanordnung (D) derart angeordnet sind, dass jede erste Elektrodenrippe (2a-2f) zu einer entsprechenden Öffnung (O1-O6) ausgerichtet ist und sich bei einer Auslenkung der auslenkbaren Elektrodenanordnung (D) die Ausrichtung ändert.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanische Elektrodenstruktur, entsprechendes Herstellungsverfahren und Mikroaktuatorvor- richtung
STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine mikromechanische Elektrodenstruktur, ein entsprechendes Herstellungsverfahren und eine Mikroaktuatorvorrichtung.
Eine statische Verkippung eines mikromechanischen Bauelements aus der Chipebene heraus lässt sich durch verschiedene Techniken erreichen. Eine Möglichkeit besteht in der Ausnutzung der Lorenzkraft, wobei ein entsprechendes Magnetfeld durch extreme Hartmagnete erzeugt werden muss. Weitere Möglichkeiten sind ein elektrostatischer Plattenantrieb bzw. ein elektrostatischer Fingerantrieb bzw. Kamm- antrieb.
Fig. 4a, b sind schematische perspektivische Ansichten einer bekannten mikromechanischen Elektrodenstruktur in Form einer Fingerstruktur bzw. Kammstruktur.
In Fig. 4a, b sind zwei feststehende Fingerelektrodenstrukturen bzw. Kammelektroden mit den Bezugszeichen Fl bzw. F2 bezeichnet. Die feststehenden Strukturen Fl, F2 sind in einer ersten Ebene El angeordnet. In einer darüberliegenden zweiten Ebene E2 sind zwei drehbare Fingerelektrodenstrukturen bzw. Kammelektroden Dl, D2 angeordnet, welche sich unter einem rechten Winkel von einem Balken D aus erstrecken, der eine Drehachse ROT definiert. An einem Ende des Balkens D angebracht ist ein Mikrospiegel S, welcher bei Anlegen entsprechender Potenziale an die feststehenden Fingerelektrodenstrukturen Fl und F2 sowie an die drehbaren Fingerelektrodenstrukturen Dl, D2 um die Drehachse ROT drehbar ist. Die Komponenten eines derartigen Drehantriebs sind typischerweise aus Silizium hergestellt. Nicht gezeigt in Fig. 4a, b sind die übliche einseitige Einspannung der feststehenden Fingerstrukturen Fl, F2 an deren vom Balken D abgewandten Ende sowie eine Einspannung des Balkens D bzw. des Mikrospiegels S, z.B. über Torsionsfedern an einer Halterung. Die Tatsache, dass die Fingerelektroden in verschiedenen Ebenen El, E2 liegen ermöglicht es, eine e- lektrostatische Kraft auszuüben, die den Mikrospiegel S aus der Ebene E2 bewegt Die Kraft ist abhängig von der Flächenüberlappung zwischen den Fingerelektroden in Drehrichtung. Solange die drehbaren Fingerelektrodenstrukturen Dl, D2 vollständig in die feststehenden Fingerelektrodenstrukturen Fl eingetaucht sind (siehe Fig. 4b) nimmt das erzeugte Drehmoment nicht ab. Bei Austauchen der drehbaren Fingerelektrodenstrukturen Dl, D2 in eine Ebene unterhalb der Ebene El wird jedoch eine rücktreibende Kraft erzeugt, die eine weitere Auslenkung verhindert und so den maximal erreichbaren Winkel bestimmt.
Die gemäß Fig. 4a, 4b einseitig eingespannten Finger sind lateral wenig stabil und lassen sich nicht einfach durch ober- oder unterhalb angebrachte Querverbindungen zwischen den Fingern stabilisieren, da die Finger ineinandergreifen müssen und typischerweise auch auf beiden Seiten austreten können sollten.
Um ein möglichst großes Drehmoment zu erzeugen, sollten die Finger der Fingerelektrodenstrukturen möglichst weit weg von der Drehachse sein. Aus der US 2005/0117235 Al ist eine Fingerelektrodenstruktur bekannt, die an einem Rahmen entfernt von der Drehachse angeordnet ist, um so das Drehmoment zu verbessern. Dies führt allerdings dazu, dass die Spitze der Finger bereits bei geringer Winkelauslenkung komplett in die feststehende Fingerelektrodenstruktur eingetaucht sind. Der maximale Ab- stand der Fingerspitzen von der Drehachse ist bei vorgegebener Winkelauslenkung durch die Schichtdicken begrenzt. Durch mechanisches Vorverkippen der feststehenden Fingerelektroden kann die Winkelbeschränkung entschärft werden, der maximale Winkel ist dann durch den Winkel der Vorauslenkung bestimmt.
Allerdings nimmt mit zunehmender Fingerlange die laterale Stabilität der Finger der Fingerelektrodenstrukturen mit der vierten Potenz ab. Da der Abstand der Finger voneinander zur Maximierung der Drehmomenterzeugung aber möglichst gering gewählt werden sollte, besteht die Gefahr eines lateralen Einzugs bzw. PuIl-In. Außerdem muss auch in Ruhelage bereits eine Kraft erzeugt werden, es kann also nicht ein kurzer Finger weit weg von der Achse angebracht werden, da dieser bei 0° noch nicht auf die vorausgelenkten, feststehenden Fingerelektroden wirkt. Auch bei vorausgelenkten Elektroden ist daher die maximale Auslenkung begrenzt, und zwar durch das erreichbare Drehmoment. VORTEILE DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße mikromechanische Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, die Mikroaktuatorvor- richtung nach Anspruch 9 und das entsprechende Herstellungsverfahren nach Anspruch 12 weisen den Vorteil auf, dass sie sowohl eine Erhöhung des Drehmoments mit vermindertem Risiko eines PuIl-In der Finger als auch eine Auslenkung um die Ruhelage ermöglicht.
Die mehrfach bzw. beidseitig eingespannten Elektrodenfinger der drehbaren Elektrodenstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung besitzen eine um einen Faktor von typischerweise 15 höhere laterale Stabili- tat als bekannte Fingerelektrodenstrukturen.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die Elektrodenfinger der drehbaren Elektrodenstruktur mehrfach bzw. beidseitig einzuspannen und die Elektroden der feststehenden Elektrodenstruktur in Form von Rippen auf einer Grundplatte zu fixieren. Dadurch besitzen beide Elektro- denstrukturen eine hohe laterale Stabilität. Die drehbare Elektrodenstruktur und die feststehende Elektrodenstruktur können im Ausgangszustand deutlich gegeneinander verkippt sein, um ein weites Eintauchen der Finger ineinander zu ermöglichen, ohne dass die Finger der drehbaren Elektrodenstruktur auf der unteren Seite der Finger der feststehenden Elektrodenstruktur wieder auftauchen bzw. gegen die Grundplatte stoßen können.
Somit ermöglicht die Erfindung lange stabile Finger einer Fingerelektrodenstruktur, welche ein hohes Drehmoment bei geringem Platzbedarf aufbringen können. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die Kosten aus und ermöglicht einen kompakten Systemaufbau.
Bei Verwendung steiferer Finger lässt sich eine bessere Schockfestigkeit erzielen. Es gibt nur eine geringe Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den Fingern der feststehenden Elektrodenstruktur und den Fingern der drehbaren Elektrodenstruktur. Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Herstellungsprozess basiert auf etablierten Massenfertigungsschritten und ist ein schnell umsetzbarer fertigungserprobter Pro- zess auf vorhandenen Produktionsmaschinen.
Erfindungsgemäß kann zudem durch mechanisches Vorverkippen der Grundplatten mit dem statischen Elektrodenstrukturen die Winkelbeschränkung aufgehoben werden. Mit zunehmender Überlappung der Elektroden nimmt die Federspannung zu und Drehmoment und Federspannung steigen somit gleichzeitig an. In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung taucht jede Elektrodenrippe bereits in Ruhelage teilweise in eine entsprechende Öffnung ein. Dies vereinfacht die Auslenkung aus der Ruhelage.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die feststehende Elektrodenanordnung eine zweite Grundplatte und mindestens eine darauf vorgesehene zweite Elektrodenrippe auf, wobei die aus- lenkbare Elektrodenanordnung eine an dem ersten Balken vorgesehene zweite Mehrzahl von Elektrodenfingern aufweist, welche durch einen dritten Balken miteinander verbunden sind, wobei die Elektrodenfinger , der erste Balken und der dritte Balken eine entsprechende zweite Anzahl von Öffnungen definieren, und wobei die feststehende Elektrodenanordnung und die auslenkbare Elektrodenanordnung derart angeordnet sind, dass jede zweite Elektrodenrippe zu einer entsprechenden der zweiten Anzahl von Öff- nung ausgerichtet ist und sich bei einer Auslenkung der auslenkbaren Elektrodenanordnung die Ausrichtung ändert.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die erste und zweite Grundplatte in entgegengesetzte Richtungen bezüglich der auslenkbaren Elektrodenanordnung verkippt angeordnet. So lässt sich eine symmetrisch auslenkbare Anordnung schaffen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind der zweite Balken bzw. der dritte Balken an einem vom ersten Balken entfernten Ende der Elektrodenfinger vorgesehen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Elektrodenfinger einen oder mehrere äußere Elektrodenfinger auf, welche eine derart angeschrägte Form aufweisen, dass sie einer lateralen Auslenkung entgegenwirkt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung sind die feststehende Elektrodenanordnung und die auslenkbare Elektrodenanordnung aus Silizium hergestellt.
ZEICHNUNGEN Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 a,b schematische perspektivische Ansichten einer mikromechanischen Elektrodenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsge- mäßen Mikroaktuatorvorrichtung mit einer mikromechanischen Elektrodenstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3a-d schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens; und
Fig. 4a,b schematische perspektivische Ansichten einer bekannten mikromechanischen Elektrodenstruktur in Form einer Fingerstruktur bzw. Kammstruktur.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
Fig. la,b sind schematische perspektivische Ansichten einer mikromechanischen Elektrodenstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 bezeichnet Bezugszeichen 50 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Elektrodenstruktur. Die Elektrodenstruktur 50 umfasst eine feststehende Elektrodenstruktur F, welche eine erste und zweite Grundplatte Ia, Ib aufweist, auf der jeweils eine Mehrzahl paralleler, voneinander beabstandeter Elektrodenrippen 2a, 2b, 2c bzw. 2d, 2e, 2f vorgesehen ist. Die beiden Grund- platten Ia, Ib sind in entgegen gesetzte Richtungen in Bezug auf eine darüberliegende drehbare Fingerelektrodenstruktur D verkippt. Die drehbare Fingerelektrodenstruktur D weist einen zentralen Balken 5 auf, an dem beidseitig jeweils eine Mehrzahl von Elektrodenfingern 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h angebracht ist. An den Enden der Finger 5a, 5b, 5c, 5d vorgesehen ist ein erster Einspannbalken 15, und an den Enden der Finger 5e, 5f, 5g 5h vorgesehen ist ebenfalls ein zweiter Einspannbalken 25. Die Ein- spannbalken 15, 25 vermitteln den Fingern 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5d, 5e, 5f, 5g eine erhöhte laterale Stabilität.
Die Elektrodenringer 5a-5h, der Balken 5 und die beiden Einspannbalken 15, 25 definieren eine Anzahl von Öffnungen 01-06, wobei die feststehende Elektrodenanordnung F und die auslenkbare Elektrodenanordnung D derart angeordnet sind, dass jede erste Elektrodenrippe 2a-2f zu einer entsprechenden Öffnung 01-06 ausgerichtet ist und sich bei einer Auslenkung der auslenkbaren Elektrodenanordnung D die Ausrichtung ändert. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist jede Elektrodenrippe 2a-2f in der Ruhelage teilweise in eine entsprechende Öffnung 01-06 eingetaucht.
Die Anordnung der festen Elektrodenstruktur F mit den verkippten Grundplatten Ia, Ib in Bezug auf die drehbare Elektrodenstruktur D ist derart, dass unter Verwendung des Balkens 5 als Drehachse die feststehende Elektrodenstruktur F weiter in die drehbare Elektrodenstruktur D auf beiden Seiten eintauchen kann. Die Elektrodenrippen 2a, 2b, 2c bzw. 2d, 2e, 2f greifen nicht von der Seite zwischen die Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h, sondern von unten. Dadurch lassen sich die Einspannbalken 15, 25 vorsehen, welche die Stabilität wesentlich erhöhen. Um die drehbare Elektrodenstruktur D weiter gegen ein seitliches Verkippen zu stabilisieren, können die Verbindungen der Finger zum Balken 5 optimiert ausgeführt werden bzw. der Balken 5 selber verstärkt werden bzw. die außen liegenden Finger besonders ausgeführt werden (vergleiche Fig. 2). Da die Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h bei einer Drehung aus Ihrer ursprünglichen Ebene heraus schwingen, und zwar umso stärker je länger sie sind, sollten die Grundplatten Ia, Ib zweckmäßigerweise um den maximalen Auslenkwinkel der Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h zuzüglich eines Sicherheitsabstandes vorausgelenkt sein.
Durch die Kopplung der Form der Finger 5a, 5b, 5c, 5d bzw. 5e, 5f, 5g, 5h der drehbaren Elektroden- Struktur D und der Elektrodenrippen 2a, 2b, 2c bzw. 2d, 2e, 2f der feststehenden Elektrodenstruktur F lassen sich auch mehrere voneinander beabstandete Einspannbalken in den Fingern der drehbaren Elektrodenstruktur D integrieren, und dementsprechend mehrere Reihen von Rippen der feststehenden Elektrodenstruktur F. Auch sind auf der Außenseite der Einspannbalken 15, 25 angebrachte kurze unstabili- sierte bzw. "flatternde" Finger denkbar. Ein diesbezüglicher Vorteil wäre, dass sich diese verschiedenen Reihen von Elektroden unterschiedlich ansteuern ließen und so unter Umständen ein gleichmäßigerer Antrieb umgesetzt werden könnte. Fig. 2 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausfuhrungsform einer erfindungsgemäßen Mikroaktuatorvorrichtung mit einer mikromechanischen Elektrodenstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist die Mikroaktuatorvorrichtung eine Aktuatorvorrichtung zur Verdrehung eines Mikrospiegels 10, welcher über Stege 8 a, 8b in einer kreisringförmigen Halterung 7 eingespannt ist. An gegenüberliegenden Enden 55a, 55b der kreisringförmigen Haltung 7 angebracht sind ein jeweiliger Mittelbalken 5' bzw. 5" einer ersten bzw. zweiten mikromechanischen Elektrodenstruktur 50a, bzw. 50b, wie sie in Bezug auf Fig. 1 oben erläutert worden sind, und zwar entlang einer Drehachse ROT
In Fig. 2 ersichtlich ist, dass die außen liegenden Finger 5a', 5d', 5e', 5h' der ersten und zweiten drehbaren Elektrodenstruktur eine andere Form aufweisen als die Finger 5b, 5c, 5f, 5g. Dabei ist die Form der außen liegenden Finger 5a', 5d', 5e', 5h' derart schräg gestaltet, dass sie aufgrund ihrer Anschrägung zur Außenseite einer Querverbiegung zusätzlich entgegen wirkt.
Fig. 3a-d sind schematische Querschnittsansichten zur Erläuterung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens.
In Fig. 3 a bezeichnet Bezugszeichen 1 ein Standard-Halb leitersubstrat, beispielsweise ein Silizium- Halb leitersubstrat. Auf das Silizium-Halbleitersubstrat 1 wird eine Opferoxidschicht 40 aufgebracht und strukturiert, d. h. bereichsweise entfernt. Anschließend wird vorzugsweise eine Epitaxie- Silizium- Startschicht 41 auf die strukturierte Opferoxidschicht 40 aufgebracht. Die Opferschicht 40 ist in vorbestimmten Bereichen VIa, VIb unterbrochen. Die Startschicht 41 ermöglicht das gleichmäßige Auf- wachsen einer Funktionsschicht 45 aus Polysilizium, aus der später sowohl die Elektroden der drehbaren Elektrodenstruktur als auch die Rippen der feststehenden Elektrodenstruktur durch einen entsprechenden Ätzvorgang gebildet werden.
Weiter in Bezug auf Fig. Ib wird zunächst rückseitig eine Kaverne K in das Halbleitersubstrat 1 von dessen Rückseite her geätzt. Dies geschieht durch einen geeigneten anisotropen Nassätzprozess.
In einem darauffolgenden Prozessschritt erfolgt eine Durchstrukturierung des Halbleitersubstrats 1 innerhalb der Kaverne K durch einen entsprechenden Trenchätzprozess, welcher auf der Opferoxidschicht 40 stoppt. Dabei gebildet werden insbesondere die Grundplatten Ia, Ib der feststehenden Elektrodenstruktur, wie in Fig. 3c erkennbar.
Daran anschließend wird die Funktionsschicht 45, welche vorzugsweise epitaktisch aufgebrachtes PoIy- silizium ist bzw. ein SOI-Substrat ist, von der Vorderseite her strukturiert. Dies geschieht durch einen bekannten Trenchätzprozess, in dem sowohl die bewegliche Elektrodenstruktur D als auch die Rippen 2a, 2b, 2d, 2e der feststehenden Elektrodenstruktur F erzeugt werden. Dies führt zum in Fig. 3 gezeigten Prozesszustand.
In einem abschließenden Prozessschritt, welcher in Fig. 3 nicht illustriert ist, erfolgt dann ein Ätzen der Opferoxidschicht 40, um die drehbare Fingerelektrodenstruktur D von der feststehenden Elektrodenstruktur F zu trennen. Dabei sollte beachtet werden, dass die fest angebundenen Bereiche, beispielsweise die Rippen 2a, 2b, 2d, 2e, vor einer zu großen Unterätzung geschützt sind.
Nachdem die Grundplatten Ia, Ib von der drehbaren stabilisierten Fingerelektrodenstruktur gelöst worden ist, werden diese in einem nicht dargestellten bekannten Prozessschritt stabilisiert und entsprechend, wie in Fig. 1 a, b dargestellt, vorausgelenkt. Geeignete weitere Prozessschritte, die ebenfalls nicht illustriert sind, dienen dann der Kontaktierung, Verlegung von Leiterbahnen und beispielsweise Einbringung von Möglichkeiten zur Positionserfassung.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
Insbesondere müssen die Grundplatten bei kleinen Auslenkungen nicht verkippt sein, und auch die Rip- pen müssen nicht im Ruhezustand in die Öffnungen eintauchen. Weiterhin sind neben der beschriebenen rotatorischen Auslenkung auch translatorische Auslenkungen der Fingerelektrodenstruktur D denkbar. Wie oben angedeutet können mehrere Stabilisierungsbalken über die Länge der Fingerelektroden vorgesehen sein, und entsprechend mehrere Rippenreihen. Auch muss die Elektrodenanordnung nicht symmetrisch zum Mittelbalken sein, sondern kann auch nur einseitig ausgebildet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Mikromechanische Elektrodenstruktur mit:
einer feststehenden Elektrodenanordnung (F) und einer auslenkbaren Elektrodenanordnung (D);
wobei die feststehende Elektrodenanordnung (F) eine erste Grundplatte (Ia; Ib) und mindestens eine darauf vorgesehene erste Elektrodenrippe (2a-2f) aufweist;
wobei die auslenkbare Elektrodenanordnung (D) einen ersten Balken (5; 5'; 5") aufweist, an dem eine erste Mehrzahl von Elektrodenfingern (5a-5h; 5a', 5b-5f, 5f) vorgesehen ist, welche durch einen zweiten Balken (15; 25) miteinander verbunden sind;
wobei die Elektrodenfinger (5a-5h; 5a', 5b-5f, 5f), der erste Balken (5; 5'; 5") und der zweite Balken (15; 25) eine entsprechende erste Anzahl von Öffnungen (01-06) definieren; und
wobei die feststehende Elektrodenanordnung (F) und die auslenkbare Elektrodenanordnung (D) derart angeordnet sind, dass jede erste Elektrodenrippe (2a-2f) zu einer entsprechenden der ersten Anzahl von Öffnung (01-06) ausgerichtet ist und sich bei einer Auslenkung der auslenkbaren Elektrodenanordnung (D) die Ausrichtung ändert.
2. Mikromechanische Elektrodenstruktur nach Anspruch 1, wobei jede Elektrodenrippe (2a-2f) teilweise in eine entsprechende Öffnung (01-06) eintaucht.
3. Mikromechanische Elektrodenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die feststehende Elektrodenan- Ordnung (F) eine zweite Grundplatte (Ia; Ib) und mindestens eine darauf vorgesehene zweite Elektrodenrippe (2a-2f) aufweist, wobei die auslenkbare Elektrodenanordnung (D) eine an dem ersten Balken (5) vorgesehene zweite Mehrzahl von Elektrodenfingern (5a-5h; 5a', 5b-5f, 5f ) aufweist, welche durch einen dritten Balken (15; 25) miteinander verbunden sind, wobei die Elektrodenfinger (5a-5h; 5a', 5b-5f, 5f), der erste Balken (5; 5'; 5") und der dritte Balken (15; 25) eine entsprechende zweite Anzahl von Öffnungen (01-06) definieren, und wobei die feststehende Elektrodenanordnung (F) und die auslenkbare Elektrodenanordnung (D) derart angeordnet sind, dass jede zweite Elektrodenrippe (2a-2f) zu einer entsprechenden der zweiten Anzahl von Öffnung (01-06) ausgerichtet ist und sich bei einer Auslenkung der auslenkbaren Elektrodenanordnung (D) die Ausrichtung ändert.
4. Mikromechanische Elektrodenstruktur nach Anspruch 3, wobei die erste und zweite Grundplatte in entgegengesetze Richtungen bezüglich der auslenkbaren Elektrodenanordnung (D) verkippt angeordnet sind.
5. Mikromechanische Elektrodenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Balken (15; 25) bzw. der dritte Balken (15; 25) an einem vom ersten Balken (5; 5'; 5") entfernten Ende der Elektrodenfinger (5a-5h; 5a', 5b-5f, 5f ) vorgesehen sind.
6. Mikromechanische Elektrodenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die aus- lenkbare Elektrodenanordnung (D) einen weiteren Balken aufweist, an dem die erste Mehrzahl von E- lektrodenfingern vorgesehen ist.
7. Mikromechanische Elektrodenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenfinger (5a-5h; 5a', 5b-5f, 5f ) einen oder mehrere äußere Elektrodenfinger (5a'; 5d'; 5e'; 5h') aufwei- sen, welche eine derart angeschrägte Form aufweisen, dass sie einer lateralen Auslenkung entgegenwirkt.
8. Mikromechanische Elektrodenstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die feststehende Elektrodenanordnung (F) und die auslenkbare Elektrodenanordnung (D) aus Silizium hergestellt sind.
9. Mikroaktuatorvorrichtung mit mindestens einer mikromechanischen Elektrodenstruktur (50; 50a, 50b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Mikroaktuatorvorrichtung nach Anspruch 9, welche eine erste und eine zweite mikromechanische Elektrodenstruktur (50a, 50b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, welche entlang einer gemeinsamen durch den ersten Balken (5'; 5") definierten gemeinsamen Achse an gegenüberliegenden Seiten einer Aufhängung (7) angebracht sind, welche um die Achse drehbar ist.
11. Mikroaktuatorvorrichtung nach Anspruch 9, wobei in der Aufhängung ein Mikrospiegel (10) angebracht ist.
12. Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Elektrodenstruktur (50; 50a, 50b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit den Schritten:
Bereitstellen einer Anordnung mit einer ersten Funktionsschicht (1) und einer zweiten Funktionsschicht (45), wobei eine Opferschicht (40) zwischen der ersten Funktionsschicht (1) und zweiten Funktionsschicht (45) vorgesehen ist;
Strukturieren der ersten Funktionsschicht (1) zum Bilden der ersten bzw. zweiten Grundplatte (Ia; Ib) der feststehenden Elektrodenanordnung (F);
Strukturieren der zweiten Funktionsschicht (45) zum Bilden der ersten bzw. zweiten Elektrodenrippe (2a-2f) feststehenden Elektrodenanordnung (F) in den vorbestimmten Bereichen (VIa, VIb) und zum Bilden der auslenkbaren Elektrodenanordnung (D); und
Entfernen der Opferschicht (40) zum Trennen der feststehenden Elektrodenanordnung (F) und der auslenkbaren Elektrodenanordnung (D).
13. Herstellungsverfahren für eine mikromechanische Elektrodenstruktur (50; 50a, 50b) nach Anspruch 12, wobei die Opferschicht (40) in vorbestimmten Bereichen (VIa, VIb) unterbrochen ist.
14. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Funktionsschicht (1) ein Wafer ist und vor dem Strukturieren der ersten Funktionsschicht (1) eine Kaverne (K) in den Wafer geätzt wird.
15. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei die zweite Funktionsschicht (45) eine Epitaxieschicht oder eine SOI-Schicht ist.
16. Herstellungsverfahren nach Anspruch 12, wobei die erste bzw. zweite Grundplatte (Ia; Ib) der feststehenden Elektrodenanordnung (F) nach dem Entfernen der Opferschicht (40) in Bezug auf die auslenkbare Elektrodenanordnung (D) verkippt angeordnet werden.
17. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei das Strukturieren der ersten Funktionsschicht (1) und der zweiten Funktionsschicht (45) in einem Trenchätzschritt erfolgt.
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