WO2009127274A2 - Mikromechanisches bauteil, verfahren zum betreiben eines mikromechanischen bauteils und herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauteil - Google Patents

Mikromechanisches bauteil, verfahren zum betreiben eines mikromechanischen bauteils und herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauteil Download PDF

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Definitions

  • Micromechanical component Method for operating a micromechanical component and production method for a micromechanical component
  • the invention relates to a micromechanical component.
  • the weather concerns the invention a method for operating such a micromechanical component and a manufacturing method for a corresponding micromechanical component
  • a mfeomecharasch.es component often has a rotatable about an axis adjusting element.
  • micro-mirrors with rotatable mirror plates are used for the deflection of light rays, in particular in projectors or scanners.
  • the staggering of the mirror plate can be done for example via an electrostatic drive.
  • the mirror plate is attached to a torsion body with actuator electrodes.
  • actuator electrodes To adjust the T ⁇ rsionsfcörpers with the mirror plate, a voltage between the actuator electrodes and the adjacent stator electrodes, which are arranged outside of the plane defined by the actuator electrodes fixed plane in the micromechanical component, applied. If a voltage not equal to zero is present between the actuator electrodes and the stator electrodes located above or below, a torque acts on the torsion body, which turns the torsion body out of its initial position by an adjustment angle.
  • the micromechanical component should preferably have a low sensitivity to external disturbances, a short return time of the torsion body displaced from its initial position, a high shock resistance, a high resistance to electrostatic collapse and / or a high resistance to unwanted vibration modes.
  • a spring suspension of the torsion body with a comparatively high spring stiffness is advantageous.
  • a comparatively large torque must be generated in order to adjust the torsion body despite the high spring stiffness.
  • an increase in the producible torque in the case of an electrostatic drive takes place Increase of the number of actuator electrodes on the torsion body.
  • this requires a lengthening of the torsion body.
  • a comparatively long torsion body leads to increased shock-absorbing capacity and to unwanted vibration modes.
  • micromechanical component ensures an adjustment of the Steljelements to the largest possible displacement.
  • a small step size is preferred when rotating the actuator to accurately set a desired adjustment.
  • increasing the maximum displacement angle or minimizing the step size is conventionally difficult to realize in an electrostatic drive or a magnetic drive.
  • a further problem of a conventional micromechanical component is that electrical supply lines to the movable actuating element are required for the drive and for the position actuation of the control element. Often these leads must be guided by springs. This requires the execution of very narrow supply lines and additionally limits the number of supply lines. As metal feeders have ductile properties, they reduce the vibrational quality of the spring. In addition, they are subject to mechanical dislocations upon deformation of the spring. Non-metallic feeders, for example with epitaxial polysilicon, are not ductile. However, the non-metallic leads are often very susceptible to geometric changes that can lead to high resistances.
  • the invention provides a micromechanical component having the features of claim 1, a method for operating a micromechanical component having the features of claim 10 and a production method for a micromechanical component having the features of claim 11.
  • the present invention is based on the recognition that an adjusting element that can be indirectly adjusted via a lever element does not have to have any elements of the drive device in relation to an actuating element which is rotated directly by the drive device. For example, can thus be dispensed with a magnetic drive to attach a coil to your actuator itself. The required coil can instead be fastened to the lever element. Accordingly, it is no longer necessary in a electrostatic drive, a Wegaaiere of. To attach actuator electrodes to the Sielleiemem. Hs is sufficient to arrange the actuator electrodes only on the lever element. According to the invention, the adjusting belt is thus not rotated by a direct force acting through the drive device, but rather by an adjustment of the at least one lever element. The steepening element is rotated along a rotation of the lifting element.
  • control element without a coil or an acceptor electrode is that it is not necessary to lead lines above which a current is passed through the spook or a voltage is applied to the actuator electrode to the control element itself. This reduces the number of lines required and thus facilitates the arrangement of the lines on the rmkromechasic component.
  • the Steiielement for example, a mirror plate can be adjustable in a special Ausfuhniiigsfo ⁇ n about two mutually perpendicular axes of rotation.
  • the actuator is double cardan suspended from torsion springs.
  • the actuator is rotated about a first axis of rotation but a quasi-static operation, while rotating the SteUelements around the other axis of rotation resonant, that is, with a much higher Abknkirequenz occurs.
  • one end of the lever element is connected to the frame holder via a spring element.
  • the other end of the lever element can be connected to the actuating element designed as a torsion element by means of the spring.
  • this makes it possible to guide a plurality of electrical supply lines to the stiffening element without the use of metallic conductor tracks.
  • IR of a preferred embodiment is a first distance between the spring and the first axis of rotation, not equal to a second distance between the spring and the second axis of rotation.
  • the actuator to the lever by means of the spring such that, if the elevator is rotated about the first axis of rotation by a first incremental angle, the column is rotated about the second axis of rotation by a second distribution angle other than the first offset angle becomes.
  • the second adjustment angle is smaller or larger than the first adjustment angle. This ensures an easily executable increase in the maximum adjustment angle of the steep element or an advantageous reduction of the minimum step size when adjusting the Stcllelements.
  • the second distance is smaller than the first distance.
  • the second adjustment angle is greater than the first adjustment angle in this case.
  • the second distance is at least a factor of 2 smaller than the first distance.
  • the second distance may be smaller than the first distance by at least a factor S. This ensures a significant increase in the maximum Versteilwi ⁇ kels the actuator.
  • the first distance may be less than the second distance.
  • the second vertical angle is smaller than the first adjusting angle.
  • the second distance should be at least a factor of 2 greater than the first distance. This ensures an advantageous translation of forces. Above all, an increase of the torque exerted on the post element is thus possible.
  • the micromechanical component comprises another lifting cable rotatable by the drive device, wherein the actuating element is coupled by means of the spring to the lifting element and, by way of another spring, to the further lever element so that the stepping element can be moved by means of a rotary lever of the lever element a first direction of rotation and a simultaneous rotation of the further Hebelelemcnts in a first direction of rotation opposite second direction of rotation is adjustable.
  • this further development ensures an additionally increased torque and an additionally increased maximum locking angle! of the setting at a different low energy. Due to the opposite directions of rotation of the lever elements only rotational forces acting on the actuator. This leads to a great mechanical stability of the actuating element.
  • the lever element and the further lever element can be formed symmetrically to the second axis of rotation of the actuating element. This facilitates the driving of the drive device.
  • the spring and / or the further spring is a hinge torsion spring.
  • a Schamicr torsion spring ensures an advantageous coupling between the at least one lever element and your Sieilelement.
  • electrical Zulei- tangen be performed without the use of metallic interconnects is necessary. This minimizes the damping.
  • the drive device comprises an electrostatic drive and / or a magnetic drive.
  • the micromechanical component described in the above paragraphs has the described significant advantages both when using the electrostatic drive and when using the magnetic drive.
  • 1 is a plan view of an adjustable by means of two Ilebeiieri actuator for representing a first Ausiuhrungsform of the microrochanical component.
  • FIG. 2 shows a cross section for illustrating a second embodiment of the micromechanical component
  • FIGS. 3A and 3B are cross-sectional views illustrating a third embodiment of the micromechanical component. Ausminationningsfonne »the invention
  • micromechanical component designed as a micro-mirror.
  • the micromechanical component embodied as a micro-mirror can be, for example, a head-up display in a motor vehicle, an image projector or a 2-D scanner. It should be noted, however, that the present invention is not limited to microspheres. Instead of a mirror plate other Steli shame be adjustable.
  • FIG. 1 shows a plan view of an adjusting element which can be adjusted by means of two lever elements to show a first exporting form of the micromechanical component.
  • the illustrated linear actuator 10 comprises a mirror plate 12 and a torsion body 14.
  • the torsion body 14 is fixedly arranged on the mirror plate 12 and projects in the y direction from the mirror plate 12.
  • the torsion body 14 is integrally formed with the mirror plate 12.
  • Mitteis a torsion spring 16 the torsion body 14 is connected to a frame holder, not shown, that the torsion body 14 is rotatable with the attached mirror plate 12 about an axis extending through a central longitudinal axis of the torsion 14 axis of rotation 18.
  • the torsion body 14 serves to transmit a torsional moment to the mirror plate 2.
  • the torsion body 14, perpendicular to the axis of rotation 18, has a maximum width, which lies substantially below the maximum width of the mirror plate 12 perpendicular to the axis of rotation 18.
  • a respective spring 20a and 20b On two opposite, parallel to the axis of rotation IS formed sides of Torsionsk ⁇ rpers 14 is a respective spring 20a and 20b attached.
  • the springs 20a and 20b are Sehamier
  • Each of the two springs 20a and 20b connects the torsion body 14 with a lifting element 22a or 22b.
  • the two lifting segments 22a and 22b extend perpendicularly away from the axis of rotation 18 of the actuating element 10 in two opposite directions.
  • the springs 20a and 20b opposite ends of the lever members 22a and 22b are attached via ice) spring element 24a and 24b to the (not outlined) Ralimenhalterung.
  • the lever element 22a can be rotated about a lever axis of the lever element 22a extending through the spring element 24a.
  • the corking element 22b can also be rotated by means of the drive device about a pivot axis of the lever element 22b running through the spring element 24b.
  • the lever axes of the lever elements 22a and 22b are pa ⁇
  • the lever axes of the lever elements 22a and 22b are aligned perpendicular to the longitudinal axes of the lever elements 22a and 22b.
  • the drive device can be, for example, an electrostatic drive or a magnetic drive.
  • the lever elements 22a and 22b can also be adapted to the driving device used. Examples of the lifting elements 22a and 22b in an electrostatic drive or in a magnetic drive will be described in more detail below.
  • the Hebeleiemente 22a and 22b lie on a straight line.
  • the lever elements 22a and 22b exert no torque or Torstonsmoment on the torsion 14 in the inactive state of the drive device.
  • the mirror plate 12 attached to the torsion body 14 is in this case in its initial position, which is oriented, for example, parallel to the xy plane.
  • the drive means is adapted to simultaneously adjust the lever members 22a and 22b, each of the two lift members 22a and 22b being rotated in a different rotational direction 26a or 26b.
  • the Antricbeüicardi rotates the lever member 22a about its lever axis in the direction of rotation 26a and at the same time the lifting element 22b about its lever axis in the direction of rotation 26b.
  • the direction of rotation 26b is directed opposite to the direction of rotation 26a.
  • Each of the two lever demensions 22a and 22b is thereby rotated about a first Verstcilwinkei ⁇ l.
  • the two lever elements 22a and 22b exert a torque, or a torsional moment on the torsion 14 from.
  • This causes the torsion body 14 to rotate about the axis of rotation 1 $ by a second adjustment angle.
  • the mirror plate 12 fastened to the torsion body 14 is also rotated from its initial position about the second adjustment angle ⁇ 2.
  • the two lever elements 22a and 22b are of equal length and symmetrical to the axis of rotation 18 of the clamping element 10.
  • the distance d1 between the lever axis of the lever element 22a and the spring 20a is thus equal to the distance d1 between the lever axis of the lever Lever element 22b and the spring 20b.
  • the distance dl is equal to the length of the lifting elements 22a and 22b.
  • the equation (GLI) applies:
  • the distance dl is significantly greater than the distance d2
  • the Versteliwinkcl ⁇ 2 of Spiegclplatte 12 is significantly greater than the adjustment angle ⁇ l of the lever elements 22a and 22b.
  • a comparatively small adjustment of the lever elements 22a and 22b causes a relatively large adjustment of the mirror plate 12.
  • the relationship between the adjustment angles ⁇ l and ⁇ 2 can be determined by the distance of the springs 20a and 20b from the axis of rotation 18, or via the shape of the torsion 14 and / or be adjusted and optimized over the length of Hebelelemenle 22a and 22b.
  • Fig. 2 shows a cross section for illustrating a second embodiment of the micromechanical component.
  • the illustrated micromechanical component 50 has a mirror symmetrical design in two spatial directions.
  • the two center planes of the micromechanical component 50 are thus mirror symmetry levels.
  • FIG. 2 shows only a detail of a cross section through the micromechanical component SO along its middle height plane. It was dispensed with a schematic representation of the components outside of the limited by the symmetry axes 52 and 54 quarter.
  • the micromechanical component 50 has a mirror plate 66, which is rotatable about the symmetry axes 52 and 54.
  • the mechanism for rotating the mirror plate 66 about the axis of symmetry 54 is not discussed here.
  • the mirror plate 66 is rotated about the symmetry axis 52 indirectly by means of a drive device designed as a magnetic drive.
  • the magnetic drive comprises an external coil (not shown), which is arranged such that when a current flows through the coil, a basic magnetic field 56 with magnetic field lines is generated. is built up in parallel to the axis of symmetry 54.
  • the magnetic drive may also comprise a permanent magnet instead of or in addition to the external coil.
  • the field lines of the basic magnetic field 56 also extend through the interior of a Rahraenhalterung 58. Inside the termeraenhalterung 58, the two lever members 60 are arranged. At each of the two lever elements 60, a coil 62 is formed. For example, metal layers are deposited on a lever element 60 in a semiconductor material and then structurally structured accordingly.
  • a current can be conducted through the coils 62 of the lifting elements 60 in order to generate further magnetic fields, which are referred to as hermetic fields.
  • a plurality of current-carrying coils 62 may be mounted on each of the Hebeleleme ⁇ te 60 to do so.
  • the lever elements 60 are arranged rotatably by means of the spring elements 63 within the compassionhaittation SS.
  • the interaction of a coil magnetic field with the basic magnetic field 56 thus causes the associated lever element 60 to rotate about a lever axis 61.
  • the mirror plate 66 of the micromechanical component 50 is connected to a torsion body 70 by means of two torsion springs 68 extending along the symmetry axis 34.
  • the torsion body 70 comprises a frame 72 and two web elements 74 projecting from the frame 72 in two opposite directions and extending along the axis of symmetry 52.
  • the frame 72 and the piece members 74 may be integrally formed.
  • Each of the two segments 74 has a spring 76 on two opposite sides extending parallel to the axis of symmetry 52.
  • the four springs 76 may be hinge torsion springs. In this case, a hinge Torsiousfeder instead of the two legs shown me have a leg. In this way, Federia spring stiffness of the springs 76 can be reduced.
  • each two arranged on one side of the symmetry axis 52 springs 76 connect the torsion body 70 with the adjacent lever member 60.
  • the mirror plate 66 opposite ends of the web elements 74 are connected by means of a torsion spring 78 with the compassionhaittation 58.
  • lever elements 60 which are not integrally formed with the torsion body 70, there is enough attachment surface for attaching the coils 62 available without having to enlarge an expansion of the torsion 70 must.
  • the torsion 70 with the mirror plate 66 is thus adjustable, without a coil 62 being mounted on the gate body 70 itself.
  • the energization of the coils 62 of the lifting element 60 can take place in such a way that torques act on the two lever elements 60 which rotate each of the two lever elements 60 in a different direction of rotation. While the first Hebclelement 60 is adjusted in a first rotational direction about its Hebclachse 61, the second lever member 60 is simultaneously rotated in an oppositely directed second Wheels richtuag. Preferably, both lever elements 60 are rotated by the same first adjustment angle.
  • the mirror plate 66 is rotated with the torsion body 70 by the second Versteliwinkel.
  • the lever axes 61 have a distance dl from the springs 76 which is significantly greater than a distance d2 between the springs 76 and the axis of symmetry 52. Since the above equation (GL 1) applies to the distances d1 and d2 and the adjustment angle of the lever elements 60 and the torsion body 70, thus adjusting the two lever elements 60 by a comparatively small angle of adjustment causes the torsion body 70 to rotate by one relatively large Verstellwinkei. Thus, the Ausruku ⁇ gsform described with reference to FIG. 2 ensures an increase of the maximum adjustment angle of the mirror plate 66 in a simple manner.
  • the shape of the torsion body 70 in particular the width of the web elements 74 perpendicular to the axis of symmetry 52, is selected so that a desired ratio between the distances dl and d2 is present at a comparatively small distance between the lever axis 6] and the axis of symmetry 52.
  • the Absland dl is significantly larger than the distance d2.
  • the position of the lever axis 61 and the distances d1 and d2 can be optimized according to the desired torque and in view of the preferred maximum displacement angle of the mirror plate 66 by a suitable shape of the torsion body 70.
  • a sensor (not shown) can be arranged on the mirror plate 66 and / or the torsion element 70.
  • the sensor can be powered.
  • signals of the sensor are forwarded to an external evaluation device.
  • the leads 80 may also pass control signals for rotating the mirror plate 66 about the axis of symmetry 54 to the mechanism not used herein.
  • the spring elements 63, the springs 76 and the Torsionsfedem 78 leads 64 and 80 are performed.
  • the spring elements 63, the springs 76 and the Torsionsfedem 78 leads 64 and 80 are performed.
  • the two springs 76 four feed lines 80 per lever element 60 can be realized on the torsion body 70.
  • at least one feed line 80 can be guided onto the torsion body 70 via each of the two torsion springs 78.
  • FIGS. 3A and 3B show cross sections for illustrating a third embodiment of the micromechanical component.
  • FIG. 3A shows only a quarter of a cross-section bounded by the symmetry axes 102 and 104 along a middle height plane of the micromechanical component 100.
  • the microrochanical component 100 has, as a pillar element, the mirror plate 66 with the torsion springs 68 and the torsion body 70.
  • the mirror plate 66 is adjustable by means of a mechanism not further described about the axis of symmetry 104.
  • a drive device designed as an electrostatic drive indirectly serves.
  • Siator electrodes 108 are arranged on the inner walls of a frame holder 106.
  • the frame holder 106 has transverse bars 109, which project into the interior of the frame holder 106 and likewise have stator electrodes 108.
  • micromechanical component 100 comprises lever elements 110 composed of a plurality of beams and equipped with actuator electrodes 112.
  • the actuator electrodes 112 are arranged adjacent to the stator electrodes 10S, wherein the actuator electrodes 112 are arranged in a first plane and the stator electrodes 108 are arranged in a second plane above and / or below.
  • the supply lines 114 which are guided via the torsion springs 116 from the frame holder 106 to the lever elements 110, a voltage can be applied between the stator electrodes 108 and the actuator claws 112.
  • the torsion springs 116 extending parallel to the axis of symmetry 102 connect the lever elements 110 to the frame holder 106.
  • the bending stiffness of the torsion springs 116 is selected such that the lever elements 110 are rotatable about a lever axis 118 extending through the associated torsion spring 116.
  • the Torsi ⁇ ns crusher 70 is, as in the embodiment described above, but Torsionsfederu 78 connected to the Rahinengeophuse 106.
  • the springs 76 connect the stem bodies 74 with. the lifting elements 110.
  • the springs 76 are formed as a hinge torsion springs.
  • the springs 76 may be single-legged hinge torsion springs with reduced spring stiffness. The distance dl between the lever axes 118 and the springs 76 is significantly greater than the distance d2 between the axis of symmetry 102 and the springs 76th
  • leads 119 can be performed on the springs 76 and / or on the torsion springs 78.
  • the leads 1! 9 can serve as supplements to the guided via the torsion spring 116 leads 114.
  • four electrical leads 119 can be realized via the two springs 76 of each lever element 110 designed as a hinge torsion springs.
  • At least one feed line 119 can also be laid over each of the torsion springs 78. Via the supply lines 119, signals can also be forwarded between an external control and evaluation device, the mechanism and / or the sensor.
  • Fig. 3B shows a cross-section along the line A-A 'of Fig. 3A.
  • the lever members 110a and i10b fastened to the frame holder 106 by means of the torsion springs U6 are displaced from their initial positions.
  • the first lever element HOa is here by means of the electrostatic drive at a first pitch angle et! adjusted in a direction of rotation 120a.
  • the second lever element IiOb is also rotated in a direction of rotation 120b counter to the first direction of rotation 120a by the first adjustment angle ⁇ 1.
  • the maximum first displacement ⁇ l of the lever elements 1 1 Oa and 110b in the directions of rotation 120a or 120b are determined by ⁇ k layer thickness of the actuator electrodes 112 and the stator electrodes 108.
  • the mutual adjustment of the lever elements 110a and 110b causes a torsional moment 122 on the torsion body 70.
  • the mirror chip 66 fastened to the torsion body 70 is thus rotated together with the torsion body 70 about the symmetry axis 102 extending perpendicularly through the plane of the drawing. This causes an adjustment of the mirror plate 66 to a second Verslellwinkei o2.
  • the equation (GL1) given above applies. Since the distance d1 is significantly greater than the distance d2, turning the lever elements 110a and 110b by the comparatively small adjustment angle ⁇ 1 causes the mirror plate 66 to be adjusted by a relatively large amount. Adjustment angle «2.
  • the Hebelelemcnte 110a and 11 Ob may for example have a length of 1 mm. The distance dl is so! mm.
  • the mirror plate 66 preferably has a diameter of 1 to 2 mm. This causes a distance d2 of about 200 ⁇ m.
  • the micromechanical component 100 also offers an easily executable possibility for increasing a maximum adjustment angle ⁇ 2 of the mirror patte 66.
  • the torque exerted on the mirror plate 66 can be greater than the number of elements on the lever elements. 110a and 110b arranged actuator electrodes 112 regardless of the length or width of the torsion Tors be increased 70.
  • micromechanical component can be realized, which has only one lever element.
  • a micromechanical component consists for example of only two quadrants of the micromechanical components 50 or 100.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einer Feder (20a,20b), einem an einem ersten Ende der Feder (20a,20b) befestigten Hebelelement (22a,22b), einer Antriebeinrichtung. welche dazu ausgelegt ist, das Hebelelement (22a,22b) um eine senkrecht zu einer Längsachse des Hebelelements (22a,22b) ausgerichtete erste Drehachse zu drehen, und einem an einem zweiten Ende der Feder (20a,20b) befestigten Stellelement (10), welches so mittels der Feder (20a,20b) an das Hebelelement (22a,22b) gekoppelt ist, dass bei einem Drehen des Hebelelements (22a,22b) um die erste Drehachse mittels der Antriebeinrichtung das Stellelement (10) um eine zweite Drehachse (18) gedreht wird. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

Beschreibung
Titel
Mikromechanisches Bauteil. Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils und Herstel- iiusgsverfahren für ein mikroniechanischcs Bauteil
Die Erfindung betriff, ein mikromechanisches Bauteil. Des Wetteren betrifft die Erfindung ein Verfah- ren zum Betreiben eines derartigen inikromechanischen Bauteils und ein Herstellungsverfahren für ein entsprechendes mikromechanisches Bauteil
Stand der Technik
Ein mfeomecharasch.es Bauteil weist häufig ein um eine Drehachse drehbares Stellelement auf. Bei- spielsweise werden Mikrospiegei mit drehbaren Spiegelplatten für die Ablenkung von Lichtstrahlen, insbesondere in Projektoren oder Scannern, eingesetzt. Das Versteilen der Spiegelplatte kann zum Beispiel über einen elektrostatischen Antrieb erfolgen. Dazu wird die Spiegeiplatte an einem Torsi- onskörper mit Aktoreiektroden befestigt. Zum Verstellen des Tσrsionsfcörpers mit der Spiegelplatte wird eine Spannung zwischen den Aktorelektroden und den benachbarten Statorelektroden, welche außerhalb der von den Aktorelektroden aufgespannten Ebene fest in dem mikromechanischen Bauteil angeordnet sind, angelegt. Liegt eine Spannung ungleich Null zwischen den Aktorelektroden und den in einer darüber oder darunter liegenden Statorelektroden an, so wirkt ein Drehmoment auf den Torsi- onskörper, weiches den Torsionskörper aus seiner Ausgangsstellung um einen Verstellwinkcl dreht.
Vorzugsweise soll das mikromechanische Bauteil eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störungen, eine kurze Rücklaufzeit des aus seiner Ausgangsstellung verstellten Torsionskörpers, eine hohe Schockfestigkeit, eine hohe Festigkeit gegenüber einem elektrostatischen Kollaps und/oder eine hohe Festigkeit gegenüber ungewollten Schwingungsmoden haben. Dazu ist eine Federaufhängung des Torsionskörpers mit einer vergleichsweise hoben Federsteifϊgkeit vorteilhaft. Allerdings muss bei einer hohen Federsteifϊgkeit der Federaufhängung ein vergleichsweise großes Drehmoment erzeugt werden, um den Toreionskörper trotz der hohen Federsteiiϊgkeit zu verstellen. Iϊerkömmlicherweisε erfolgt eine Steigerung des erzeugbaren Drehmoments bei einem elektrostatischen Antrieb aber eine Erhöhung der Anzahl der Aktorelektroden auf dem Torsiσnskörper. Dies erfordert jedoch eine Ver län- gemng des Torsionskörpers. Ein vergleichsweise langer Tσrsionskörper fuhrt jedoch zu erhöhter Stoß- entpfmdiiehkeit und zu ungewollten Schwingungsmoden.
Es kann bei manchen mikromechanischen Bauteilen vorteilhaft sein, wenn das mikromechanische Bauteil ein Verstellen des Steljelements um einen möglichst großen Verstellwinkel gewährleistet. Bei anderen mikromechanischen Bauteilen wird hingegen eine geringe Schrittweite beim Drehen des Stelleiements zum genauen Einstellen eines gewünschten Versteilens bevorzugt. Dit Steigerung des maximalen Verstellwinkels oder die Minimierung der Schrittweite ist jedoch herkömmlicherweise bei einem elektrostatischen Antrieb oder bei einem magnetischen Antrieb schwer zu realisieren.
Bin weiteres Problem eines herkömmlichen mikromechanischen Bauteils Hegt darin, dass für den An- trieb und für die Lagedctcktion des Steüelements elektrische Zuleitungen zu dem beweglichen Stell- eϊement erforderlich sind. Häufig müssen diese Zuleitungen über Federn geführt werden. Dies erfor- dert die Ausführung sehr schmaler Zuleitungen und beschränkt zusätzlich die Anzahl der Zuleitungen. Da Zuleitungen aus Metall duktile Eigenschaften haben, reduzieren sie die Schwingungsgüte der Fe- der. Zusätzlich unterliegen sie bei einer Verformung der Feder mechanischen Zerrüttungen. Nichtme- taUische Zuleitungen, beispielsweise mit epitaktischem Polysilizium, sind nicht duktil. Die nichtmetal- lischcn Zuleitungen jedoch häufig sehr anfällig gegenüber geometrischen Änderungen, die zu hohen Widerständen führen können.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Ver- fahren zum Betreiben eines mikromechamschen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein indirekt über ein Hebelelement verstell- bares Stellelement gegenüber einem Stellelement, welches von der Antriebeinrichtung direkt gedreht wird, keine Elemente der Antriebeinrichtung aufweisen muss. Beispielsweise kann somit bei einem magnetischen Antrieb auf das Anbringen einer Spule an dein Stellelement selbst verzichtet werden. Die benötigte Spule kann stattdessen an dem Hebelelement befestigt werden. Entsprechend ist es bei einem elektrostatischen Antrieb nicht mehr notwendig, eine Mindestaazahl von. Aktorelektroden an dem Sielleiemem anzubringen. Hs ist ausreichend, lediglich an dem Hebelelement die Aktorelektroden anzuordnen. Erfindungsgemäß wird das Stellciemeni somit nicht aber eine direkte Krafteinwirkiutg durch die An- triebeinrichtung, sondern über ein Verstellen des mindestens einen Hebelelements gedreht. Das Steil- eiement wird dabei über eine Drehung des Hcbeielements mitgedreht.
Auf diese Weise ist es möglich, bei einem magnetischen Antrieb die Windungszahl der mindestens einen Spule oder bei einem elektrostatischen Antrieb die Anzahl der Aktorelcktroden zu steigern, ohne dass dazu die Größe oder die Form des Steilelements selbst verändert wird. Somit lässt sich ein hohes Drehmoment zum Verstellen des Steüelemeαts auch bei einem relativ kleinen Stellelement realisieren. Dies ermöglicht eine Minhnierung des SteÜelements und führt deshalb zu einer niedrigeren Stoßemp- ündiieh, beziehungsweise einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber störenden Schwingungsmoden.
Aufgrund des vergleichsweise hohen erzeugbaren Drehmoments sind steife Torsionsfedern εinsetzbar. Dies gewährleistet eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störungen, eine vergleichsweise kurze Rücklaufzeit des verstellten SteÜelements in seine Ausgangsstellung, eine hohe Schockfestig- keit, eine hohe Festigkeit gegenüber einem elektrostatischen Kollaps und/oder eine geringe Empfind- lichkeit gegenüber ungewollten Schwingungsmoden.
Ein weiterer Vorteil eines Stellelements ohne eine Spule oder einer Akforelektrode besteht darin, dass es nicht notwendig ist, Leitungen, ober welche ein Strom durch die Spuk geleitet wird oder eine Span- nung an die Aktorelektrode angelegt wird, zu dem Stellclement selbst zu führen. Dies reduziert die Anzahl der notwendigen Leitung und erleichtert damit das Anordnen der Leitungen an dem rmkrome- chasischeα Bauteil.
Das Steiielement, beispielsweise eine Spiegelplatte, kann in einer besonderen Ausfuhniiigsfoπn um zwei zueinander senkrecht stehende Drehachsen verstellbar sein. Beispielsweise ist das Stellelement dazu doppelt kardanisch an Torsionsfedern aufgehängt. Vorzugsweise wird das Stellelement um eine erste Drehachse aber einen quasi statischen Betrieb gedreht, während das Drehen des SteUelements um die andere Drehachse resonant, das heißt mit einer deutlich höheren Abknkirequenz, erfolgt.
Vorzugsweise ist ein Ende des Hebelelements mit der Rahmenhalterung über ein Federelement ver- bunden. Das andere Ende des Hebelelements kann mit dem als Torsionskörper ausgebildeten Stell- dement mittels der Feder verbunden sein. Insbesondere ermöglicht dies die Führung mehrerer elektri- scher Zuleitungen auf das Steiielement ohne eine Verwendung von metallischen Leiterbahnen. IR einer bevorzugten AusfUhrungsform ist ein erster Abstand zwischen der Feder und der ersten Dreh- achse ungleich einem zweiten Abstand zwischen der Feder und der zweiten Drehachse. Somit ist es möglich, das Stellelement mittels der Feder so an das Hebeleiemcnt zu koppeln, dass, falls das Heb- element um einen ersten Vcrstcllwinkcl um die erste Drehachse gedreht wird, das Stcllclement um einen zweiten VersteUwinkel ungleich dem ersten Verslellwinkel um die zweite Drehachse gedreht wird. Abhängig von dem Verhältnis zwischen dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand ist der zweite Verstellwinkel kleiner oder größer als der erste Verstellwinkel. Dies gewährleistet ein einfach ausführbares Steigern des maximalen Verstellwinkels des Steilelements oder eine vorteilhatte Redu- zierung der minimalen Schrittweite beim Verstellen des Stcllelements.
Beispielsweise ist der zweite Abstand kleiner als der erste Abstand. Der zweite Verstellwinkel ist in diesem Fall größer als der erste Verstellwinkel. Somit kann ein maximaler Verstellwinkel des Stell- elemcnts auf einfache Weise gesteigert werden. Zusätzlich ist auf diese Weise eine vergleichsweise große Ausienkungen des Stellelements bereits bei einer relativ niedrigen angelegten Spannung αder bei einer schwachen magnetischen Wechselwirkung möglich.
Vorzugsweise ist der zweite Abstand mindestens um einen Faktor 2 kleiner als der erste Abstand. Ins- besondere kann der zweite Abstand mindestens um einen Faktor S kleiner als der erste Abstand sein. Dies gewährleistet eine signifikante Steigerung des maximalen Versteilwiαkels des Stellelements.
Als Alternative dazu kann erste Abstand kleiner als der zweite Abstand sein. In diesem Fall ist der zweite Vεrsteilwinkei kleiner als der erste Verstellwinkei. Somit ist es auf einfache Weise möglich, die Schrittweite der möglichen VersteUwinkel des Stellelements zu minimieren.
Insbesondere kam. der zweite Abstand mindestens um einen Faktor 2 größer als der erste Abstand sein. Dies gewährleistet eine vorteilhafte Übersetzung von Kräften. Vor allem ist somit eine Steige- rung des auf das Stelielement ausgeübten Drehmoments möglich.
In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst das mikromechanische Bauteil ein weiteres durch die Antriebeinrichtung drehbares Hebcleiement, wobei das Stellelement mittels der Feder so an das He- bclclement und mitteis einer weiteren Feder so an das weitere Hebelelemeat gekoppelt ist, dass das Steiieiement mittels eines Dreheos des Hebeleleraents in eine erste Drehrichtung und eines gleichzei- tigen Drehens des weiteren Hebelelemcnts in eine der ersten Drehrichtung entgegen gerichtete zweite Drehrichtung verstellbar ist. Damit gewährleistet diese Weiterbildung ein zusätzlich erhöhtes Dreh- moment und einen zusätzlich gesteigerten maximalen Verstcliwinke! des Stellelcments bei einer ver- gleichsweise niedrigen Energie. Aufgrund der entgegen gesetzten Drehrichtungen der Hebelelemente wirken nur rotatorische Kräfte auf das Stellelement. Dies führt zu einer großes mechanischen Stabili- tät des Stellelements. Insbesondere können das Hebelelement und das weitere Hebelelement symmet- risch zu der zweiten Drehachse des Stellelements ausgebildet sein. Dies erleichtert das Ansteuern der Antriebeinrichtung.
Vorzugsweise ist die Feder und/oder die weitere Feder eine Schamier-Torsionsfeder. Eine Schamicr- Torsionsfeder gewährleistet eine vorteilhafte Kopplung zwischen dem mindestens einen Hebelelement und dein Sieilelement. Zusätzlich können über die mindestens eine Torsionsfeder elektrische Zulei- tangen geführt werden, ohne dass die Verwendung von metallischen Leiterbahnen notwendig Ist. Dies minimiert die Dämpfung.
Beispielsweise umfasst die Antriebeinrichtung einen elektrostatischen Antrieb und/oder einen magne- tischen Antrieb. Das in den oberen Absätzen beschriebene mikromechanische Bauteil umfasst sowohi bei Verwendung des elektrostatischen Antriebs als auch bei Verwendung des magnetischen Antriebs die beschriebenen signifikanten Vorteile.
Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile gelten auch für ein entsprechendes Verfahren ztun Betreiben eines mikromechanischen Bauteils und für ein derartiges Herstellungsverfahren für ein mik- »mechanisches Bauteil.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf ein mittels zweier Ilebeielemente verstellbares Stellelement zum Darstellen einer ersten Ausiuhrungsform des mikroraechanischen Bauteils;
Fig. 2 einen Querschnitt zum Darstellen einer zweiten Austuhrungsform des mikrome- chanischen Bauteils; und
Fig. 3A und 3B Querschnitte zum Darstellen einer dritten Ausfilhrungsform des mikromechani- schen Bauteils. Ausfuhningsfonne» der Erfindung
In den folgenden Absätzen wird die Erfindung anhand eines als Mikrospiegei ausgebildeten mikrome- ehamschen Bauteils erläutert. Das als Mikrospiegei ausgebildete mikromechanische Bauteil kann bei- spielsweise ein Head-up-Display in einem Kraftfahrzeug, ein Bildprojektor oder ein 2-D-Scaαner sein. Es wird hier jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Mikrospiegei be- schränkt ist. Anstelle einer Spiegeiplatte können auch andere Stelielemente verstellbar sein.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht auf ein mitteis zweier Hebelelemente verstellbares Stellelement zum Dar- stellen einer ersten Ausfuhruagsform des mikromechanischen Bauteils.
Das dargestellte Stellelenient 10 umfasst eine Spiegeiplatte 12 und einen Torsionskörper 14. Der Tor- sionskörper 14 ist fest an der Spiegelplatte 12 angeordnet und steht in y-Richtung von der Spiegelplat- te 12 ab. Beispielsweise ist der Torsionskörper 14 einstöckig mit der Spiegelplatte 12 ausgebildet. Mitteis einer Torsionsfeder 16 ist der Torsionskörper 14 so mit einer nicht gezeigten Rahmenhalterung verbunden, dass der Torsionskörper 14 mit der daran befestigten Spiegelplatte 12 um eine durch eine Mittellängsachse des Torsionskörpers 14 verlaufende Drehachse 18 drehbar ist.
Wie weiter unten noch genauer beschrieben wird, dient der Torsionskörper 14 dazu, ein Torsionsmo- ment auf die Spiegeiplatte \ 2 zu übertragen. Dazu weist der Torsionskörper 14 senkrecht zu der Dreh- achse 18 eine maximale Breite auf, die deutlich unter der maximalen Breite der Spiegeiplatte 12 senk- recht zu der Drehachse 18 liegt.
An zwei gegenüberliegenden, parallel zur Drehachse IS ausgebildeten Seiten des Torsionskδrpers 14 ist je eine Feder 20a und 20b befestigt. Vorzugsweise sind die Federn 20a und 20b Sehamier-
Tσrsionsfedern. Jede der beiden Federn 20a und 20b verbindet den Torsionskörper 14 mit einem He- belelement 22a oder 22b. Die beiden Hebeielcmente 22a und 22b erstrecken sich in zwei entgegen gesetzte Richtungen senkrecht von der Drehachse 18 des Stellelements 10 weg.
Die den Federn 20a und 20b entgegen gerichteten Enden der Hebelelemente 22a und 22b sind über je eis) Federelement 24a und 24b an der (nicht skizzierten) Ralimenhalterung befestigt. Mittels einer (nicht gezeigten) Antriebeinrichlυng kann das Hebelclement 22a um eine durch das Federelement 24a verlaufende Hebelachse des Hebelelements 22a gedreht werden. Entsprechend lässt sich auch das Kc- beielemem 22b mittels der Antriebeinrichtung um eine durch das Federelement 24b verlaufende He- beiachse des Hebelelemente 22b drehen. Die Hebelachsen der Hebelelemente 22a und 22b liegen pa~ rallel zu der Drehachse 18 des Stellelements 10. Entsprechend sind die Hebelachsen der Hebeleicmen- te 22a und 22b senkrecht zu den Längsachsen der Hebelelemente 22a und 22b ausgerichtet.
Die Antriebeinrichtung kann beispielsweise ein elektrostatischer Antrieb oder ein magnetischer An- trieb sein. Entsprechend können auch die Hebelelemente 22a und 22b an die verwendete Antreibein- richtung angepassi sein. Beispiele für die Hebeleϊemente 22a und 22b bei einem elektrostatischen An- trieb oder bei einem magnetischen Antrieb werden weiter unten noch genauer beschrieben.
In einem inaktivierten Zustand der Aotriebeinrichtuag liegen die Mitteilängsachsen der Hebeleiemente 22a und 22b auf einer Geraden. Damit üben die Hebelelemente 22a und 22b im inaktiven Zustand der Antriebeinrichtung kein Drehmoment bzw. kein Torstonsmoment auf den Torsionskörper 14 aus. Die an dem Torsionskörper 14 befestigte Spiegelpiatte 12 befindet sich in diesem Fall in ihrer Ausgangs- stellung, welche beispielsweise parallel zur xy-Ebene ausgerichtet ist.
Die Antriebeinrichtung ist dazu ausgelegt, die Hebelelemente 22a und 22b gleichzeitig zu verstellen, wobei jedes der beiden Hebeidemente 22a und 22b in eine andere Drehrichtung 26a oder 26b gedreht wird. Beispielsweise dreht die Antricbeüirichtung das Hebelelement 22a um seine Hebelachse in die Drehrichtung 26a und gleichzeitig das Hebeielement 22b um seine Hebelachse in die Drehrichtung 26b. Die Drehrichiung 26b ist dabei der Drehrichtimg 26a entgegen gerichtet. Jedes der beiden Hebel- demente 22a und 22b wird dabei um einen ersten Verstcilwinkei αl gedreht.
Durch das Verstellen des Hebelelements 22a in die Drehrichtung 26a und das gleichzeitige Drehen des Hebelclements 22b ia die Drchrichrung 26b üben die beiden Hebelelemente 22a und 22b ein Dreh- moment, bzw. ein Torsionsmoment auf den Torsionskörper 14 aus. Dies bewirkt ein Drehen des Tor* sionskörpers 14 um die Drehachse 1$ um einen zweiten Versteilwinkci «2. Dadurch wird auch die an dem Torsionskörper 14 befestigte Spiegelplatte 12 aus ihrer Ausgangsstellung um den zweiten Ver- stellwinkei α2 gedreht.
In dem Beispiel der Fig. 1 sind die beiden Hebeleiemente 22a und 22b gleich lang und symmetrisch zur Drehachse 18 des Stclleiemcnts 10 angeordnet Der Abstand dl zwischen der Hebelachse des He- belelements 22a und der Feder 20a ist damit gleich dem Abstand dl zwischen der Hebelachse des Hebelelements 22b und der Feder 20b. Näherungsweise ist der Abstand dl gleich der Länge der He- bclelcmentϋ 22a und 22b. Demgegenüber weisen die Federn 20a und 20b einen Abstand d2 zu der Drehachse 18 des Steilelements 10 auf, welcher deutlich kleiner als der Abstand dl ist. Für die Abstände dl und d2 und die Versteliwinkel αl und α2 gilt die Gleichung (GLI):
D2 - sinöf2 = Z)l-sinαl
Oa iß der gezeigten Ausführungsform der Abstand dl deutlich größer als der Abstand d2 ist, ist der Versteliwinkcl α2 der Spiegclplatte 12 signifikant größer als der Versteilwinkel αl der Hebelelemente 22a und 22b. Somit bewirkt eine vergleichsweise kleine Verstellung der Hebelelemente 22a und 22b eine relativ große Verstellung der Spiegeiplatte 12. Das Verhältnis zwischen den Verstellwinkeln αl und α2 kann über den Abstand der Federn 20a und 20b von der Drehachse 18, bzw. über die Form des Torsionskörpers 14 und/oder über die Länge der Hebelelemenle 22a und 22b eingestellt und optimiert werden. Der Vorteil der Verwendung des Torsioiiskörpers 14 anstelle eines direkten Befestigens der Federn 20a und 20b an der Spiegelplatee 12 liegt darin, dass auf diese Weise auch bei einer ver- gleichsweise großen maximalen Breite der Spiegelplatte 12 senkrecht zu der Drehachse 18 der Ab- stand 62. zwischen der Drehachse 38 und den Feder 20a und 20b relativ klein ist
Das gleichzeitige Ausienken der Hebelelemente 22a und 22b in zwei entgegen gesetzte Drehrichtun- gen 26a und 26b gewährleistet, dass nur ein Torsionsmoment auf den Torsionskörper 14 ausgeübt wird. Dies ist zur Vermeidung von ungewollt angeregten Schwingungsmoden von Vorteil. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt zum Darstellen einer zweiten Ausfuhrungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das dargestellte mikromechanische Bauteil 50 ist in zwei Raumrichtungen spiegeisymmetrisch ausge- bildet. Die zwei Mittelebenen des mikromechanischen Bauteils 50 sind somit Spiegeisymmetrieebe- nen. Aufgrund der zweidimensionalen Spiegelsymmetrie des mikromεchanischen Bauteils 50 zeigt Fig. 2 nur einen Ausschnitt eines Querschnitts durch das mikromechanische Bauteil SO entlang seiner Mittelhöhenebene. Dabei wurde auf ein schematisches Darstellen der Komponenten außerhalb des durch die Symmetrieachsen 52 und 54 begrenzten Viertels verzichtet.
Das mikromechanische Bauteil 50 weist ab Stellclement eine Spiegelplatte 66 auf, welche um die Symmetrieachsen 52 und 54 drehbar ist. Auf den Mechanismus zum Drehen der Spiegeiplatte 66 um die Symmetrieachse 54 wird hier nicht eingegangen. Das Drehen der Spiegelplatte 66 um die Symmet- rieachse 52 erfolgt indirekt mitteis einer als magnetischer Antrieb ausgebildeten Antriebeinrichtung.
Der magnetische Antrieb umfasst eine (nicht dargestellte) externe Spule, welche so angeordnet ist, dass bei einem Stromlluss durch die Spule ein Grundmagnetfeld 56 mit magnetischen Feldlinien pa- rallel zu der Symmetrieachse 54 aufgebaut wird. Selbstverständlich kann der magnetische Antrieb anstelle oder zusätzlich zu der externen Spule auch einen Permanentmagneten umfassen.
Die Feldlinien des Grundmagnetfeids 56 verlaufen auch durch das Innere einer Rahraenhalterung 58. Im Inneren der Rahmenhaiterung 58 sind die beiden Hebelelemente 60 angeordnet. An jedem der bei- den Hebelelemente 60 ist eine Spule 62 ausgebildet. Beispielsweise werden in einem Halbleitermate- rial Metallschichten auf einem Hebelelement 60 abgeschieden und anschließend entsprechend struktu- riert.
über Zuleitungen 64, welche über die Federelemente 63 geführt sind, kann ein Strom durch die Spu- len 62 der Hebeielemente 60 geleitet werden, um weitere Magnetfelder zu erzeugen, welche als He- belmagneifeldcr bezeichnet werden. Selbstverständlich können dazu auch mehrere stromführende Spulen 62 auf jedem der Hebelelemeαte 60 angebracht sein.
Die Hebelelemente 60 sind mittels der Federelemente 63 drehbar innerhalb der Rahmenhaiterung SS angeordnet. Die Wechselwirkung eines Spuienmagnetfelds mit dem Grundmagßetfeld 56 bewirkt so- mit ein Drehen des zugeordneten Hebelclements 60 um eine Hebelachse 61.
Die Spiegelplatte 66 des mikromechanischen Bauteils 50 ist mittels zweier entlang der Symmetrieach- se 34 verlaufender Torsionsfedem 68 mit einem Torsionskörper 70 verbunden ist. Der Torsionskörper 70 umfässt einen Rahmen 72 und zwei in zwei entgegen gesetzten Richtungen von dem Rahmen 72 abstehende Stegelemente 74, welche entlang der Symmetrieachse 52 verlaufen. Der Rahmen 72 und die Stcgelementc 74 können einstöckig ausgebildet sein. Jedes der beiden Stegelcmente 74 weist an zwei entgegen gerichteten, parallel zur Symmetrieachse 52 verlaufenden Seiten eine Feder 76 auf. Vorzugsweise können die vier Federn 76 Scharnier-Torsionsfedem sein. Dabei kann eine Schamier- Torsiousfeder anstelle der gezeigten zwei Schenkel mir einen Schenkel aufweisen. Auf diese Weise lässt sich όia Federsteifigkeit der Federn 76 reduzieren. Je zwei an einer Seite der Symmetrieachse 52 angeordnete Federn 76 verbinden den Torsionskörper 70 mit dem benachbarten Hebelelement 60. Zusätzlich sind die der Spiegelplatte 66 entgegen gerichteten Enden der Stegelemente 74 mittels je einer Torsionsfeder 78 mit der Rahmenhaiterung 58 verbunden.
Durch die Bereitstellung von Hebelelementen 60, welche nicht einstückig mit dem Torsionskörper 70 ausgebildet sind, steht genug Anbringfläche zum Anbringen der Spulen 62 zur Verfügung, ohne dass dazu eine Ausdehnung des Torsionskörpers 70 vergrößert werde» muss. Der Torsionskörper 70 mit der Spiegeiplatte 66 ist somit verstellbar, ohne dass an dem Toreionskörper 70 selbst eine Spule 62 angebracht ist.
Die Bestromung der Spulen 62 der Hebetelementc 60 kann so erfolgen, dass auf die beiden Hebelele- mente 60 Drehmomente wirken, welche jedes der beiden Hebelelemente 60 in eine andere Drehrich- timg drehen. Während das erste Hebclelement 60 in eine erste Drehrichtung um seine Hebclachse 61 verstellt wird, wird das zweite Hebelelement 60 gleichzeitig in eine entgegen gerichtete zweite Dreh- richtuag gedreht. Vorzugsweise werden dabei beide Hebelelemente 60 um den gleichen ersten Ver- stellwinkel gedreht.
Dies bewirkt ein Torsionsmoment auf den Torsionskörper 70, welches den Torsionskörper 70 um ei- nen zweiten Verstcliwinkel um die Symmetrieachse 52 verkippt. Die Spiegelplatte 66 wird dabei mit dem Torsionskörper 70 um den zweiten Versteliwinkel gedreht. Je näher άi& Hebelachsen 61 an der Synϊmetrieachse 52 liegen, umso größer ist das auf den Torsionskörper 70 und die Spiegelplatte 66 ausgeübte Drehmoment, bzw. Torsionsmoment.
Tn der gezeigten AusfUhnmgsform weisen die Hebelachsen 61 einen Abstand dl zu den Federn 76 auf, welcher deutlich größer als ein Abstand d2 zwischen den Federn 76 und der Symmetrieachse 52 ist. Da für die Abstände dl und d2 und die Verstellwinkel der Hebelelemente 60 und des Torsionskörpers 70 die oben schon angegebene Gleichung (GL 1 ) gilt, bewirkt somit ein Verstellen der beiden Hebel- elεmente 60 um einen vergleichsweise kleinen Versteliwinkel die Torsion des Torsionskörpers 70 um einen relativ großen Verstellwinkei. Damit gewährleistet auch die anhand der Fig. 2 beschriebene Ausrukuαgsform eine Steigerung des maximalen Verstellwinkels der Spiegelplatte 66 auf einfache Weise. Die Form des Torsionskörpers 70, insbesondere die Breite der Stegelemente 74 senkrecht zu der Symmetrieachse 52, ist so gewählt, dass bei einem vergleichsweise kleinen Abstand zwischen den Hebelachsers 6] und der Symmetrieachse 52 ein gewünschtes Verhältnis zwischen den Abständen dl und d2 vorliegt. Vorzugsweise ist dabei der Absland dl deutlich größer als der Abstand d2. Somit können die Lage der Hebelachse 61 und die Abstände dl und d2 entsprechend dem gewünschter: Drehmoment und in Hinblick auf den bevorzugten maximalen Verstellwinkel der Spiegelplatte 66 durch eiαe geeignete Form des Torsionskörpers 70 optimiert werden.
Zum Delektieren der aktuellen Stellung der Spiegεiplatte 66, bzw. des Torsionskörpers 70, kann auf der Spiegelplatte 66 und/oder dem Torsionskörper 70 ein (nicht dargestellter) Sensor angeordnet wer- den. Über die Zuleitungen 80 kann der Sensor mit Strom versorgt werden. Zusätzlich können über die Zuleitungen 80 Signale des Sensors an eine externe Auswerteeinrichtung weitergeleitet werden. Die Zuleitungen 80 können auch Steuersignale zum Drehen der Spiegelplatte 66 um die Symmetrieachse 54 an den dazu verwendeten, hier nicht beschriebenen Mechanismus weiterleiten.
Insgesamt können aber die Federelemente 63, die Federn 76 und die Torsionsfedem 78 Zuleitungen 64 und 80 geführt werden. Über die zwei Federn 76 sind dabei vier Zuleitungen 80 pro Hebelelement 60 auf den Torsionskörper 70 realisierbar. Zusätzlich kann über jede der beiden Torsionsfedern 78 mindestens eine Zuleitung 80 auf den Torsionskörper 70 geführt werden.
Fig. 3 A und 3B zeigen Querschnitte zum Darstellen einer dritten Ausfiihrungsfσrm des mikromecha- nischen Bauteils.
Auch bei dem mikromechanischen Bauteil 100 sind die Mittelebenen als Spiegeisymmetrieebenen ausgebildet. Fig. 3 A zeigt deshalb nur ein durch die Symmetrieachsen 102 und 104 begrenztes Viertel eines Querschnitts entlang einer Mitteihöhenebene des mikromechanischen Bauteils 100.
Das mikroraechanische Bauteil 100 weist als Stelielement die Spiegelplatte 66 mit den Torsionsfedern 68 und dem Torsionskörper 70 auf. Die Spiegelplatte 66 ist mittels eines nicht weiter beschriebenen Mechanismus um die Symmetrieachse 104 verstellbar. Zum Drehen der Spiegelptatte 66 um die Syin- metrieachse 102 dient indirekt eine als elektrostatischer Antrieb ausgebildete Antriebeinrichtung.
Bei dem mikromechanischen Bauteil 100 mit einem elektrostatischen Antrieb sind an den Innenwän- den einer Rahmenhaiterung 106 Siatorelektroden 108 angeordnet. Um eine möglichst große Anzahl von Statoreiektroden 108 zu gewährleisten, weist die Rahmenhalterung 106 Querbalken 109 auf, wel- che in das innere der Rahmenhalterung 106 hineinragen und ebenfalls Statorelektroden 108 aufweisen.
Zusätzlich umfasst das mikromechanische Bauteil 100 aus mehreren Balken zusammengesetzte He- belelexrsente 110, welche mit Aktorelektroden 112 ausgestattet sind. Die Aktorelektroden 112 sind benachbart zu den Statorelektroden 10S angeordnet, wobei die Aktorelektroden 112 in einer ersten Ebene und die Statoreiektroden 108 in einer darüber und/oder darunter liegenden zweiten Ebene ange- ordnet sind. Mittels der Zuleitungen 114, welche über die Torsionsfedem 116 von der Rahmenhalte- rung 106 zu den Hebelelementen 110 geführt werden, kann eine Spannung zwischen den Statore- iektroden 108 und den Aktorclcktroden 112 angelegt werden. Die parallel zur Symmetrieachse 102 verlaufenden Torsionsfedem 116 verbinden die Hebeleieracnte 110 mit der Rahmenhalterung 106. Die Biegesteifigkeit der Torsionsfedern 116 ist dabei so gewählt, dass die Hebeleiemente 110 um eine durch die zugehörigen Torsionsfederα 116 verlaufende He- belachse 118 drehbar sind. Wird eine Spannung zwischen de» Staiorelekttoden 108 und den Aktore- lektrσden 112 angelegt, so wirkt ein Drehmoment in Richtung der Statorelektroden 108 auf ein Hebei- eiement 110, welches das Hebelelement 110 um seine Hebelachsε 118 dreht
Der Torsiαnskörper 70 ist, wie bei der oben beschriebenen Ausfuhrungsform, aber die Torsionsfederu 78 mit dem Rahinengehäuse 106 verbunden. Zusätzlich verbinden die Federn 76 die Stegelεmeme 74 mit. den Hebeielementen 110. Vorzugsweise sind die Federn 76 als Schamier-Torsionsfedern ausge- bildet. Insbesondere können die Federn 76 einschenklige Scharnier-Torsionsfedern mit einer reduzier- ten Federsteifigkeit sein. Der Abstand dl zwischen den Hebelachsen 118 und den Federn 76 ist dabei deutlich größer als der Abstand d2 zwischen der Symmetrieachse 102 und den Federn 76.
An dem Torsionskörper 70 selbst sind keine Aktorclektroden 112 angebracht. Stattdessen dienen die Hebelelemcßte 110 als Anbringelemente für die Aktorelektroden 112. Damit fuhrt eine Steigerung der Anzahl der Aktorelektroden 112 zum Steigern der Aktorelektroden-Gesamtfläche nicht zu einer Ver- größerung des Torsionskörpers 70. Auf diese Weise lässt sich die erzeugbare elektrostatische Kraft zum Verstellen der Spiegelplatte 66 maximieren und gleichzeitig die maximale Ausdehnung des Tor- sionskörpers 70 minimieren.
Für die Stromversorgimg des Mechanismus zum Verstellen der Spiegelplatte 66 um die Symmetrie- achse 104 und/oder eines Sensors zum Ermitteln einer Stellung der Spiegelplatte 66 können weitere Zuleitungen 119 über die Federn 76 und/oder über die Torsionsfedern 78 geführt werden. Die Zulei- tungen 1 ! 9 können dabei als Ergänzungen zu den über die Torsionsfedem 116 gelührten Zuleitungen 114 dienen. Beispielsweise sind über die zwei als Schamier-Torsionsfedern ausgeführten Federn 76 eines jeden Hebelelements 110 vier elektrische Zuleitungen 119 realisierbar. Auch über jede der Tor- sionsfedern 78 kann mindestens eine Zuleitung 119 gelegt werden. Ober die Zuleitungen 119 können auch Signale zwischen einer extern Steuer- und Auswerteeinrichiung, dem Mechanismus und/oder dem Sensor weitergeleitet werden.
Fig. 3B zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 3A.
In Fig. 3B sind die mittels der Torsionsfedem U6 an der Rahmenhai terung 106 befestigten Hebeleie- mente 110a und i 10b aus ihren Ausgangspositionen verstellt. Das erste Hebelelement HOa ist dabei mittels des elektrostatischen Antriebs um einen ersten Versteilwinkel et! in eine Drehrichtung 120a verstellt. Entsprechend ist auch das zweite Hebelelement IiOb in eine der ersten Drehrichtung 120a entgegen gerichtete zweite Drehrichtung 120b um den ersten Verstellwinkel αl gedreht. Der maximale erste Verstellwänkel αl der Hebelelemente 1 1 Oa und 110b in die Drehrichtungen 120a oder 120b sind durch άk Schichtdicke der Aktorelektroden 112 und der Statorelektroden 108 bestimmt.
Das gegenseitige Verstellen der Hebelelemente 110a und 110b bewirkt ein Torsionsmoment 122 auf den Torsionskörper 70. Die an dem Torsionskörper 70 befestigte Spiegeipiatte 66 wird somit zusam- men mit dem Torsionskörper 70 um die senkrecht durch die Zeichenebene verlaufende Symmetrieach- se 102 gedreht. Dies bewirkt ein Verstellen der Spiegelplatte 66 um einen zweiten Verslellwinkei o2.
Für die Abstände dl und d2 und die Verstellwinkel αl und OE2 gilt die oben angegebene Gleichung (GLl). Da der Abstand dl signifikant größer als der Abstand d2 ist, bewirkt ein Drehen der Hebelele- menie 110a und 110b um den vergleichsweise kleinen Verstellwinkel α1 ein Verstellen der Spiegel- platte 66 um einen relativ großen. Verstellwinkel «2. Die Hebelelemcnte 110a und 11 Ob können bei- spielsweise eine Länge von 1 mm aufweisen. Der Abstand dl beträgt damit ! mm. Demgegenüber weist die Spiegelplatte 66 vorzugsweise einen Durchmesser 1 bis 2 mm auf. Dies bewirkt einen Ab- stand d2 von etwa 200 μm. Bei diesen Werten für die Abstände d 1 und d2 bewirkt ein Verstellen der Hebekiemente i 10a und i 10b um einen ersten Verstellwinkei al = 2,9° eine Drehung der Spiegelplat- te 66 um einen zweiten VersteHwinkel α2 = 14°. Damit bietet auch das mikromechanische Bauteil 100 eine einfach ausführbare Möglichkeit zum Steigern eines maximalen Versteilwinkels α2 der Spiegel- patte 66. Das auf die Spiegelplatte 66 ausgeübte Drehmoment kann über die Anzahl der auf den He- beleiementen. 110a und 110b angeordneten Aktorelektroden 112 unabhängig von der Länge oder Brei- te des Torsionskörpers 70 gesteigert werden.
Selbstverständlich ist auch ein mikromechanisches Bauteil realisierbar, welches nur ein Hebelelement aufweist. Ein derartiges mikromechanisches Bauteil besteht beispielsweise aus nur zwei Quadranten der mikromechanischen Bauteile 50 oder 100.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauteil (50, 100) mit
einer Feder (20a,20b,76);
einem an einem ersten Ende der Feder (20a,2üb,7δ) befestigten Kebelelement (22a,22b,60,i 10,110a,H0b);
einer Antricbeiπrichtung, weiche dazu ausgelegt ist, das Hebelelement (22a,22b,60,- 10,13Oa111 Ob) um eine senkrecht zu einer Längsachse des Hebelcicinents (22a,22b,60,l 10,110a,! iθb) ausgerichtete erste Drehachse (61,118) zw drehen; uad
einem an einem zweiten Ende der Feder (20a,2Gb,76) befestigten Stellelement (10,66,70), welches so mittels der Feder (20a,20b,76) an das Hebelelement {22a,22b,60,l 10,110a,l 10b) gekoppelt ist, dass bei einem Drehen des Hebelelements (22a,22b,60,l 10,110a,l 10b) um die erste Drehachse (61,118) mittels der Antriebetnrichtimg das Stellelement (10,66,70) um eine zweite Drehachse (18,52,102) ge- dreht wird.
2. Mikromechanisches Bauteil (50, 100) nach Anspruch 1 , wobei ein erster Abstand (d \ ) zwi- sehen der Feder (20a,20b,76) und der ersten Drehachse (61,118) ungleich einem zweiten Abstand (d) zwischen der Feder (20a,20b,76) und der zweiten Drehachse (18,52,102) ist
3. Mikromechanisches Bauteil (50,100) nach Anspruch 2, wobei das SteSielemeni (10,66,70) mittels der Feder (20a,20b,76) so an das Hebeleleraent (22a,22b,60,l 50,110a,l 10b) gekoppelt ist, dass, falls das Hebelement (22a.22b,60,l 10,110a,l 10b) um einen ersten Versteilwinkel (αl) um die erste Drehachse (61,118) gedreht wird, das Stelϊelement (10,66,70) um einen zweiten VersteUwinkel (α2) ungleich dem ersten VersteUwinkel (αl) um die zweite Drehachse (18,52,102) gedreht wird
4. Mikromechanisches Bauteil (50, ! 00) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der zweite Abstand (d2) kleiner als der erste Abstand (dl) ist.
5. Mikromechanisches Bauteil (50, 100) nach Anspruch 4, wobei der zweite Abstand (d2) min- destens um einen Faktor 2 kleiner als der erste Abstand (dl) ist.
6. MikTomeehanisches Bauteil (50,100) nach Anspruch 2 oder 3, wobei der zweite Abstand (d2) mindestens urei einen Faktor 2 größer als der erste Abstand (dl) ist.
7. Mikromechanisches Bauteil (50,100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil (50,100) ein weiteres durch die Antriebeinrichtung drehbares Hebelelement (22a,22b,60, i 10, 110a, 11 Ob) umfasst, und wobei das Stellelement mitteis der Feder (20a,20b,76) so an das Hebelelement (22a,22b,60,l 10,110a,l 10b) und mittels einer weiteren Feder (20a,20b,76) so an das weitere Hebelelement (22a.22b.60, U 0,110a,l 10b) gekoppelt ist, dass das SteUelemem mittels eines Dreheus des Hebelelements (22a,22b,60,l 10,1 iθa,l 10b) in eine erste Drehrichtung (26a,26b, 120a, 120b) und eines gleichzeitigen Drehens des weiteren Hebclelements (22a,22b,6Q,l 10,11Oa5HOb) in eine der ersten Drehrichtung (26a,26b,120aJ20b) entgegen gerichtete zweite Drehrichtuαg (26a,26b,120a,i20b) verstellbar ist.
S. Mikromechanisches Bauteil (50,100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Feder (20a,20b,76) und/oder die weitere Feder (20a,2üb,76) eine Schamier-Torsionsfcder ist.
9. Mikromechanisches Bauteil (50,100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Antriebeinrichtung einen elektrostatischen Antrieb und/oder einen magnetischen Antrieb umfasst.
10. Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils (SO, 100) mit einer Feder (20a,20b,76), einem an einem ersten Ende der Feder <20a,20b,76) befestigten Hebelelement
(22a,22b,60,i 10,110a, 110b), einer Antriebeinrichtung, weiche dazu ausgelegt ist, das Hebelelement (22a,22b,60,l 10,110a,l 10b) um eine senkrecht zu einer Längsachse des Hebelelements (22a,22b,60,l 10,11 Oa, 11 Ob) ausgerichtete erste Drehachse (61,118) zu drehen, und einem an einem zweiten Ende der Feder (20a,20b,76) befestigten Stellelement (10,66,70), mit dem Schritt:
Drehen des Stellεlements (10,66,70) um eine zweite Drehachse (18,52,102) durch Drehen des Hebel- Clements (22a,22b,60,l 10,110a, 110b) um die erste Drehachse (61,118) mittels der Antriebeinrichtung.
11. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil (50,100) mit den Schritten: Bilden eines Hebelelements (22a,22b,60, 110, 110a,110b) und einer Antriebeisirichtung, welche dazu ausgelegt ist, das Hebelelement (22a,22b,60,110,110a,110b) um eine sεnkiecht zu einer Längsachse des Hebelelements (22a,22b,60,110,110a,110b) ausgerichtete erste Drebachse (61,118) zu drehen;
Befestigen des Hebelelements (22a,22b,60,110,110a,110b) an einem erstes Ende einer Feder (20a,20b,76);
Befestigen eines Stellelements (10,66,70) an einem zweiten Ende der Feder (20a,20b,76), wobei das StcHelement (10,66,70) mittels der Feder (20a,20b,76) so an das Mebelement (22a,22b,60,110,110a,110b) gekoppelt wird, dass bei einem Drehen des Hebelelements
(22a,22b,60,110,110a,110b) um die erste Drehachse (61, 118) mittels der Antriebeinrichtung das Stell- element (10,66,70) um eine zweite Drehachse (18,52,102) gedreht wird.
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