WO2010060552A2 - Mikromechanischer aktuator mit elektrostatischem kamm-antrieb - Google Patents

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electrodes
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comb
tilting axis
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Martin Oldsen
Bernd Wagner
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0841—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting element being moved or deformed by electrostatic means

Definitions

  • the present invention relates to a micro-mechanical actuator, in particular a micromirror scanner, with an actuator unit in an outer frame, which is suspended in the outer frame via two torsion elements extending along an outer tilt axis of the actuator unit, and an electrostatic tilt drive interlocking first and second comb-shaped electrodes, of which the first electrodes are rigidly connected to the outer frame and the second electrodes are respectively connected to the actuator unit.
  • MEMS actuators For driving micromechanical silicon actuators (MEMS actuators), electrostatic forces have been used successfully for several decades. These have the opposite of electromagnetic, piezoelectric and thermal drive principles
  • the entire microactuator structure including its drives can be made entirely of silicon.
  • micromechanical actuators are resonant micromirrors, acceleration and yaw rate sensors. Since no further materials, which are usually mismatched in terms of their coefficient of thermal expansion, are used, these micromechanical actuators can be used with the usual wafer bonding techniques, such as anodic bonding, eutectic bonding or Glass frit bonding despite the associated high temperatures of sometimes well above 300 ° C comparatively easily and with high yield on the wafer level encapsulate (wafer level Packagmg). Proper encapsulation is indispensable for MEMS products to provide protection against contamination with particles, liquids, and gases, as well as mechanical overstress. The possibility of encapsulating these systems not only at the chip level but already at the wafer level results in low production costs and at the same time high manufacturing yields.
  • electrodynamic drives require the application of thick metal layers in order to realize planar coils with the lowest possible ohmic resistance.
  • metal deposition hardly avoidable layer stresses or layer stress gradient, which can have strong bending of the actuator result, as well as the high metallic mass, which must carry the actuator with it, results in an even greater
  • the thermal mismatch of the materials involved precludes a wafer level packaging process because of the high temperatures.
  • only non-hermetic adhesive bonding techniques are left over to protect the microstructure.
  • the proposed micromechanical actuator is particularly important for the field of optical micromirror actuators, but can also for many other actuator types such as switches or
  • Micromirrors are used for the targeted deflection of an incident light beam or electromagnetic radiation of other wavelength ranges (IR, UV). As a rule, these are thin plates etched out of silicon, which are either dielectrically or mirror-coated with very thin metallic layers and are suspended movably on torsion or bending bands. Resonantly operated, such micromirrors of up to several millimeters can be deflected at frequencies of many kilohertz with sufficiently large scan amplitudes. In recent years, intensive work has been done on the development of two-axis scanning micromirror systems, which are to be used in compact laser projection displays. A single or multicolored laser beam is directed at the movable mirror and deflected by it in two axes, vertically and horizontally, so fast, - A -
  • the raster scan which is preferably used, a fast line movement is usually combined with a slow vertical movement.
  • a line frequency of at least 36 kHz is needed. This applies to line projections of a writing direction, ie z. B. from left to right. During the reset time of the line or horizontal scanner so no information is transmitted.
  • Horizontal scanner usually operated in resonance, which has a sinusoidal velocity profile and thus an undesirable inhomogeneous distribution of light intensity in the row direction result. While this is almost impossible to avoid in relation to the horizontal axis, an optimal homogeneity of the image representation is to be achieved at least in the vertical direction. This is ideally done by one non-resonant operation for vertical displacement with a serrated scan. In order to optimally use the available light, the goal is to make the rapid return to the starting point - ie the steeply sloping edge of the vertical scan of the vertical scan - as short as possible.
  • a mirror plate with a diameter in the millimeter range is required for optical boundary conditions. The product of mirror diameter and one-sided mechanical scanning angle yields the so-called theta D product, which can be regarded as a measure of the optical resolution. For example, for a SVGA resolution in the horizontal direction, a theta D
  • p is the density of the mirror material (silicon density: 2330 kg / m 3 ).
  • Taclator T mach ( ⁇ A) '
  • microactuators with electromagnetic drives are known for generating torques of this magnitude.
  • these have the disadvantages mentioned above.
  • Known micromechanical actuators with non-resonant electrostatic drives are not yet able to achieve 0 such torques at the required size of the micromirror and high deflection.
  • electrostatic tilting drives which have intermeshing movable and static combing or finger-shaped electrodes.
  • electrostatic drives also referred to as 0 comb drives
  • Comb electrodes with mutual vertical vertical offset into consideration.
  • the high offset is generated by using a second silicon layer, which is electrically isolated from the underlying first electrode plane.
  • Static and movable electrodes are generated in different levels and thus have the desired height difference.
  • the movable electrode By applying a voltage between the static and movable electrodes, the movable electrode is deflected out of the plane until the electrostatic torque and mechanical momentum of the spring suspension of the mirror or frame equalize each other.
  • the maximum achievable static deflection angle is on the one hand by the conditional by the manufacturing process
  • the platform is tilted over comb drives, which are far from the mirror or located on the platform.
  • the torques are transmitted to the platform via long, chip-centered and multi-articulated rods. Due to this structure, both chip edge lengths are almost the same size and thus unsuitable for installation in flat devices, in particular flat mobile phones.
  • the proposed scanner achieves a mechanical vertical total deflection of approx. 11 °, ie a symmetrical deflection of +/- 5.5 °. This also does not yet meet the above requirements for a high-resolution laser display.
  • the object of the present invention is to provide a micromechanical actuator with a non-resonant electrostatic comb drive, which is suitable for a micromirror with an edge length of at least one millimeter at a self-resonance of> 1 kHz by at least + / - deflect 7 °.
  • the actuator should also be suitable in a biaxial configuration for the non-resonant drive of the slow axis and allow a simple and inexpensive production in silicon technology, a hermetic vacuum encapsulation and a low power consumption.
  • micromechanical actuator according to claim 1.
  • advantageous Embodiments of the actuator are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.
  • the proposed micromechanical actuator comprises an actuator unit in an outer frame which is suspended in the outer frame via two torsion elements extending along an outer tilting axis of the actuator unit, and electrostatic tilting drives of interlocking first and second comb or finger-shaped electrodes forming a mutual one another High offset.
  • the first electrodes are each rigid with the outer frame and the second electrodes each have an outer one
  • the outer connection member is formed to be in a vertical direction to that through the outer
  • the inner connecting element has a spring which extends parallel to the outer tilting axis, in each case in a region of the actuator unit is connected to this, which is closer to the outer tilting axis than on an outer tilting axis opposite edge of the actuator unit, and so formed and arranged is that it is rigid in the vertical direction and flexible transverse to the vertical direction.
  • the spring is designed so that it allows both lateral bending and torsion, so as to minimize the counter-circular arc movements of the actuator unit and electrostatic tilting drive To resist, but produces high resistance to vertical deflection.
  • the spring has a high aspect ratio rectangular cross section, i. the shape and characteristics of a leaf spring.
  • this leaf spring in cross-section could have a width of ⁇ 5 microns and a height of ⁇ 30 microns.
  • other geometries and cross sections of the spring are possible in order to achieve the properties described above.
  • the actuator unit may be formed by a micromirror, such that a single-axis micromirror scanner is obtained.
  • the actuator unit may itself also comprise a frame in which an actuator element, for example a micromirror, is rotatably mounted about a further tilt axis, as is realized in one embodiment of the proposed micro-mechanical actuator.
  • This provides a biaxial micromirror scanner that meets the above vertical deflection, resonant frequency and non-resonant slow axis requirements for lateral mirror dimensions of 1mm or greater.
  • the electrostatic tilting or comb drive for the actuator unit with the connecting elements to the actuator unit and to the outer frame.
  • An important feature here is the spring and its arrangement on the inner connecting element, by their influence, the high torques can be transmitted to the Aktuatoremheit correspondingly high deflection.
  • This requires a vertically rigid but laterally deflectable spring connected to the actuator unit near the outer tilt axis. In this case, a total of four springs are used, two for each side of the actuator unit with respect to the tilting axis, which are then symmetrically opposite to the actuator unit.
  • the electrostatic tilt drives can in this case also from several groups of comb or finger-shaped
  • Electrodes exist.
  • the first and second electrodes each have a mutual height offset in order to be able to achieve a stable deflection of the actuator unit in both directions.
  • the actuator unit or the actuator element are not limited to micromirrors. Rather, many other types of actuators, such as switches, sensors or gyroscopes can be realized with this structure.
  • the proposed actuator is designed as a two-axis actuator, in particular as a biaxial micromirror scanner.
  • the actuator unit
  • Actuator element in an inner frame and other electrostatic tilt drives from interlocking third and fourth comb or finger-shaped electrodes.
  • the actuator element is in turn via torsion elements which extend along an inner
  • Tilting axis extending perpendicular to the outer tilting axis, suspended in the inner frame.
  • the terms of the inner and outer tilting axis are used here only for Distinction of the two tilt axes, wherein the inner tilting axis denotes the tilting axis of the further inside element in the actuator.
  • the inner frame corresponds to the movable frame of this gimbal arrangement.
  • the third electrodes are rigidly connected to the inner frame and the fourth electrodes rigidly or flexibly connected to the actuator element in order to be able to drive a tilting of the actuator element about the tilting drive about the inner tilting axis.
  • the third and fourth electrodes are preferably arranged offset from one another.
  • a biaxial micromirror scanner can be achieved, which can achieve the large scan resolution required for high-resolution laser projection in the mchtresonant operation of the slow scan axis, without the scanner itself is too fragile, ie that the slow axis with a Resonant frequency of about 1 kHz or higher can be realized.
  • the slow axis corresponds to the tilt around the outer tilt axis. Horizontal deflections are made possible via the inner tilt axis in resonant mode with the required high frequency. Due to the electrostatic drive in both axes, such a micromirror scanner can be made entirely of silicon and silicon dioxide for the insulation, except for the anti-reflection layer and connection fields.
  • the first and second comb-shaped or finger-shaped electrodes are formed on both sides of the outer tilting axis, wherein the electrode fingers are each aligned parallel to the outer tilting axis.
  • micromechanical actuator The production techniques for such a micromechanical actuator are known to the person skilled in the art.
  • silicon techniques are generally used, wherein the stepped-up comb-shaped electrodes are produced by different layers in a corresponding layer structure.
  • Other techniques for generating the high offset are of course possible.
  • the connecting elements as well as the springs can be formed, for example, of silicon, which has sufficient elasticity for the ensures lateral bending or torsion of the spring.
  • the focus is on the fact that the springs offer little resistance to the desired functional and counter-rotating circular path movements of the actuator unit and electrostatic tilting drives, since otherwise most of the force gained by the many electrodes of the tilting drives has already been used up again.
  • the spring should transmit the vertical component of the movement of the electrostatic tilting drives as directly as possible and without loss.
  • Fig. 1 shows a first example of an embodiment of the micromechanical
  • FIG. 2 shows a second example of an embodiment of the micromechanical actuator as a biaxial micro-mirror scanner
  • FIG. 3 shows a third example of an embodiment of the micromechanical actuator as a biaxial micromirror scanner
  • FIG. 4 is a schematic representation of the tilting of the actuator unit of FIG Micromechanical actuator in cross section.
  • FIGS. 1 and 2 show embodiments of such a micromirror scanner in which, at the same time, a small chip edge length is achieved in a dimension parallel to the mirror surface.
  • a micromirror 1 is shown, which is suspended by means of torsion springs 2 about a tilting axis (inner tilting axis) running along the torsion springs 2 in a surrounding movable frame (gimbal) 3.
  • the micromirror 1 can be tilted in the movable frame 3 about the inner tilting axis by means of two electrostatic tilting drives which have stepped-up comb electrodes 8, 9.
  • the movable frame 3 (inner frame) is in turn suspended by means of torsion springs 4 around a tilting axis (outer tilting axis) predetermined by the course of the torsion springs 4 in the rigid chip frame 5 (outer frame) surrounding it.
  • the two tilt axes are perpendicular to each other.
  • the movable inner frame 3 can be via two electrostatic tilting drives 14, 15 in deflect vertically.
  • the tilting drives 14, 15 have a multiplicity of electrode fingers 16 that are movable relative to the chip frame 5 and whose static offset electrode fingers 17 are attached to the chip frame 5.
  • the movable electrode fingers 16 are connected to a U-shaped armature structure 12, which in turn is connected to the inner frame 3.
  • About the electrical control of the electrode fingers 16 and counter electrode fingers 17 may at the end of the U-shaped anchor structure 12 is a vertical stroke or a
  • the vertical movement generated by the comb drives is transmitted to the inner frame 3 via vertically rigid but laterally deflectable leaf springs 13.
  • the leaf springs 13 here have a length of 300 microns, a width of 4 microns and a height of 30 microns and are formed of silicon.
  • the lateral distance of the suspension point of the leaf spring 13 on the inner frame 3 determines the maximum achievable tilt angle of the inner frame 3 for a given maximum vertical deflection of the comb drives.
  • the vertical lift translation achieved in this way can be used to achieve mechanical tilt angles of + / - 10 ° and more to produce.
  • a tilt angle of +/- 10 ° there is a maximum lateral distance of the Connection point of the leaf spring 13 with the inner frame 3 of about 170 microns to the outer tilt axis.
  • the arrangement proposed here has the particular advantage that the comb electrode arrangement does not substantially expand in the axial direction of the outer tilting axis but perpendicularly thereto. In a biaxial scanner, this has the advantage that the many required drive electrodes extend parallel to the likewise expanded mirror torsion suspension formed by the torsion springs 2.
  • the chip is so by the drives of the inner frame substantially only in the direction of larger, in which it is already particularly extended already by the existing inner axis of rotation. Since the chip edge length perpendicular to this can remain particularly small, for example. In the range of 2 mm, such a micromirror scanner or micromirror chip is particularly suitable for installation in extremely flat mobile phones.
  • the comb drives 14, 15 are attached to the rigid chip frame 5 via their own suspensions, for example by suitable torsion or bending suspensions 18, they also have their own restoring moment.
  • This restoring moment contributes to the fact that the actuator mass does not significantly reduce the resonant frequency of the movable inner frame 3.
  • the resonant frequency of the movable frame 3 is predominantly determined by the gimbal structure and its torsion suspension 4 and influenced only to a small extent by the masses of the drives 14, 15.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of the proposed micromechanical actuator as a biaxial micromirror scanner.
  • This embodiment differs from the embodiment of Figure 1 in that the electrostatic comb drive 14, 15 is attached here via its central support beams directly to the rigid chip frame 5, wherein an intrinsic spring action is utilized in vertical bending of this support beam.
  • the outer connecting element is therefore formed here by the support beam itself. Otherwise, the embodiment corresponds to that of Figure 1.
  • FIG. 3 again shows a similar construction to that of FIG. 2.
  • the electrostatic comb drives 14, 15 are embodied in duplicate in order to be able to generate even greater forces.
  • the micromirror 1 is in turn suspended via corresponding torsion springs 2 in an inner frame (gimbal) 3.
  • the drives for the micromirror 1 in this inner frame 3 are not shown here in the figure.
  • the movable frame 3 is in turn suspended by means of torsion springs 4 in the rigid chip frame 5.
  • the electrostatic comb drives 14, 15 have a plurality of Finger electrodes 8, which are the staggered static finger electrodes 9 opposite.
  • the drives 14, 15 are each double, are located laterally of the movable frame 3 and on one side directly into the rigid chip frame 5.
  • FIG. 4 shows schematically the relationships during the deflection of the inner frame 3 by the electrostatic comb drives 14, 15 according to FIGS. 1 to 3. Shown here is a

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikromechanischen Aktuator, insbesondere einen Mikrospiegelscanner, mit einer Aktuatoreinheit (1-3) in einem äußeren Rahmen (5), die über zwei Torsionselemente (4) in dem äußeren Rahmen (5) aufgehängt ist, und elektrostatischen Kippantrieben (14, 15) aus ineinander greifenden ersten und zweiten kammförmigen Elektroden (16, 17), die einen gegenseitigen Höhenversatz aufweisen. Die ersten Elektroden (17) sind starr mit dem äußeren Rahmen (5) und die zweiten Elektroden (16) jeweils über ein äußeres Verbindungselement (18) mit dem äußeren Rahmen (5) und über ein inneres Verbindungselement (12, 13) mit der Aktuatoreinheit (1-3) verbunden. Das innere Verbindungselement (12, 13) weist eine Feder auf, die sich parallel zur äußeren Kippachse erstreckt, jeweils in einem Bereich der Aktuatoreinheit mit dieser verbunden ist, der nahe an der äußeren Kippachse liegt, und so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie in der vertikalen Richtung starr und quer zur vertikalen Richtung biegsam ist. Der vorgeschlagene mikromechanische Aktuator ermöglicht einen Einsatz in einem Mikrospiegelscanner bei nichtresonantem Antrieb der langsamen Achse mit Auslenkungen von > +/-7°, lateralen Spiegelgrößen mit Dimensionen von 1 mm und darüber und einer Resonanzfrequenz von > 1 kHz und lässt sich auch in flache Mobiltelefone integrieren.

Description

Mikromechanischer Aktuator mit elektrostatischem Kamm-
Antrieb
Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen mikro- mechanischen Aktuator, insbesondere einen Mikrospiegel- scanner, mit einer Aktuatoremheit in einem äußeren Rahmen, die über zwei sich entlang einer äußeren Kippachse der Aktuatoremheit erstreckende Torsions- elemente in dem äußeren Rahmen aufgehängt ist, und einem elektrostatischen Kippantrieb aus ineinander greifenden ersten und zweiten kammformigen Elektroden, von denen die ersten Elektroden starr mit dem äußeren Rahmen und die zweiten Elektroden jeweils mit der Aktuatoremheit verbunden sind.
Zum Antreiben mikromechanischer Siliziumaktuatoren (MEMS-Aktuatoren) werden bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich elektrostatische Kräfte eingesetzt. Diese besitzen gegenüber elektromagnetischen, piezo- elektrischen und thermischen Antriebsprinzipien den
Vorteil, dass die gesamte Mikroaktuator-Struktur samt ihrer Antriebe vollständig aus Silizium realisiert werden kann. Beispiele für derartige mikromechanische Aktuatoren sind resonant betriebene Mikrospiegel, Beschleunigungs- und Drehratensensoren. Da keine weiteren, in der Regel hinsichtlich ihres thermischen Ausdehnungskoeffizienten fehlangepassten Materialien verwendet werden, lassen sich diese mikromechanischen Aktuatoren mit den gangigen Wafer-Verbindungstechniken, wie anodisches Bonden, eutektisches Bonden oder Glasfrit-Bonden trotz der damit einhergehenden hohen Temperaturen von zum Teil deutlich über 300° C vergleichsweise leicht und mit hoher Ausbeute auf Wafer-Ebene verkapseln (Wafer-Level-Packagmg) . Eine geeignete Kapselung ist für MEMS-Produkte unerlasslich, um Schutz gegenüber Kontamination mit Partikeln, Flüssigkeiten und Gasen, aber auch gegenüber mechanischer Uberbeanspruchung zu bieten. Durch die Möglichkeit der Verkapselung dieser Systeme nicht erst auf Chip-Ebene sondern bereits auf Wafer-Ebene werden niedrige Herstellungskosten bei zugleich hohen Fertigungsausbeuten erzielt.
Diese Vorteile lassen sich mit den anderen Antriebsprinzipien nicht erreichen. So erfordern bspw. elektrodynamische Antriebe das Aufbringen dicker Metallschichten, um daraus Planarspulen mit möglichst geringem Ohmschen Widerstand zu realisieren. Neben dem bereits erheblichen Nachteil der bei der Metall- Abscheidung kaum zu vermeidenden Schichtspannungen bzw. Schichtspannungs-Gradienten, welcher starke Verbiegungen des Aktuators zur Folge haben kann, sowie der hohen metallischen Masse, die der Aktuator mit sich tragen muss, ergibt sich ein noch größeres Problem im Zusammenhang mit dem Versuch, einen solchen Aktuator mit Wafer-Bond-Techmken auf Wafer-Ebene zu verkapseln. In den meisten Fallen schließt die thermische Fehlanpassung der beteiligten Materialien ein Wafer-Level- Packagmg-Verfahren wegen der hohen Temperaturen aus. In der Regel bleiben dann nur nicht-hermetische Klebe- verbmdungstechniken zum Schutz der Mikrostruktur übrig. Weitere erhebliche Nachteile der elektromagnetischen Antriebe ergeben sich aus der Notwendig- keit, neben bewegten Planarspulen auch noch ein äußeres Magnetfeld durch möglichst dicht am Mikroaktuator platzierte, hybrid aufgebrachte Permanentmagnete zu erzeugen. Ein solches hybrid montiertes System ist teurer und weniger gut für Massenfertigung geeignet als ein elektrostatischer Aktuator. Das erzielbare Minimalvolumen eines elektromagnetisch angetriebenen MEMS-Aktuators liegt in der Regel deutlich über jenem, welches sich für einen mit elektrostatischen Antrieben ausgestatteten Aktuator erzielen lasst.
Der vorgeschlagene mikromechanische Aktuator ist besonders für den Bereich der optischen Mikrospiegel- Aktuatoren von Bedeutung, kann aber ebenso auch für viele andere Aktuatoren-Typen wie Schalter oder
Gyroskope zum Einsatz kommen. Mikrospiegel werden für das gezielte Ablenken eines einfallenden Lichtstrahls oder elektromagnetischer Strahlung anderer Wellen- langenbereiche (IR, UV) eingesetzt. In der Regel handelt es sich hierbei um aus Silizium heraus geatzte dünne Platten, die entweder dielektrisch oder mit sehr dünnen metallischen Schichten verspiegelt werden und beweglich an Torsions- oder Biegebandchen aufgehängt sind. Resonant betrieben lassen sich solche bis zu mehreren Millimeter großen Mikrospiegel bei Frequenzen von vielen Kilohertz mit ausreichend großen Scan- Amplituden auslenken. In den letzten Jahren wurde sehr intensiv an der Entwicklung von zweiachsigen scannenden Mikrospiegel-Systemen gearbeitet, welche in kompakten Laser-Projektions-Displays zum Einsatz kommen sollen. Ein ein- oder mehrfarbiger Laserstrahl wird auf den beweglichen Spiegel gerichtet und durch diesen in zwei Achsen, vertikal und horizontal, so schnell abgelenkt, - A -
dass auf der Projektionsflache für das menschliche Auge eine geschlossen ausgeleuchtete rechteckige Flache wahrnehmbar wird. Durch Synchronisation der modulierten Laserquelle mit der Spiegelbewegung kann dann BiId- information mit hoher Auflosung übertragen werden.
Für die Ablenkung des Laserstrahls über die Projektionsflache sind zwei grundsatzlich verschiedene Scan-Verfahren bekannt, der Raster-Scan sowie der Lissaj ous-Scan . Bei dem bevorzugt eingesetzten Raster- Scan wird in der Regel eine schnelle Zeilenbewegung mit einer langsamen Vertikalbewegung kombiniert. Um bspw. ein Bild in SVGA-Auflosung, also mit 600 Zeilen ä 800 Bildpunkten bei einer Bildwiederholrate von 60 Hz zu projizieren, wird eine Zeilenfrequenz von mindestens 36 kHz benotigt. Dies gilt für Zeilenprojektionen einer Schreibrichtung, also z. B. von links nach rechts. Wahrend der Ruckstellzeit des Zeilen- bzw. Horizontal- Scanners wird also keine Information übertragen. Mochte man jedoch beide Scanrichtungen ausnutzen, Zeilen also sowohl von links nach rechts als auch von rechts nach links projizieren, dann halbiert sich die Frequenzanforderung auf mindestens 18 kHz. Um bei dieser nach wie vor sehr hohen Scanfrequenz auch noch ausreichend große Scan-Amplituden erzielen zu können, werden die
Horizontal-Scanner üblicherweise in Resonanz betrieben, was einen sinusförmigen Geschwindigkeitsverlauf und damit eine unerwünschte inhomogene Verteilung der Lichtintensitat in Zeilenrichtung zur Folge hat. Wahrend dies in Bezug auf die horizontale Achse nahezu nicht zu umgehen ist, soll eine optimale Homogenitat der Bilddarstellung wenigstens in vertikaler Richtung erreicht werden. Dies wird idealerweise durch einen nichtresonanten Betrieb für die Auslenkung in vertikaler Richtung mit sagezahnformigem Scanverlauf erzielt. Um das zur Verfugung stehende Licht optimal zu nutzen, wird dabei angestrebt, den schnellen Rμcklauf zum Startpunkt - also die steil abfallende Sagezahn- Flanke des Vertikalscans - so kurz wie möglich zu gestalten. Für kompakte Laser-Projektions-Displays mit Auflosungen im VGA-Format, SVGA-Format oder großer ist aus optischen Randbedingungen heraus eine Spiegelplatte mit einem Durchmesser im Millimeterbereich erforderlich. Das Produkt aus Spiegeldurchmesser und einseitigem mechanischen Scanwinkel ergibt das sog. Theta-D-Produkt , welches als Maß für die optische Auflosung angesehen werden kann. So ist bspw. für eine SVGA-Auflosung in horizontaler Richtung ein Theta-D-
Produkt [mm x Grad] von 9,37 und in vertikaler Richtung von 7,03 erforderlich. Um einerseits eine ausreichende Schock-Robustheit und Vibrations-Unempfindlichkeit des Mikrosystems im mobilen Einsatz, bspw. in einem Mobiltelefon, und andererseits ein ausreichend schnelles Ruckstellen des Spiegels im Sagezahnbetrieb von vorzugsweise unterhalb von 2 ms zu erreichen, sollte die unterste Eigenresonanz der langsamen Achse (vertikale Auslenkung) 1000 Hz nicht unterschreiten.
Sei beispielhaft ein sehr kompakter zweiachsiger, kardanisch aufgehängter Mikrospiegel-Scanner angenommen, dessen Spiegel-Platte eine Kantenlange von 1 mm besitzt. Der diesen Spiegel und dessen Torsionsfeder umgebende, ebenfalls beweglich aufgehängte Rahmen (im
Englischen meist als Gimbal bezeichnet) besitzt zwangsläufig eine deutlich größere Kantenlange als der Spiegel. Nehmen wir eine vergleichsweise kurze Feder- lange der Torsionsfedern von 300 μm und eine zusatzliche Rahmenbreite von 200 μm an. Bei quadratischer Kontur besitzt der bewegliche Rahmen dann eine Kantenlange L von 2 mm. Für den Mikroaktuator nehmen wir ferner eine minimale Dicke D von 60 μm und eine
Mindest-Torsions-Eigenfrequenz von 1000 Hz an. Zum Erreichen von SVGA-Auflosung wird eine mechanische Verkippung θ des beweglichen Rahmens von mindestens +/- 7° benotigt:
Für die Torsions-Eigenfrequenz Fres gilt:
Figure imgf000007_0001
worin k die Federkonstante und J das Massen- tragheitsmoment des Spiegels um die Drehachse darstellen .
Für J gilt:
J = —pDÜ (2)
Darin ist p die Dichte des Spiegelmaterials (Dichte Silizium: 2330 kg/m3) .
Für das mechanische Rucksteil-Drehmoment Tmech bei gefordertem Vollausschlag von hier angenommenen +/- 7° gilt:
Tmech=kθ (3) Außerdem gilt für den Maximalausschlag:
T akluator =T mach ( ^A) '
5 Wird in Gleichung (3) die Federkonstante k durch Ausdruck (1) ersetzt und werden die gegebenen Werte für Frequenz, Dichte, Kantenlange und Spiegeldicke eingesetzt, so kann unter Berücksichtigung von Gleichung (4) das erforderliche vom Aktuator aufzubringende Dreh-0 moment TaktUator ermittelt werden:
Figure imgf000008_0001
Zur Erzeugung von Drehmomenten dieser Großen-5 Ordnung sind zwar Mikroaktuatoren mit elektromagnetischen Antrieben bekannt. Diese haben jedoch die weiter oben angeführten Nachteile. Bekannte mikromechanische Aktuatoren mit nichtresonanten elektrostatischen Antrieben sind bisher nicht in der Lage,0 derartige Drehmomente bei der geforderten Große der Mikrospiegel und hohen Auslenkung zu erreichen.
Stand der Technik 5 Für die Verkippung einer Aktuatoreinheit sind elektrostatische Kippantriebe bekannt, die ineinander greifende bewegliche und statische kämm- oder fingerförmige Elektroden aufweisen. Um mit Hilfe von derartigen elektrostatischen Antrieben, auch als 0 Kammantriebe bezeichnet, quasistatische Auslenkungen nennenswerter Amplitude zu erzeugen, kommen bislang nur Kammelektroden mit gegenseitigem vertikalen Hohenversatz in Betracht. In den meisten Fallen wird der Hohenversatz durch Verwendung einer zweiten Siliziumschicht erzeugt, welche gegenüber der darunter liegenden ersten Elektrodenebene elektrisch isoliert ist. Statische und bewegliche Elektroden werden in verschiedenen Ebenen erzeugt und besitzen dadurch den gewünschten Höhenunterschied. Durch Anlegen einer Spannung zwischen den statischen und beweglichen Elektroden wird die bewegliche Elektrode aus der Ebene heraus ausgelenkt bis elektrostatisches Drehmoment und mechanisches Ruckstellmoment der Federaufhangung des Spiegels oder Rahmens einander ausgleichen. Der maximal erreichbare statische Auslenkwinkel ist einerseits durch den durch den Fertigungsprozess bedingten
Höhenunterschied der Elektrodenebenen und andererseits durch die Elektrodengeometrie, nämlich den lateralen Abstand des beweglichen Elektrodenkamm-Endes von der Drehachse der Aktuatoreinheit , gegeben. Je großer dieser Abstand ist, desto kleiner ist der maximal erzielbare Auslenkwinkel. Je großer der Höhenunterschied der Elektrodenebenen ist, desto großer ist dieser Auslenkwinkel.
Um große Kippwinkel von großer +/- 5° mechanisch auch quasistatisch, d.h. im nichtresonanten Betrieb, erreichen zu können, ist es erforderlich, die Elektroden nahe der Dreh- bzw. Kippachse anzubringen und keine zu langen Elektrodenfinger zu realisieren. Nur auf diese Weise lasst sich über einen größeren Winkelbereich ein wirksames Drehmoment erzeugen. Aufgrund des kurzen Hebelarmes ist das erzielbare Drehmoment allerdings auch sehr viel niedriger als bei einer vergleichbaren achsenfernen Elektroden-Anordnung mit großem Hebelarm.
So zeigen bspw. Young-Chul Ko et al., „Gimbaled 2D Scanning Mirror with vertical combs for Laser Display", IEEE Optical MEMS and Their Applications Conference, 2006, Seiten 104 und 105, einen derartigen zweiachsigen Mikrospiegelscanner für Laserdisplays mit hohen- versetzten Kammelektroden, über die die langsame Achse dieser so genannten Gimbal-Anordnung nichtresonant angetrieben wird. Die beweglichen Kammelektroden sind hierbei fest mit der Aktuatoreinheit verbunden und erstrecken sich vom Verbindungspunkt mit der Aktuatoreinheit parallel zur äußeren Kippachse, d.h. zur langsamen Achse. Wahrend Spiegeldurchmesser und Resonanzfrequenz bei diesem Mikrospiegelscanner die obigen Anforderungen erfüllen, erreicht der erzielte mechanische quasistatische Kippwinkel von +/- 4,2° nicht die Vorgaben für hoch aufgelöste Projektion.
Dies ist nur ein Beispiel von vielen, die zeigen, dass eine Standardkonstruktion eines zweiachsigen Mikrospiegelscanners mit achsennah angebrachten Elektroden bisher nicht geeignet ist, die großen erforderlichen Scanwinkel der langsamen quasistatischen Achse von großer +/- 7° zu erreichen, wenn der Spiegel gleichzeitig einen Mindestdurchmesser von 1 mm nicht unterschreiten und die Resonanzfrequenz der langsamen Achse nicht nennenswert unterhalb von 1 kHz liegen soll. Die erforderlichen hohen Kräfte waren nur in Verbindung mit einer weitaus größeren Anzahl an achsennah angebrachten Kammelektrodenfingern möglich. Damit entstunden jedoch neue Probleme, denn die bewegte Masse steigt dadurch deutlich an, die Empfindlichkeit gegenüber Beschleunigungen nimmt zu und der Platzbedarf ist dann nicht nur entlang der schnellen Spiegelachse sondern auch noch senkrecht dazu sehr groß. Gerade für einen Einsatz eines derartigen zweiachsigen Scanners in Mobiltelefonen zukunftiger Generationen, die erneut flacher werden durften als die bestehenden, muss zumindest eine der beiden Chipkantenlangen, die parallel zur Spiegelflache liegen, ausreichend klein ausfallen, um den Spiegelchip noch integrieren zu können .
Aus V. Milanovic, „Improved Control of the Vertical Axis Scan for MEMS Projection Displays", Optical MEMS and Nanophotonics, 2007, Seiten 89 und 90, ist eine Anordnung bekannt, die trotz elektrostatischer Kammantriebe vergleichsweise große quasistatische Kippwinkel bei ausreichend hoher Resonanzfrequenz und Spiegelgroße erreichen kann. Dort wird ein zweiachsiger Spiegel für Laserprojektion beschrieben, der allerdings in anderer Weise als die oben beschriebenen Mxkro- spiegel-Scanner arbeitet. Der Spiegel besitzt zur Realisierung der beiden Achsen keine Gimbal-Anordnung, bei der die beiden Achsen nahezu vollständig unabhängig voneinander ausgelenkt werden können. Es wird vielmehr eine nachtraglich aufgeklebte Spiegelplatte mit Hilfe einer kleinen in zwei Achsen kippbaren Plattform ausgelenkt. Die Achsen sind dabei prinzipbedingt starker miteinander gekoppelt als bei einer Gimbal- Anordnung. Dies ist für die vorliegend angestrebten
Anwendungen jedoch unerwünscht, da eine genaue Führung über die Kippachsen fehlt. Die Plattform wird über Kammantriebe verkippt, die sich weit vom Spiegel bzw. der Plattform entfernt befinden. Die Drehmomente werden über lange, zur Chipmitte hin orientierte und mit mehreren Gelenken versehene Stangen an die Plattform übertragen. Aufgrund dieses Aufbaus sind beide Chipkantenlangen nahezu gleich groß und somit für einen Einbau in flache Gerate, insbesondere flache Mobiltelefone, ungeeignet. Der vorgeschlagene Scanner erreicht bei einem Spiegelplattendurchmesser von 0,8 mm und einer akzeptablen Resonanzfrequenz von 934 Hz den Messdaten zu Folge eine mechanische Vertikal-Gesamt- ablenkung von ca. 11°, d. h. eine symmetrische Auslenkung von +/- 5,5°. Dies erfüllt ebenfalls noch nicht die obigen Anforderungen an ein hochauflosendes Laserdisplay.
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen mikromechanischen Aktuator mit einem nichtresonanten elektrostatischen Kamm-Antrieb anzugeben, der geeignet ist, einen Mikrospiegel mit einer Kantenlange von mindestens einem Millimeter bei einer Eigenresonanz von > 1 kHz um mindestens +/- 7° auszulenken. Der Aktuator soll auch in einer zweiachsigen Ausgestaltung für den nichtresonanten Antrieb der langsamen Achse geeignet sein und eine einfache und preisgünstige Herstellung in Siliziumtechnologie, eine hermetische Vakuumverkapselung sowie eine niedrige Leistungsaufnahme ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem mikromechanischen Aktuator gemäß Patentanspruch 1 gelost. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Aktuators sind Gegenstand der abhangigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausfuhrungsbeispielen entnehmen.
Der vorgeschlagene mikromechanische Aktuator weist eine Aktuatoreinheit in einem äußeren Rahmen, die über zwei sich entlang einer äußeren Kippachse der Aktuatoreinheit erstreckende Torsionselemente in dem äußeren Rahmen aufgehängt ist, und elektrostatische Kippantriebe aus ineinander greifenden ersten und zweiten kämm- oder fingerförmigen Elektroden auf, die einen gegenseitigen Hohenversatz aufweisen. Die ersten Elektroden sind jeweils starr mit dem äußeren Rahmen und die zweiten Elektroden jeweils über ein äußeres
Verbindungselement mit dem äußeren Rahmen und über ein inneres Verbindungselement mit der Aktuatoreinheit verbunden. Bei dem vorgeschlagenen Aktuator ist das äußere Verbindungselement so ausgebildet, dass es in einer vertikalen Richtung zu der durch den äußeren
Rahmen aufgespannten Ebene eine Verbiegung ermöglicht. Das innere Verbindungselement weist eine Feder auf, die sich parallel zur äußeren Kippachse erstreckt, jeweils in einem Bereich der Aktuatoreinheit mit dieser verbunden ist, der naher an der äußeren Kippachse als an einem der äußeren Kippachse gegenüberliegenden Rand der Aktuatoreinheit liegt, und so ausgebildet und angeordnet ist, dass sie in der vertikalen Richtung starr und quer zur vertikalen Richtung biegsam ist. Die Feder ist so ausgebildet, dass sie sowohl laterale Biegung als auch Torsion ermöglicht, um damit den gegenläufigen Kreisbogen-Bewegungen von Aktuatoreinheit und elektrostatischem Kippantrieb möglichst geringen Widerstand entgegen zu setzen, jedoch hohen Widerstand gegenüber vertikaler Durchbiegung erzeugt.
Vorzugsweise hat die Feder einen rechteckigen Querschnitt mit hohem Aspektverhaltnis, d.h. die Form und Eigenschaften einer Blattfeder. Beispielsweise konnte diese Blattfeder im Querschnitt eine Breite von ≤ 5 μm und eine Hohe von ≥ 30 μm aufweisen. Es sind aber auch andere Geometrien und Querschnitte der Feder möglich, um die oben beschriebenen Eigenschaften zu erzielen .
Die Aktuatoreinheit kann bspw. alieine durch einen Mikrospiegel gebildet sein, so dass ein einachsiger Mikrospiegelscanner erhalten wird. Die Aktuatoreinheit kann auch selbst wiederum einen Rahmen umfassen, in dem ein Aktuatorelement , bspw. ein Mikrospiegel, um eine weitere Kippachse drehbar gelagert ist, wie dies in einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen mikro- mechanischen Aktuators realisiert ist. Hierdurch wird ein zweiachsiger Mikrospiegelscanner erhalten, der die obigen Anforderungen an die vertikale Auslenkbarkeit , die Resonanzfrequenz sowie den nicht resonanten Antrieb der langsamen Achse bei lateralen Spiegeldimensionen von 1 mm oder großer ermöglicht.
Dies wird vor allem durch die besondere Ausgestaltung des elektrostatischen Kipp- bzw. Kammantriebes für die Aktuatoreinheit mit den Verbindungselementen zur Aktuatoreinheit und zum äußeren Rahmen erreicht. Ein wesentliches Merkmal stellt hierbei die Feder und deren Anordnung am inneren Verbindungselement dar, durch deren Einfluss die hohen Drehmomente bei entsprechend hoher Auslenkung auf die Aktuatoremheit übertragen werden können. Dies erfordert eine vertikal starre, jedoch m sich lateral verbiegbare Feder, die nahe der äußeren Kippachse mit der Aktuatoremheit verbunden ist. Hierbei werden insgesamt vier Federn eingesetzt, zwei für jede Seite der Aktuatoremheit bzgl. der Kippachse, die sich dann an der Aktuatoremheit symmetrisch gegenüber liegen. Die elektrostatischen Kippantriebe können hierbei auch aus mehreren Gruppen von kämm- oder fingerförmigen
Elektroden bestehen. Die ersten und zweiten Elektroden weisen jeweils einen gegenseitigen Hohenversatz auf, um eine stabile Auslenkung der Aktuatoremheit in beiden Richtungen erreichen zu können.
Die Aktuatoremheit oder das Aktuatorelement sind nicht auf Mikrospiegel beschrankt. Vielmehr lassen sich auch viele andere Arten von Aktuatoren, wie bspw. Schalter, Sensoren oder Gyroskope mit diesem Aufbau realisieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der vorgeschlagene Aktuator als zweiachsiger Aktuator, insbesondere als zweiachsiger Mikrospiegelscanner, ausgebildet. Hierzu weist die Aktuatoremheit ein
Aktuatorelement in einem inneren Rahmen sowie weitere elektrostatische Kippantriebe aus ineinander greifenden dritten und vierten kämm- oder fingerförmigen Elektroden auf. Das Aktuatorelement ist wiederum über Torsionselemente, die sich entlang einer inneren
Kippachse senkrecht zur äußeren Kippachse erstrecken, in den inneren Rahmen aufgehängt. Die Begriffe der inneren und äußeren Kippachse dienen hier nur zur Unterscheidung der beiden Kippachsen, wobei die innere Kippachse die Kippachse des im Aktuator weiter innen liegenden Elementes bezeichnet. Der innere Rahmen entspricht dabei dem beweglichen Rahmen dieser Gimbal- Anordnung. Die dritten Elektroden sind starr mit dem inneren Rahmen und die vierten Elektroden starr oder biegsam mit dem Aktuatorelement verbunden, um eine Verkippung des Aktuatorelementes über den Kippantrieb um die innere Kippachse antreiben zu können. Auch hier sind die dritten und vierten Elektroden vorzugsweise gegeneinander hohenversetzt angeordnet.
Auf diese Weise kann bei Realisierung des Aktuatorelementes als Mikrospiegel ein zweiachsiger Mikrospiegelscanner erreicht werden, der die großen für hochauflosende Laserprojektion erforderlichen Scanwinkel im mchtresonanten Betrieb der langsamen Scanachse erzielen kann, ohne dass der Scanner selbst gleichzeitig zu fragil wird, d.h. dass die langsame Achse mit einer Resonanzfrequenz von rund 1 kHz oder hoher realisiert werden kann. Die langsame Achse entspricht hierbei der Verkippung um die äußere Kippachse. Horizontale Ablenkungen werden über die innere Kippachse im resonanten Betrieb mit der erforderlichen hohen Frequenz ermöglicht. Durch den elektrostatischen Antrieb in beiden Achsen lasst sich ein derartiger Mikrospiegelscanner bis auf Verspiegelungsschicht und Anschlussfelder vollständig aus Silizium und Silizium- Dioxid für die Isolation fertigen. Dies ermöglicht wiederum ein vergleichsweise einfaches hermetisch dichtes Wafer-Level-Packagmg basierend auf Standard- Wafer-Bond-Techniken . Ein derartiger mikromechanischer Aktuator, bspw. in Form des beschriebenen zweiachsigen Mikrospiegel- scanners, lasst sich auch sehr kompakt realisieren. In einer vorteilhaften Ausgestaltung einer derartigen kompakten Realisierung sind die ersten und zweiten kämm- oder fingerförmigen Elektroden beidseitig der äußeren Kippachse ausgebildet, wobei die Elektrodenfinger jeweils parallel zur äußeren Kippachse ausgerichtet sind. Dies ermöglicht die Anordnung der kämm- oder fingerförmigen Elektroden sowohl des äußeren Kippantriebs als auch des inneren Kippantriebs auf den gleichen beiden sich gegenüber liegenden Seiten des Aktuators bzw. der äußeren Kippachse, so dass der Aktuator zwar in der Lange zunimmt, nicht jedoch in der Breite. Über die Zunahme in der Lange lasst sich durch Erhöhung der Anzahl der kämm- oder fingerförmigen Elektroden das Drehmoment geeignet erhohen, ohne gleichzeitig die Breite des Aktuators zu verandern. Damit lasst sich ein derartiger Aktuator sehr vorteilhaft in flache Gerate, wie bspw. flache Mobiltelefone, integrieren.
Die Herstellungstechniken für einen derartigen mikromechanischen Aktuator sind dem Fachmann bekannt. Hierzu werden, wie bereits in der Beschreibungseinleitung angeführt, in der Regel Siliziumtechniken eingesetzt, wobei die hohenversetzten kammformigen Elektroden durch unterschiedliche Schichten in einem entsprechenden Schichtaufbau erzeugt werden. Auch andere Techniken zur Erzeugung des Hohenversatzes sind selbstverständlich möglich. Die Verbindungselemente wie auch die Federn können bspw. aus Silizium gebildet sein, das eine ausreichende Elastizität für die laterale Verbiegung bzw. Torsion der Feder gewährleistet. Im Vordergrund steht, dass die Federn den gewünschten funktionalen und einander gegenläufigen Kreisbahn-Bewegungen von Aktuatoremheit und elektro- statischen Kippantrieben wenig Widerstand entgegen setzen, da sonst ein Großteil der durch die vielen Elektroden der Kippantriebe hinzugewonnenen Kraft bereits wieder aufgebraucht wurde. Hingegen soll die Feder jedoch die Vertikal-Komponente der Bewegung der elektrostatischen Kippantriebe möglichst direkt und verlustfrei übertragen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorgeschlagene mikromechanische Aktuator wird nachfolgend anhand von Ausfuhrungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals naher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung des mikromechanischen
Aktuators als zweiachsiger Mikro- spiegelscanner;
Fig. 2 ein zweites Beispiel einer Ausgestaltung des mikromechanischen Aktuators als zweiachsiger MikroSpiegelscanner;
Fig. 3 ein drittes Beispiel einer Ausgestaltung des mikromechanischen Aktuators als zweiachsiger Mikrospiegelscanner ; und
Fig. 4 eine schematische Darstellung der Verkippung der Aktuatoremheit des mikromechanischen Aktuators im Querschnitt .
Wege zur Ausführung der Erfindung
Im Folgenden werden beispielhaft Ausgestaltungen für zweiachsige Mikrospiegelscanner gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert, die Spiegeldurchmesser von mindestens 1 mm und eine Resonanzfrequenz der langsamen Achse von rund 1 kHz oder hoher aufweisen und einen mechanischen Auslenkwinkel der langsamen Achse von rund +/- 7° oder großer ermöglichen. Die Figuren 1 und 2 zeigen hierbei Ausgestaltungen eines derartigen Mikrospiegelscanners, bei denen gleichzeitig eine geringe Chipkantenlange in einer zur Spiegelflache parallelen Dimension erreicht wird.
In der Ausgestaltung der Figur 1 ist ein Mikro- spiegel 1 gezeigt, der über Torsionsfedern 2 um eine entlang der Torsionsfedern 2 verlaufende Kippachse (innere Kippachse) drehbar in einem ihn umgebenden beweglichen Rahmen (Gimbal) 3 aufgehängt ist. Der Mikrospiegel 1 kann mit zwei elektrostatischen Kippantrieben, die hohenversetzte Kammelektroden 8, 9 aufweisen, in dem beweglichen Rahmen 3 um die innere Kippachse verkippt werden. Der bewegliche Rahmen 3 (innerer Rahmen) ist wiederum über Torsionsfedern 4 um eine durch den Verlauf der Torsionsfedern 4 vorgegebene Kippachse (äußere Kippachse) drehbar in dem ihn umgebenden starren Chiprahmen 5 (äußerer Rahmen) aufgehängt. Die beiden Kippachsen stehen senkrecht zueinander. Der bewegliche innere Rahmen 3 lasst sich über zwei elektrostatische Kippantriebe 14, 15 in vertikaler Richtung auslenken. Die Kippantriebe 14, 15 verfugen über eine Vielzahl relativ zum Chiprahmen 5 beweglicher Elektrodenfinger 16, deren statische hohenversetzte Gegenelektrodenfinger 17 am Chiprahmen 5 angebracht sind. Die beweglichen Elektrodenfinger 16 sind mit einer U-formigen Ankerstruktur 12 verbunden, die ihrerseits mit dem inneren Rahmen 3 verbunden ist. Über die elektrische Ansteuerung der Elektrodenfinger 16 und Gegenelektrodenfinger 17 kann am Ende der U- formigen Ankerstruktur 12 ein Vertikalhub bzw. eine
Vertikalauslenkung erzeugt werden, die im wesentlichen durch den Hohenversatz der statischen und beweglichen Elektrodenfinger 16, 17 limitiert ist.
Aus Gründen der Fertigbarkeit und der Fertigungskosten stehen bei den meisten Fertigungsprozessen für derartige Kammantriebe keine größeren Höhenunterschiede als 30 μm zur Verfugung. Um dennoch große Auslenkungen erzeugen zu können, wird in der hier vorgeschlagenen Anordnung die von den Kammantrieben erzeugte Vertikalbewegung über vertikal starre jedoch in sich lateral verbiegbare Blattfedern 13 auf den inneren Rahmen 3 übertragen. Die Blattfedern 13 weisen hier eine Lange von 300 μm, eine Breite von 4 μm und eine Hohe von 30 μm auf und sind aus Silizium gebildet. Der laterale Abstand des Aufhangungspunktes der Blattfeder 13 am inneren Rahmen 3 bestimmt bei vorgegebener vertikaler Maximalauslenkung der Kammantriebe 14 bzw. 15 den maximal erzielbaren Kippwinkel des inneren Rahmens 3. Die auf diese Weise erreichte Vertikalhub-Ubersetzung kann dazu genutzt werden, um mechanische Kippwinkel von +/- 10° und mehr zu erzeugen. Für einen Kippwinkel von +/- 10° ergibt sich ein maximaler lateraler Abstand des Verbindungspunktes der Blattfeder 13 mit dem inneren Rahmen 3 von etwa 170 μm zur äußeren Kippachse.
Eine Vorraussetzung dafür, dass die Maximal- auslenkung der Antriebe 14 bzw. 15 erreicht wird, ist eine ausreichend große Anzahl hohenversetzter Kammelektrodenfinger. Die hier vorgeschlagene Anordnung hat den besonderen Vorteil, dass die Kammelektrodenanordnung sich nicht wesentlich in Achsenrichtung der äußeren Kippachse sondern senkrecht dazu ausdehnt. Bei einem zweiachsigen Scanner bringt dies den Vorteil mit sich, dass die vielen erforderlichen Antriebselektroden sich parallel zur ebenfalls ausgedehnten durch die Torsionsfedern 2 gebildete Spiegeltorsionsaufhangung erstrecken. Der Chip wird also durch die Antriebe des inneren Rahmens im Wesentlichen nur in der Richtung großer, in der er ohnehin bereits durch die vorhandene innere Drehachse besonders ausgedehnt ist. Da die Chipkantenlange senkrecht dazu besonders klein bleiben kann, bspw. im Bereich von 2 mm, eignet sich ein solcher Mikrospiegelscanner bzw. Mikrospiegelchip besonders für den Einbau in äußerst flache Mobiltelefone .
Da die Kammantriebe 14, 15 über eigene Aufhangungen am starren Chiprahmen 5 befestigt sind, bspw. durch geeignete Torsions- oder Biegeaufhangungen 18, besitzen sie auch ein eigenes Ruckstellmoment. Dieses Ruckstellmoment tragt dazu bei, dass die Aktuatormasse nicht in erheblichem Maße die Resonanzfrequenz des beweglichen inneren Rahmens 3 erniedrigt. Daraus ergibt sich ein erheblicher Vorteil gegenüber der sonst freitragenden Anbringung der beweglichen Elektroden- finger direkt am beweglichen inneren Rahmen 3, bei der es wegen des enormen Zuwachses des Trägheitsmomentes durch mitgeschleppte Zusatz-Masse der Elektrodenfinger zu einer deutlichen Erniedrigung der Resonanzfrequenz kommt. Beim vorgeschlagenen mikromechanischen Aktuator wird die Resonanzfrequenz des beweglichen Rahmens 3 ganz überwiegend durch die Gimbal-Struktur und dessen Torsionsaufhangung 4 bestimmt und nur in geringem Maße durch die Massen der Antriebe 14, 15 beeinflusst.
Figur 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung für den vorgeschlagenen mikromechanischen Aktuator als zweiachsigen Mikrospiegelscanner . Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von der Ausgestaltung der Figur 1 dadurch, dass der elektrostatische Kammantrieb 14, 15 hier über seinen zentralen Tragerbalken direkt am starren Chiprahmen 5 befestigt ist, wobei eine Eigenfederwirkung bei Vertikalbiegung dieses Tragerbalkens ausgenutzt wird. Das äußere Verbindungselement wird hier also durch den Tragerbalken selbst gebildet. Ansonsten entspricht die Ausgestaltung der der Figur 1.
Figur 3 zeigt wiederum einen ahnlichen Aufbau wie den der Figur 2. Jedoch sind hier die elektrostatischen Kammantriebe 14, 15 doppelt ausgeführt, um noch größere Kräfte erzeugen zu können. Der Mikrospiegel 1 ist wiederum über entsprechende Torsionsfedern 2 in einem inneren Rahmen (Gimbal) 3 aufgehängt. Die Antriebe für den Mikrospiegel 1 in diesem inneren Rahmen 3 sind hier in der Figur nicht dargestellt. Der bewegliche Rahmen 3 ist seinerseits über Torsionsfedern 4 im starren Chiprahmen 5 aufgehängt. Die elektrostatischen Kammantriebe 14, 15 verfugen über eine Vielzahl von Fingerelektroden 8, die den hohenversetzten statischen Fingerelektroden 9 gegenüber stehen. Die Antriebe 14, 15 sind jeweils doppelt vorhanden, liegen seitlich des beweglichen Rahmens 3 und munden einseitig direkt in den starren Chiprahmen 5. Am Ende der Antriebe 14, 15 sind diese über Blattfedern 13 am beweglichen Rahmen 3 nahe der Kippachse dieses beweglichen Rahmens 3 befestigt. Ein derartig aufgebauter zweiachsiger elektrostatisch angetriebener Mikrospiegelscanner erreicht in gleicher Weise wie die Ausgestaltungen der Figuren 1 und 2 über zumindest eine mchtresonant betreibbare Achse und einen Ubersetzungsmechamsmus eine Amplitudenvergroßerung . Diese Ausgestaltung lasst sich allerdings nicht so Platz sparend realisieren wie die Ausgestaltungen der Figuren 1 und 2.
Figur 4 zeigt schließlich noch schematisiert die Verhaltnisse bei der Auslenkung des inneren Rahmens 3 durch die elektrostatischen Kammantriebe 14, 15 gemäß den Figuren 1 bis 3. Dargestellt ist hierbei eine
Seitenansicht des einseitig ausgelenkten beweglichen inneren Rahmens 3. Dieser ist über Torsionsfedern 4 am starren Chiprahmen 5 befestigt. Die Antriebe 14, 15 treiben den inneren Rahmen 3 an und sind jeweils am gegenüberliegenden Ende mit dem starren Chiprahmen 5 verbunden. Die Blattfedern sind in dieser Ausgestaltung nicht direkt erkennbar, da sie sich zwischen den Antrieben 14 und 15 und dem beweglichen Rahmen 3 in die Blattebene hinein erstrecken. Sie verhalten sich hierbei in vertikaler Richtung starr, können sich jedoch in lateraler Richtung in sich verbiegen. Bezugs zeichenliste
1 Mikrospiegel 2 Torsionsfeder
3 innerer Rahmen
4 Torsionsfeder
5 starrer Chiprahmen 8 Fingerelektroden 9 Fingerelektroden
12 U-formige Ankerstruktur
13 Blattfeder
14 elektrostatischer Kippantrieb
15 elektrostatischer Kippantrieb 16 bewegliche Elektrodenfinger
17 statische Gegenelektrodenfinger
18 Torsions- oder Biegeaufhangung

Claims

Patentansprüche
1. Mikromechanischer Aktuator, insbesondere Mikro- spiegelscanner, mit
- einer Aktuatoreinheit (1-3) in einem äußeren Rahmen (5), die über zwei sich entlang einer äußeren Kippachse der Aktuatoreinheit (1-3) erstreckende Torsionselemente (4) in dem äußeren Rahmen (5) aufgehängt ist, und
- elektrostatischen Kippantrieben (14, 15) aus ineinander greifenden ersten und zweiten kämm- oder fingerförmigen Elektroden (16, 17), die einen gegenseitigen Hohenversatz aufweisen und von denen die ersten Elektroden (17) starr mit dem äußeren Rahmen (5) und die zweiten Elektroden (16) jeweils über ein äußeres Verbindungselement (18) mit dem äußeren Rahmen (5) und über ein inneres Verbindungselement (12, 13) mit der Aktuatoreinheit (1-3) verbunden sind, wobei das äußere Verbindungselement (18) so ausgebildet ist, dass es in einer vertikalen
Richtung zu einer Ebene des äußeren Rahmens (5) eine Verbiegung ermöglicht, und wobei das innere Verbindungselement (12, 13) zwei Federn umfasst, die sich parallel zur äußeren Kippachse erstrecken, jeweils in einem Bereich der Aktuatoreinheit (1-3) mit dieser verbunden ist, der naher an der äußeren Kippachse als an einem der äußeren Kippachse gegenüber liegenden Rand der Aktuatoreinheit (1-3) liegt, und so ausgebildet und angeordnet sind, dass sie in der vertikalen Richtung starr und quer zur vertikalen Richtung biegsam sind.
2. Mikromechanischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn als Blattfedern (13) ausgebildet sind.
3. Mikromechanischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (1-3) ein Aktuatorelement (1) in einem inneren Rahmen (3) aufweist, das über weitere Torsionselemente (2), die sich entlang einer inneren Kippachse senkrecht zur äußeren Kippachse erstrecken, in dem inneren Rahmen (3) aufgehängt ist, wobei weitere elektrostatische Kippantriebe aus ineinander greifenden dritten und vierten kamm- oder fingerförmigen Elektroden (8, 9) zwischen dem inneren Rahmen (3) und dem Aktuatorelement (1) angeordnet sind, von denen die dritten Elektroden (9) starr mit dem inneren Rahmen (3) und die vierten Elektroden (8) mit dem Aktuatorelement (1) verbunden sind, um eine Verkippung des Aktuatorelementes (1) um die innere Kippachse antreiben zu können.
4. Mikromechanischer Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Aktuatorelement (1) ein Mikrospiegel mit Abmessungen von mindestens 1 mm in einer lateralen Dimension ist.
5. Mikromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten kämm- oder finger- formigen Elektroden (16, 17) beidseitig der äußeren Kippachse ausgebildet sind, wobei die Elektrodenfinger der kämm- oder fingerförmigen Elektroden (16, 17) parallel zur äußeren Kippachse ausgerichtet sind.
6. Mikromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten kämm- oder finger- förmigen Elektroden (16, 17) so beidseitig der äußeren Kippachse ausgebildet und angeordnet sind, dass ihre Anzahl sich auf eine Länge des Aktuators senkrecht zur äußeren Kippachse nicht jedoch auf eine Breite des Aktuators parallel zur äußeren Kippachse auswirkt.
7. Mikromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Verbindungselement (12, 13) eine U- formige Ankerstruktur (12) aufweist, die über zwei Federn mit der Akuatoreinheit verbunden ist.
8. Mikromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das äußere Verbindungselement (18) neben einer Verbiegung auch eine Torsion ermöglicht.
9. Mikromechanischer Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (1-3) so ausgebildet ist, dass eine Resonanzfrequenz der Verkippung um die äußere Kippachse mindestens 1 kHz betragt.
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