WO2018077751A1 - Mikromechanisches bauteil und herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauteil - Google Patents

Mikromechanisches bauteil und herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauteil Download PDF

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WO2018077751A1
WO2018077751A1 PCT/EP2017/076864 EP2017076864W WO2018077751A1 WO 2018077751 A1 WO2018077751 A1 WO 2018077751A1 EP 2017076864 W EP2017076864 W EP 2017076864W WO 2018077751 A1 WO2018077751 A1 WO 2018077751A1
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WO
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actuator
spring
carrier
piezoelectric
piezoelectric actuator
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Application number
PCT/EP2017/076864
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mirko Hattass
Philip KAUPMANN
Joerg Muchow
Helmut Grutzeck
Stefan Mark
Thorsten Balslink
Daniel Maier
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • 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
    • G02B26/0858—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 means being moved or deformed by piezoelectric means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H10N30/2044—Cantilevers, i.e. having one fixed end having multiple segments mechanically connected in series, e.g. zig-zag type

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical component.
  • the invention likewise relates to a production method for a micromechanical component.
  • US Pat. No. 8,508,826 B2 describes micromirror devices which use piezoelectric actuators for adjusting an adjustable mirror plate about at least one axis of rotation.
  • the adjustable mirror plate between a first spring and a second spring is held on a holder, wherein the embodiment additionally comprises two connected to the first spring actuator carrier and two connected to the second spring further actuator carrier.
  • the trained on the four actuator supports piezoelectric actuators to put the adjustable mirror plate in an adjustment movement about the axis of rotation.
  • the adjustable mirror plate, the first spring, the second spring and the total of four actuator carriers are structured out of a single semiconductor layer.
  • the invention provides a micromechanical component having the features of claim 1 and a manufacturing method for a micromechanical component having the features of claim 8.
  • the adjustable part is thus comparatively thick, so that a
  • Adjustment movement about the axis of rotation is not to be feared hardly.
  • first spring, the at least one first actuator carrier, the second spring and the at least one second actuator carrier are formed comparatively thin so that they have a low rigidity (or a high stiffness)
  • the present invention also improves a usability of
  • piezoelectric actuators as a drive for a micromechanical component.
  • Piezoelectric actuators are characterized by a comparatively small travel with simultaneously high actuator forces. As a result, a large amount of energy can be transmitted per period (despite the small path). In addition, piezoelectric actuators require comparatively little power, so that a power supply of the micromechanical component equipped therewith can be easily ensured.
  • the present invention thus contributes to the improvement of a use of piezoelectric actuators as an ideal drive for moving the adjustable part in the desired adjustment, in particular in a high-frequency resonant adjustment, to the axis of rotation at.
  • At least one first additional mass is attached to the at least one first actuator carrier and / or at least one second additional mass is attached to the at least one second actuator carrier.
  • the at least one first actuator carrier is connected to the at least one second actuator carrier via at least one actuator coupling spring.
  • the at least one advantageously usable Aktorenkoppelfeder is thus easy to produce.
  • the at least one Aktorenkoppelfeder be U-shaped, O-shaped, meandering and / or web-shaped.
  • easily structurable spring types can be used for the at least one Aktorenkoppelfeder.
  • the at least one first actuator carrier and / or the at least one second actuator carrier can also be connected to the holder via at least one holding coupling spring.
  • the at least one retaining coupling spring deflections of the at least one first actuator carrier and / or the at least one second actuator carrier can be limited, so that less energy by the (for a deflection of the at least one first actuator carrier and / or the at least one second actuator carrier to be overcome) frictional forces get lost.
  • the at least one retaining coupling spring can be structured out of the functional layer. That is why the at least one
  • Retaining coupling spring can be formed with a relatively small amount of work.
  • first spring and / or the second spring may be connected to the holder via at least one coupling spring. Also by means of a training of at least one coupling spring (instead of or in addition to the at least one Aktorenkoppelfeder and / or the at least one
  • Holding coupling spring can be ensured that the triggered by the at least partially deformed first piezoelectric actuator and / or the at least partially deformed second piezoelectric actuator pulse transfer is used for selectively stimulating the desired adjustment of the adjustable part about the axis of rotation.
  • the at least one coupling spring can be structured out of the functional layer.
  • the at least one coupling spring can be formed in a simple manner with a high flexibility.
  • the micromechanical component is preferably a micromirror with an adjustable mirror plate as the adjustable part. It should be understood, however, that one use of the present invention is not limited to micromirrors.
  • Fig. La to lc are schematic representations of a first embodiment of the micromechanical component
  • FIGS. 2a to 2c are schematic representations of a second embodiment of the micromechanical component
  • 5a to 5c are schematic representations of a fifth embodiment of the micromechanical component
  • 6a to 6c are schematic representations of a sixth
  • FIG. 7a and 7b are schematic representations of a seventh embodiment of the micromechanical component
  • FIGS. 8a and 8b are schematic representations of an eighth embodiment of the micromechanical component
  • 9a and 9b are schematic representations of a ninth embodiment of the micromechanical component
  • 10a and 10b are schematic representations of a tenth
  • FIG. 11 is a flowchart for explaining an embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
  • FIG. 1a to 1c show schematic representations of a first embodiment of the micromechanical component, wherein FIG. 1 a shows a plan view, FIG. 1 b shows a cross section along the line AA 'of FIG. 1 a and FIG. 1 c shows a cross section along the line BB' of FIG. show la.
  • the micromechanical component represented schematically by means of FIGS. 1 a to 1 c comprises a holder 10, an adjustable part 12, at least one first piezoelectric actuator 14a and at least one second
  • the adjustable part 12 is held on a holder 10 between a first spring 16a and a second spring 16b such that the adjustable part 12 is adjustable relative to the holder 10 about at least one axis of rotation 18.
  • the micromechanical component is exemplified as a micromirror with a
  • adjustable mirror plate 12 (in particular with a formed on the adjustable part 12 reflective surface 12 a) than the adjustable part 12. It should be noted, however, that instead of the adjustable mirror plate 12, the micromechanical component may also have a differently configured adjustable part 12.
  • the at least one first piezoelectric actuator 14a is formed on / at least one directly or indirectly connected to the first spring 16a first actuator carrier 20a (see Fig. Lc). Accordingly, the at least one second piezoelectric actuator 14b is formed on / at least one second actuator carrier 20b connected directly or indirectly to the second spring 16b.
  • the at least one first piezoelectric actuator 14a and the at least one second piezoelectric actuator 14b each comprise at least one piezoelectric layer.
  • a side of the actuator carriers 20a and 20b directed away from the reflective surface 12a is at least partially, in particular completely, covered with the at least one piezoelectric layer.
  • the at least one piezoelectric layer may be e.g. Lead zirconate titanate and / or a bimetallic layer structure. However, instead of or in addition to lead zirconate titanate and / or the
  • Bimetall stands at least one other piezoelectric material whose shape is variable by means of an electric field, in which at least one piezoelectric layer.
  • the at least one first piezoelectric actuator 14a and the at least one second piezoelectric actuator 14b are each designed such that at least one voltage is applied to the at least one piezoelectric layer of the at least one first piezoelectric actuator 14a and the at least one second piezoelectric actuator 14a
  • piezoelectric actuator 14b can be applied.
  • a drawing of electrodes (eg of platinum) of the at least one first piezoelectric actuator 14a and the at least one second piezoelectric actuator 14b is shown in FIGS. 1a to 1c but omitted for the sake of clarity.
  • piezoelectric actuator 14b at least partially deformable, whereby the adjustable part 12 by means of a triggered by the at least partially deformed first piezoelectric actuator 14a and / or the at least partially deformed second piezoelectric actuator 14b pulse transfer into a
  • Adjusting movement about the axis of rotation 18 displaceable is offset.
  • the adjustable part 12 can thus by the same or opposite phase
  • Bending movements of the piezoelectric actuators 14a and 14b are added to the desired adjustment movement about the axis of rotation 18.
  • the adjustable part 12 can be put into a resonant oscillating motion about the axis of rotation 18 (as an adjusting movement) by varying the at least one applied voltage with a natural frequency of the adjusting movement of the adjustable part 12 with respect to the holder 10. That way you can
  • Deflections of the adjustable part 12 can be effected, which are significantly larger than the bending movements of the piezoelectric actuators 14a and 14b. Thus, comparatively little energy goes through in the execution of the
  • the adjustable part 12 is at least partially made of a substrate / a carrier layer 22
  • the structuring of the adjustable part 12 out of the substrate 22 makes it possible to form the adjustable part 12 with a first (perpendicular to the axis of rotation 18, possibly perpendicular to the reflecting surface 12a)
  • Layer thickness d2 of the first spring 16a, the second spring 16b, the at least a first actuator carrier 20a and the at least one second actuator carrier 20b A bending / warping of the adjustable part 12, in particular of the possibly formed on the adjustable part 12 reflective surface 12a, thus need not be feared hardly during the adjustment movement of the adjustable part 12 about the axis of rotation 18.
  • Piezobut 20b a relatively high flexibility (or a low stiffness) and thus ensure good deformability of the respectively trained thereon / thereto piezoelectric actuator 14a or 14b. Also, the first spring 16a and the second spring 16b have a high flexibility (or a low rigidity) and thus reliably fulfill their spring function.
  • At least one first additional mass 26a on the at least one first actuator carrier 20a and at least one second additional mass 26b on the at least one second actuator carrier 20b are connected in the micromechanical component of FIGS.
  • the additional masses 26a and 26b can effect a local stiffening of the respective associated actuator carrier 20a or 20b and / or (as counterweights) a more targeted excitation of the adjusting movement (only) of the adjustable part 12 about the axis of rotation 18.
  • the additional masses 26a and 26b can also amplitudes of
  • Actuator 20a and 20b advantageously influence, and thereby a ratio of the coupled force and deflection of the adjustable part 12 (to the
  • Rotate axis 18 optimize.
  • the additional masses 26a and 26b positively affect a mode spectrum, which in particular allows optimization of the mode spectrum.
  • the additional masses 26a and 26b are suitable as stop structures.
  • the additional masses 26a and 26b are also structured out of the substrate 22. The one described here
  • micromechanical component can thus be effected by means of a relatively small amount of work.
  • the first spring 16a and the second spring 16b are web-shaped / bar-shaped and extend along the axis of rotation 18.
  • the first spring 16a and the second spring 16b can thus each be referred to as a torsion spring. anchoring regions the first spring 16a and the second spring 16b on the adjustable part 12 are thus on the axis of rotation 18th
  • Each of the springs 16a and 16b is integrally formed with two associated (and with respect to the axis of rotation 18 mirror-symmetrical) first or second actuator supports 20a or 20b.
  • the actuator supports 20a and 20b have a bent / angled shape, so that in each of the actuator supports 20a and 20b extending along a first longitudinal axis extending first web / beam-shaped portion via an intermediate portion with one each along a direction perpendicular to the first longitudinal axis
  • the longitudinal direction of the first web-shaped / beam-shaped section can be aligned parallel to the axis of rotation 18, while the second
  • Each first or second additional mass 26a or 26b is connected to a first end (directed away from the intermediate section) of the first web-shaped / beam-shaped subsection of the respective first or second actuator carrier 20a or 20b, while a second end (directed away from the intermediate section) of the second second second
  • first or second actuator carrier 20a or 20b is connected to the associated first or second spring 16a or 16b.
  • the first and second actuator carriers 20 a and 20 b which are arranged on a same side of the rotation axis 18, are connected to each other via an actuator coupling spring 28.
  • the respective Aktorenkoppelfeder 28 is anchored to the first ends of the actuator carrier 20a and 20b, so that the actuator carrier 20a and 20b and the two
  • Aktorenkoppelfedern 28 form the adjustable part 12 surrounding frame.
  • the respective Aktorenkoppelfeder 28 is exemplified U-shaped.
  • the at least one actuator coupling spring 28 may also be structured out of the functional layer 24.
  • the at least one actuator coupling spring 28 preferably has (in the image plane) a width of less than one half of a width of the actuator carriers 20a and 20b (in the image plane).
  • 2a to 2c show schematic representations of a second embodiment of the micromechanical component, FIG. 2a a
  • FIG. 2b shows a cross section along the line A-A 'of Fig. 2a and Fig. 2c shows a cross-section along the line B-B' of Fig. 2a.
  • the micromechanical component shown schematically by means of FIGS. 2a to 2c differs from the preceding embodiment only in that the adjustable part 12 is inserted between a first web element 30a and a second web element 30b in an inner frame 32 which is disposed between the first spring 16a and the second spring 16b is connected to the holder 10.
  • the web elements 30a and 30b extend perpendicular to the axis of rotation 18.
  • the anchoring areas of the web elements 30a and 30b (and indirectly of the springs 16a and 16b) thus lie on the regions of the adjustable part 12 with a maximum deflection, or orthogonal to the axis of rotation 18 ,
  • FIG. 3a to 3c show schematic illustrations of a third embodiment of the micromechanical component, FIG. 3a being a top view, FIG. 3b a cross section along the line AA 'of FIG. 3a and FIG. 3c a cross section along the line BB' of FIG. 3a show.
  • the Aktorenkoppelfedern 28 are directed away from the axis of rotation 18 side surfaces of the first
  • FIGS. 4a to 4c show schematic representations of a fourth embodiment of the micromechanical component, FIG. 4a being a plan view, FIG. 4b a cross section along the line AA 'of FIG. 4a and FIG. 4c a cross section along the line BB' of FIG. 4a show.
  • the micromechanical component represented schematically by means of FIGS. 4a to 4c differs from the embodiment of FIGS. 1a to 1c merely in that the actuator coupling springs 28 are of O-shaped design. By this it can be understood that each of the actuator coupling springs 28 has an O-shaped intermediate section which is between two bar-shaped
  • these may also be meandering and / or web-shaped.
  • FIG. 5a to 5c show schematic representations of a fifth embodiment of the micromechanical component, FIG. 5a being a plan view, FIG. 5b a cross section along the line AA 'of FIG. 5a and FIG. 5c a cross section along the line BB' of FIG. 5a show.
  • the micromechanical component represented schematically by means of FIGS. 5 a to 5 c additionally has, as a supplement to the embodiment of FIG. 1, further first and second additional masses 34 a and 34 b which are respectively connected to the
  • first and second additional masses 34a and 34b may also be structured out of the substrate 22.
  • 6a to 6c show schematic representations of a sixth
  • FIG. 6b shows a cross-section along the line A-A 'of FIG. 6a and FIG.
  • Fig. 6c shows a cross section along the line B-B 'of Fig. 6a.
  • Figs. 6a to 6c has as a complement to the embodiment of Figs. 6a to 6c
  • FIG. 1 also shows the further first and second additional masses 34a and 34b.
  • a respective first or second mass carrier 36a or 36b is connected to a side of the respective intermediate portion of the associated first or second actuator carrier 20a or 20b facing away from the first end.
  • Fig. 7a and 7b show schematic representations of a seventh
  • Fig. 7a shows a plan view
  • Fig. 7b shows a cross section along the line A-A 'of Fig. 7a.
  • the micromechanical component shown schematically by means of FIGS. 7a and 7b differs from the previously described embodiments in that the actuator carriers 20a and 20b have a bar shape and extend perpendicular to the axis of rotation 18 away from the associated first or second spring 16a or 16b.
  • the additional masses 26a and 26b are furthermore connected to the first end (of the associated first or second spring 16a or 16b) of the associated first or second actuator carrier 20a or 20b.
  • the additional masses 26a and 26b are thus placed closer to the springs 16a and 16b. Therefore, the additional masses 26a and 26b engage closer to the anchoring portions of the springs 16a and 16b on the adjustable member 12.
  • the actuator coupling springs 28 are anchored to side surfaces of the actuator supports 20a and 20b which extend from the first end to the second end, each actuator coupling spring 28 being anchored to the aligned side surfaces of the associated actuator supports 20a and 20b.
  • Fig. 8a shows a plan view
  • Fig. 8b shows a cross section along the line A-A 'of Fig. 8a.
  • the micromechanical component shown schematically in FIGS. 8a and 8b has support coupling springs 38 as a supplement to the previously described embodiment (and instead of the actuator coupling springs 28), wherein one support coupling spring 38 connects the associated first or second actuator support 20a and 20b to the support 10.
  • the actuator coupling springs 28 e.g., the actuator coupling springs 28
  • Fig. 9a shows a plan view
  • Fig. 9b shows a cross section along the line A-A 'of Fig. 9a.
  • the embodiment of Figs. 9a and 9b differs from that
  • Micro-mechanical component of Fig. 7a and 7b by anchoring the (first of the associated first or second spring 16a or 16b) directed away first ends of the actuator support 20a and 20b on the holder 10.
  • each have a first or second additional mass 26a or 26b the two anchored to the associated first or second spring 16a or 16b second
  • 10a and 10b show schematic representations of a tenth
  • FIG. 10b Top view and Fig. 10b show a cross section along the line A-A 'of Fig. 10a.
  • Micromechanical component differs from the embodiment described above by its design with coupling springs 40 (instead of the
  • Actuator coupling springs 28 In this case, the first spring 16a and the second spring 16b are connected to the holder 10 via at least one coupling spring 40.
  • two coupling springs 40 are anchored to each first or second spring 16a or 16b which extend from sides of the associated first or second spring 16a or 16b facing away from the holder 10.
  • the coupling springs 40 may be designed mirror-symmetrically with respect to the axis of rotation 18.
  • the substrate may be the
  • Carrier layer 22 (or the at least one component structured therefrom), for example, a first layer thickness dl between 50 ⁇ and 500 ⁇
  • the functional layer 24 (or the at least one component structured therefrom) may, for example, have a second layer thickness d2 between 5 ⁇ m and 50 ⁇ m (micrometers).
  • d2 the second layer thickness
  • the numerical values mentioned here are only to be interpreted as examples.
  • the first spring 16a and the second spring 16b are anchored to an outer or intermediate frame 42 by way of example.
  • the outer or intermediate frame 42 preferably comprises a structured out of the substrate 22 first sub-frame and one of the
  • the outer or mote men 42 as outer frame 42 may be part of the holder 10 or the holder 10.
  • the outer or intermediate frame 42 may be adjustable as an intermediate frame 42 with respect to the holder 10.
  • the intermediate frame 42 may be adjustable with respect to the holder 10 about a further axis of rotation aligned inclined relative to the axis of rotation 18, in particular perpendicular to the axis of rotation 18.
  • the substrate 22 (or the carrier layer) and the
  • Function layer 24 are two different layers 22 and 24. Under the functional layer 24 is thus neither the substrate, the support layer 22 nor a part of the substrate / the support layer 22 to understand. Preferably, at least one remainder of the structured substrate / structured support layer 22 has the first layer thickness d 1, which is (significantly) higher than the second one
  • Layer thickness d2 of at least a residue of the functional layer 24 is.
  • the substrate / carrier layer 22 and / or the functional layer 24 are
  • the substrate, the carrier layer 22 and the functional layer 24 are not limited to a particular material / semiconductor material.
  • the substrate 22 (or the carrier layer) and the functional layer 24 can also consist of different materials.
  • the substrate 22 (or the carrier layer) and the functional layer 24 can be
  • Components of an SOI wafer (silicon-on-insulator wafer) be. Locally, the at least one remainder of the structured substrate (s) may be present
  • Carrier layer 22 and the at least one remainder of the functional layer 24 continue to be interconnected by an (not outlined) oxide.
  • All of the above-described micromechanical components are designed as "3-layer systems", wherein a first layer of the substrate 22 (or of the carrier layer) is patterned out of a second layer of the functional layer 24.
  • a third layer is formed by forming the piezoelectric actuators 14a and 14b 14b, for example, by depositing the materials of the electrodes and the at least one piezoelectric layer realized.
  • micromechanical components described above can be advantageously used in particular in a projection or in a lidar system.
  • FIG. 11 shows a flowchart for explaining an embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
  • micromechanical component can be used. It is noted, however, that a feasibility of the described below
  • Manufacturing method is not limited to producing a particular type of micromechanical device.
  • the manufacturing method comprises the method steps S1 and S2, by means of which an adjustable part between a first spring and a second spring is suspended on a holder such that the adjustable part is adjustable relative to the holder about at least one axis of rotation.
  • the adjustable part is at least partially structured out of a substrate (or a carrier layer).
  • at least the first spring, the second spring at least directly or indirectly connected to the first spring first actuator carrier and at least one directly or indirectly connected to the second spring second actuator carrier out of a functional layer. It is expressly pointed out that under the substrate (or the carrier layer) and the
  • the manufacturing method comprises a method step S3, at least one first piezoelectric actuator on the at least one first Actuator and at least one second piezoelectric actuator on the at least one second actuator carrier in each case with at least one
  • the at least one first piezoelectric layer are formed.
  • the at least one first piezoelectric layer is formed.
  • the piezoelectric actuator and the at least one second piezoelectric actuator are each designed to apply at least one voltage to the at least one piezoelectric layer of the at least one first piezoelectric actuator and the at least one second piezoelectric actuator. This is done in such a way that it is ensured that, if during an operation of the micromechanical component the at least one voltage is applied to the at least one piezoelectric layer of the at least one first piezoelectric actuator and / or the at least one second piezoelectric actuator, the at least one first piezoelectric actuator Actuator and / or the at least one second piezoelectric actuator are at least partially deformed, and the adjustable part by means of an at least partially deformed at least a first piezoelectric actuator and / or the at least partially deformed at least one second piezoelectric actuator triggered momentum transfer in an adjustment movement about the Rotary axis is offset.
  • the method steps S1 to S3 can be performed in any time
  • At least two of the method steps S1 to S3 can also be performed simultaneously or overlapping in time.
  • the substrate may have at least at least one (at least partially covering a substrate surface of the substrate).
  • Function layer can be used.
  • at least one first additional mass connected to the at least one (later) first actuator carrier and / or at least one second additional mass connected to the at least one (later) second actuator carrier can be (additionally) patterned out of the substrate.
  • the method step S2 can also be extended: For example, at least one actuator coupling spring connecting the at least one first actuator carrier to the at least one second actuator carrier is also removed from the
  • Holder connecting support coupling spring are structured out of the functional layer.
  • at least one coupling spring connecting the first spring and / or the second spring to the holder can be patterned out of the functional layer.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem verstellbaren Teil (12), welches zwischen einer ersten Feder (16a) und einer zweiten Feder (16b) an einer Halterung (10) um zumindest eine Drehachse (18) verstellbar gehalten ist, mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktor (14a), welcher auf mindestens einem direkt oder indirekt an der ersten Feder (16a) angebundenen ersten Aktorträger (20a) ausgebildet ist; und mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktor (14b), welcher auf mindestens einem direkt oder indirekt an der zweiten Feder (16b) angebundenen zweiten Aktorträger (20b) ausgebildet ist, wobei das verstellbare Teil (12) zumindest teilweise aus einem Substrat herausstrukturiert ist, und zumindest die erste Feder (16a), der mindestens eine erste Aktorträger (20a), die zweite Feder (16b) und der mindestens eine zweite Aktorträger (20b) aus einer Funktionsschicht herausstrukturiert sind. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

Beschreibung Titel
Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein
mikromechanisches Bauteil
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der US 8 508 826 B2 sind Mikrospiegelvorrichtungen beschrieben, welche zum Verstellen einer verstellbaren Spiegelplatte um zumindest eine Drehachse piezoelektrische Aktoren verwenden. Bei einer Ausführungsform ist die verstellbare Spiegelplatte zwischen einer ersten Feder und einer zweiten Feder an einer Halterung gehalten, wobei die Ausführungsform zusätzlich zwei an der ersten Feder angebundene Aktorträger und zwei an der zweiten Feder angebundene weitere Aktorträger aufweist. Die auf den vier Aktorträgern ausgebildeten piezoelektrischen Aktoren sollen die verstellbare Spiegelplatte in eine Verstellbewegung um die Drehachse versetzen können. Die verstellbare Spiegelplatte, die erste Feder, die zweite Feder und die insgesamt vier Aktorträger sind aus einer einzigen Halbleiterschicht herausstrukturiert.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Vorteile der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile, welche
vergleichsweise einfach herstellbar sind und trotzdem eine erste Schichtdicke des verstellbaren Teils und eine zweite Schichtdicke der ersten Feder, des mindestens einen ersten Aktorträgers, der zweiten Feder und des mindestens einen zweiten Aktorträgers deutlich unter der ersten Schichtdicke aufweisen. Das verstellbare Teil ist damit vergleichsweise dick ausgebildet, so dass ein
(dynamische) Verformung des verstellbaren Teils während seiner
Verstellbewegung um die Drehachse nicht kaum zu befürchten ist.
Demgegenüber sind die erste Feder, der mindestens eine erste Aktorträger, die zweite Feder und der mindestens eine zweite Aktorträger vergleichsweise dünn ausgebildet, so dass sie eine geringe Steifigkeit (bzw. eine hohe
Flexibilität Verbiegbarkeit) aufweisen. Außerdem wird durch die vergleichsweise dünne Ausbildung des mindestens einen ersten Aktorträgers und des mindestens einen zweiten Aktorträgers ein vorteilhaft einsetzbarer Bimetalleffekt verstärkt.
Die vorliegende Erfindung verbessert auch eine Einsetzbarkeit von
piezoelektrischen Aktoren als Antrieb für ein mikromechanisches Bauteil.
Piezoelektrische Aktoren zeichnen sich durch einen vergleichsweise geringen Stellweg bei gleichzeitig hohen Aktorkräften aus. Dadurch kann pro Periode (trotz des geringen Weges) eine große Energiemenge übertragen werden. Außerdem benötigen piezoelektrische Aktoren vergleichsweise wenig Strom, so dass eine Stromversorgung des damit ausgestatteten mikromechanischen Bauteils leicht sicherstellbar ist. Die vorliegende Erfindung trägt damit zur Verbesserung einer Nutzung von piezoelektrischen Aktoren als idealer Antrieb zum Versetzen des verstellbaren Teils in die gewünschte Verstellbewegung, insbesondere in eine hochfrequente resonante Verstellbewegung, um die Drehachse, bei.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils sind mindestens eine erste Zusatzmasse an dem mindestens einen ersten Aktorträger und/oder mindestens eine zweite Zusatzmasse an dem mindestens einen zweiten Aktorträger angebunden. Durch die Anbindung der mindestens einen ersten Zusatzmasse an dem mindestens einen ersten Aktorträger und/oder der mindestens einen zweiten Zusatzmasse an dem mindestens einen zweiten Aktorträger kann der auf das verstellbare Teil übertragene Impulsübertrag zum Auslösen der gewünschten Verstellbewegung des verstellbaren Teils um die Drehachse gesteigert werden. Insbesondere können die mindestens eine erste Zusatzmasse und/oder die mindestens eine zweite Zusatzmasse aus dem Substrat herausstrukturiert sein. Die hier beschriebene Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist damit leicht herstellbar und vorteilhaft einsetzbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist der mindestens eine erste Aktorträger mit dem mindestens einen zweiten Aktorträger über mindestens eine Aktorenkoppelfeder verbunden. Durch die Hinzufügung der mindestens einen Aktorenkoppelfeder können gleich- oder gegenphasige Schwingungen von miteinander verbundenen Aktorträgern verlässlicher eingehalten werden. Vorzugsweise ist die mindestens eine
Aktorenkoppelfeder aus der Funktionsschicht herausstrukturiert. Die mindestens eine vorteilhaft einsetzbare Aktorenkoppelfeder ist somit leicht herstellbar.
Beispielsweise kann die mindestens eine Aktorenkoppelfeder U-förmig, O-förmig, mäanderförmig und/oder stegförmig sein. Somit können einfach heraus strukturierbare Federtypen für die mindestens eine Aktorenkoppelfeder eingesetzt werden.
Als Alternative oder als Ergänzung zu einer Ausbildung der mindestens einen Aktorenkoppelfeder an dem mikromechanischen Bauteil können der mindestens eine erste Aktorträger und/oder der mindestens eine zweite Aktorträger auch mit der Halterung über mindestens eine Halterungskoppelfeder verbunden sein. Mittels der mindestens einen Halterungskoppelfeder können Auslenkungen des mindestens einen ersten Aktorträgers und/oder des mindestens einen zweiten Aktorträgers begrenzt werden, so dass weniger Energie durch die (für ein Auslenken des mindestens einen ersten Aktorträgers und/oder des mindestens einen zweiten Aktorträgers zu überwindenden) Reibungskräfte verloren geht. Die mindestens eine Halterungskoppelfeder kann aus der Funktionsschicht herausstrukturiert sein. Deshalb ist auch die mindestens eine
Halterungskoppelfeder mit einem verhältnismäßig geringen Arbeitsaufwand ausbildbar.
Ebenso können die erste Feder und/oder die zweite Feder mit der Halterung über mindestens eine Koppelfeder verbunden sein. Auch mittels einer Ausbildung der mindestens einen Koppelfeder (anstelle oder als Ergänzung zu der mindestens einen Aktorenkoppelfeder und/oder der mindestens einen
Halterungskoppelfeder) kann sichergestellt werden, dass der durch den zumindest teilweise verformten ersten piezoelektrischen Aktor und/oder den zumindest teilweise verformten zweiten piezoelektrischen Aktor ausgelöste Impulsübertrag zum gezielten Anregen der gewünschten Verstellbewegung des verstellbaren Teils um die Drehachse genutzt wird. Die mindestens eine Koppelfeder kann aus der Funktionsschicht herausstrukturiert sein. Somit kann auch die mindestens eine Koppelfeder auf einfache Weise mit einer hohen Flexibilität ausgebildet werden.
Bevorzugter Weise ist das mikromechanische Bauteil ein Mikrospiegel mit einer verstellbaren Spiegelplatte als dem verstellbaren Teil. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Nutzungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung nicht auf Mikrospiegel beschränkt ist.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile werden auch durch ein Ausführen eines korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil bewirkt. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das
Herstellungsverfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. la bis lc schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 2a bis 2c schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 3a bis 3c schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; Fig. 4a bis 4c schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 5a bis 5c schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 6a bis 6c schematische Darstellungen einer sechsten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 7a und 7b schematische Darstellungen einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 8a und 8b schematische Darstellungen einer achten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 9a und 9b schematische Darstellungen einer neunten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 10a und 10b schematische Darstellungen einer zehnten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
Fig. 11 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. la bis lc zeigen schematische Darstellungen einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. la eine Draufsicht, Fig. lb einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. la und Fig. lc einen Querschnitt entlang der Linie B-B' der Fig. la zeigen.
Das mittels der Fig. la bis lc schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil umfasst eine Halterung 10, ein verstellbares Teil 12, mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktor 14a und mindestens einen zweiten
piezoelektrischen Aktor 14b. Das verstellbare Teil 12 ist zwischen einer ersten Feder 16a und einer zweiten Feder 16b an der Halterung 10 so gehalten, dass das verstellbare Teil 12 in Bezug zu der Halterung 10 um zumindest eine Drehachse 18 verstellbar ist. In den hier beschriebenen Ausführungsformen ist das mikromechanische Bauteil beispielhaft als Mikrospiegel mit einer
verstellbaren Spiegelplatte 12 (insbesondere mit einer an dem verstellbaren Teil 12 ausgebildeten reflektierenden Fläche 12a) als dem verstellbaren Teil 12 ausgebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das mikromechanische Bauteil anstelle der verstellbaren Spiegelplatte 12 auch ein anders ausgebildetes verstellbares Teil 12 aufweisen kann.
Der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor 14a ist auf/an mindestens einem direkt oder indirekt an der ersten Feder 16a angebundenen ersten Aktorträger 20a ausgebildet (siehe Fig. lc). Entsprechend ist der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor 14b auf/an mindestens einem direkt oder indirekt an der zweiten Feder 16b angebundenen zweiten Aktorträger 20b ausgebildet. Der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor 14a und der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor 14b umfassen jeweils mindestens eine piezoelektrische Schicht. Vorzugsweise ist eine von der reflektierenden Fläche 12a weg gerichtete Seite der Aktorträger 20a und 20b zumindest teilweise, insbesondere vollständig, mit der mindestens einen piezoelektrischen Schicht bedeckt. Die mindestens eine piezoelektrische Schicht kann z.B. Blei- Zirkonat-Titanat und/oder einen Bimetallschichtaufbau umfassen. Jedoch kann auch anstelle oder als Ergänzung zu Blei-Zirkonat-Titanat und/oder dem
Bimetallschichtaufbau mindestens ein anderes piezoelektrisches Material, dessen Form mittels eines elektrischen Feldes veränderbar ist, in der mindestens einen piezoelektrischen Schicht vorliegen. Außerdem sind der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor 14a und der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor 14b jeweils derart ausgebildet, dass mindestens eine Spannung an die mindestens eine piezoelektrische Schicht des mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktors 14a und des mindestens einen zweiten
piezoelektrischen Aktors 14b anlegbar ist. Auf ein Einzeichnen von Elektroden (z.B. aus Platin) des mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktors 14a und des mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktors 14b ist in Fig. la bis lc der besseren Übersichtlichkeit wegen jedoch verzichtet. Durch Anlegen der mindestens einen Spannung an die mindestens eine piezoelektrische Schicht des mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktors 14a und/oder des mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktors 14b sind der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor 14a und/oder der mindestens eine zweite
piezoelektrische Aktor 14b zumindest teilweise verformbar, wodurch das verstellbare Teil 12 mittels eines durch den zumindest teilweise verformten ersten piezoelektrischen Aktor 14a und/oder den zumindest teilweise verformten zweiten piezoelektrischen Aktor 14b ausgelösten Impulsübertrag in eine
Verstellbewegung um die Drehachse 18 versetzbar ist versetzt wird.
Das verstellbare Teil 12 kann somit durch gleich- oder gegenphasige
Biegebewegungen der piezoelektrischen Aktoren 14a und 14b in die gewünschte Verstellbewegung um die Drehachse 18 versetzt werden. Insbesondere kann das verstellbare Teil 12 in eine resonante Schwingbewegung um die Drehachse 18 (als Verstellbewegung) versetzt werden, indem die mindestens eine angelegte Spannung mit einer Eigenfrequenz der Verstellbewegung des verstellbaren Teils 12 in Bezug zu der Halterung 10 variiert wird. Auf diese Weise können
Auslenkungen des verstellbaren Teils 12 bewirkt werden, welche deutlich größer als die Biegebewegungen der piezoelektrischen Aktoren 14a und 14b sind. Somit geht vergleichsweise wenig Energie durch die beim Ausführen der
Biegebewegungen der piezoelektrischen Aktoren 14a und 14b überwundene Reibung verloren.
Außerdem ist bei dem mikromechanischen Bauteil der Fig. 1 das verstellbare Teil 12 zumindest teilweise aus einem Substral/einer Trägerschicht 22
herausstrukturiert, während zumindest die erste Feder 16a, der mindestens eine erste Aktorträger 20a, die zweite Feder 16b und der mindestens eine zweite Aktorträger 20b aus einer Funktionsschicht 24 herausstrukturiert sind. Die Strukturierung des verstellbaren Teils 12 aus dem Substrat 22 ermöglicht eine Ausbildung des verstellbaren Teils 12 mit einer (senkrecht zu der Drehachse 18, evtl. senkrecht zu der reflektierenden Fläche 12a, ausgerichteten) ersten
Schichtdicke dl, welche deutlich höher als eine (senkrecht zu der Drehachse 18, evtl. senkrecht zu der reflektierenden Fläche 12a, ausgerichteten) zweite
Schichtdicke d2 der ersten Feder 16a, der zweiten Feder 16b, des mindestens einen ersten Aktorträgers 20a und des mindestens einen zweiten Aktorträgers 20b ist. Eine Verbiegung/Verwölbung des verstellbaren Teils 12, insbesondere der eventuell an dem verstellbaren Teil 12 ausgebildeten reflektierenden Fläche 12a, muss somit während der Verstellbewegung des verstellbaren Teils 12 um die Drehachse 18 nicht kaum befürchtet werden. Demgegenüber haben der mindestens eine erste Piezoträger 20a und der mindestens eine zweite
Piezoträger 20b eine relativ hohe Flexibilität (bzw. eine geringe Steifigkeit) und gewährleisten damit eine gute Verformbarkeit des jeweils darauf/daran ausgebildeten piezoelektrischen Aktors 14a oder 14b. Auch die erste Feder 16a und die zweite Feder 16b haben eine hohe Flexibilität (bzw. eine geringe Steifigkeit) und erfüllen somit ihre Federfunktion verlässlich.
Als vorteilhafte Weiterbildung sind bei dem mikromechanischen Bauteil der Fig. la bis lc mindestens eine erste Zusatzmasse 26a an dem mindestens einen ersten Aktorträger 20a und mindestens eine zweite Zusatzmasse 26b an dem mindestens einen zweiten Aktorträger 20b angebunden. Die Zusatzmassen 26a und 26b können eine lokale Versteifung des jeweils zugeordneten Aktorträgers 20a oder 20b und/oder (als Gegengewichte) eine gezieltere Anregung der Verstellbewegung (lediglich) des verstellbaren Teils 12 um die Drehachse 18 bewirken. Die Zusatzmassen 26a und 26b können auch Amplituden der
Aktorträger 20a und 20b vorteilhaft beeinflussen, und dadurch ein Verhältnis aus eingekoppelter Kraft und Auslenkung des verstellbaren Teils 12 (um die
Drehachse 18) optimieren. Zusätzlich beeinflussen die Zusatzmassen 26a und 26b ein Modenspektrum positiv, was insbesondere eine Optimierung des Modenspektrums ermöglicht. Außerdem eignen sich die Zusatzmassen 26a und 26b als Anschlagstrukturen. Vorzugsweise sind die Zusatzmassen 26a und 26b ebenfalls aus dem Substrat 22 herausstrukturiert. Die hier beschriebene
Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils ist somit mittels eines relativ geringen Arbeitsaufwandes bewirkbar.
In der Ausführungsform der Fig. la bis lc sind die erste Feder 16a und die zweite Feder 16b stegförmig/balkenförmig ausgebildet und erstrecken sich entlang der Drehachse 18. Die erste Feder 16a und die zweite Feder 16b können somit jeweils als eine Torsionsfeder bezeichnet werden. Verankerungsbereiche der ersten Feder 16a und der zweiten Feder 16b an dem verstellbaren Teil 12 liegen damit auf der Drehachse 18.
Jede der Federn 16a und 16b ist einstückig mit zwei zugeordneten (und bezüglich der Drehachse 18 spiegelsymmetrisch ausgebildeten) ersten oder zweiten Aktorträgern 20a oder 20b ausgebildet. Die Aktorträger 20a und 20b haben eine geknickte/gewinkelte Form, so dass bei jedem der Aktorträger 20a und 20b ein sich jeweils entlang einer ersten Längsachse erstreckender erster stegförmiger/balkenförmiger Teilabschnitt über einen Zwischenabschnitt mit einem sich jeweils entlang einer senkrecht zu der ersten Längsachse
ausgerichteten zweiten Längsachse erstreckenden zweiten
stegförmigen/balkenförmigen Teilabschnitt verbunden ist. Die erste
Längsrichtung des ersten stegförmigen/balkenförmigen Teilabschnitts kann parallel zu der Drehachse 18 ausgerichtet sein, während die zweite
Längsrichtung des zweiten stegförmigen/balkenförmigen Teilabschnitts senkrecht zu der Drehachse 18 ausgerichtet ist. Je eine erste oder zweite Zusatzmasse 26a oder 26b ist an einem (von dem Zwischenabschnitt weg gerichteten) ersten Ende des ersten stegförmigen/balkenförmigen Teilabschnitts des jeweiligen ersten oder zweiten Aktorträgers 20a oder 20b angebunden, während ein (von dem Zwischenabschnitt weg gerichtetes) zweites Ende des zweiten
stegförmigen/balkenförmigen Teilabschnitts des gleichen ersten oder zweiten Aktorträgers 20a oder 20b an der zugeordneten ersten oder zweiten Feder 16a oder 16b angebunden ist.
Außerdem sind bei der Ausführungsform der Fig. la bis lc die auf einer gleichen Seite der Drehachse 18 angeordneten ersten und zweiten Aktorträger 20a und 20b über je eine Aktorenkoppelfeder 28 miteinander verbunden. Beispielhaft ist die jeweilige Aktorenkoppelfeder 28 an den ersten Enden der Aktorträger 20a und 20b verankert, so dass die Aktorträger 20a und 20b und die zwei
Aktorenkoppelfedern 28 einen das verstellbare Teil 12 umgebenden Rahmen bilden. Die jeweilige Aktorenkoppelfeder 28 ist beispielhaft U-förmig. Die mindestens eine Aktorenkoppelfeder 28 kann ebenfalls aus der Funktionsschicht 24 herausstrukturiert sein. Die mindestens eine Aktorenkoppelfeder 28 weist vorzugsweise (in der Bildebene) eine Breite von weniger als einer Hälfte einer Breite der Aktorträger 20a und 20b (in der Bildebene) auf. Fig. 2a bis 2c zeigen schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 2a eine
Draufsicht, Fig. 2b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 2a und Fig. 2c einen Querschnitt entlang der Linie B-B' der Fig. 2a zeigen.
Das mittels der Fig. 2a bis 2c schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von der vorausgehenden Ausführungsform lediglich darin, dass das verstellbare Teil 12 zwischen einem ersten Stegelement 30a und einem zweiten Stegelement 30b in einem Innenrahmen 32 eingesetzt ist, welcher zwischen der ersten Feder 16a und der zweiten Feder 16b mit der Halterung 10 verbunden ist. Vorzugsweise verlaufen die Stegelemente 30a und 30b senkrecht zu der Drehachse 18. Die Verankerungsbereiche der Stegelemente 30a und 30b (und indirekt der Federn 16a und 16b) liegen somit an den Bereichen des verstellbaren Teils 12 mit einer maximalen Auslenkung, bzw. orthogonal zu der Drehachse 18.
Fig. 3a bis 3c zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 3a eine Draufsicht, Fig. 3b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 3a und Fig. 3c einen Querschnitt entlang der Linie B-B' der Fig. 3a zeigen.
Bei der Ausführungsform der Fig. 3a bis 3c sind die Aktorenkoppelfedern 28 an von der Drehachse 18 weg gerichteten Seitenflächen der ersten
stegförmigen/balkenförmigen Teilabschnitte der zugeordneten Aktorträger 20a und 20b verankert, wobei die Verankerungsbereiche der Aktorenkoppelfedern 28 vorzugsweise auf einer von dem ersten Ende weg gerichteten Seite der benachbarten Zusatzmasse 26a oder 26b liegen. Bezüglich weiterer
Eigenschaften der Ausführungsform der Fig. 3a bis 3c wird auf die Beschreibung der vorhergehenden Ausführungsformen verwiesen.
Fig. 4a bis 4c zeigen schematische Darstellungen einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 4a eine Draufsicht, Fig. 4b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 4a und Fig. 4c einen Querschnitt entlang der Linie B-B' der Fig. 4a zeigen. Das mittels der Fig. 4a bis 4c schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von der Ausführungsform der Fig. la bis lc lediglich darin, dass die Aktorenkoppelfedern 28 O-förmig ausgebildet sind. Darunter kann verstanden werden, dass jede der Aktorenkoppelfedern 28 einen O-förmigen Zwischenabschnitt aufweist, welcher zwischen zwei stegförmigen
Endabschnitten liegt. Als Alternative zu einer O-förmigen Ausbildung der Aktorenkoppelfedern 28 können diese auch mäanderförmig und/oder stegförmig sein.
Fig. 5a bis 5c zeigen schematische Darstellungen einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 5a eine Draufsicht, Fig. 5b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 5a und Fig. 5c einen Querschnitt entlang der Linie B-B' der Fig. 5a zeigen.
Das mittels der Fig. 5a bis 5c schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist als Ergänzung zu der Ausführungsform der Fig. 1 noch weitere erste und zweite Zusatzmassen 34a und 34b auf, welche jeweils an den
Zwischenabschnitten der geknickten/gewinkelten Aktorträger 20a und 20b angebunden sind. Auch die weiteren ersten und zweiten Zusatzmassen 34a und 34b können aus dem Substrat 22 herausstrukturiert sein.
Fig. 6a bis 6c zeigen schematische Darstellungen einer sechsten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 6a eine
Draufsicht, Fig. 6b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 6a und Fig.
6c einen Querschnitt entlang der Linie B-B' der Fig. 6a zeigen.
Die Ausführungsform der Fig. 6a bis 6c weist als Ergänzung zu dem
mikromechanischen Bauteil der Fig. 1 ebenfalls die weiteren ersten und zweiten Zusatzmassen 34a und 34b auf. Allerdings ist zum Anbinden der jeweiligen ersten oder zweiten Zusatzmasse 34a oder 34b je ein erster oder zweiten Masseträger 36a oder 36b an einer von dem ersten Ende weg gerichteten Seite des jeweiligen Zwischenabschnitts des zugeordneten ersten oder zweiten Aktorträgers 20a oder 20b angebunden. Fig. 7a und 7b zeigen schematische Darstellungen einer siebten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 7a eine Draufsicht und Fig. 7b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 7a zeigen.
Das mittels der Fig. 7a und 7b schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsformen darin, dass die Aktorträger 20a und 20b eine Balkenform aufweisen und sich senkrecht zu der Drehachse 18 von der zugeordneten ersten oder zweiten Feder 16a oder 16b weg erstrecken. Die Zusatzmassen 26a und 26b sind weiterhin an den (von der zugeordneten ersten oder zweiten Feder 16a oder 16b weg gerichteten) ersten Ende des zugeordneten ersten oder zweiten Aktorträgers 20a oder 20b angebunden. Die Zusatzmassen 26a und 26b sind somit näher an den Federn 16a und 16b platziert. Deshalb greifen die Zusatzmassen 26a und 26b näher an den Verankerungsbereichen der Federn 16a und 16b an dem verstellbaren Teil 12 an. Die Aktorenkoppelfedern 28 sind an Seitenflächen der Aktorträger 20a und 20b, welche sich von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende erstrecken, verankert, wobei jede Aktorkoppelfeder 28 an den zueinander ausgerichteten Seitenflächen der damit verbundenen Aktorträger 20a und 20b verankert ist.
Fig. 8a und 8b zeigen schematische Darstellungen einer achten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 8a eine Draufsicht und Fig. 8b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 8a zeigen.
Das in Fig. 8a und 8b schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist als Ergänzung zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform (und anstelle der Aktorenkoppelfedern 28) Halterungskoppelfedern 38 auf, wobei je eine Halterungskoppelfeder 38 den zugeordneten ersten oder zweiten Aktorträger 20a und 20b mit der Halterung 10 verbindet. Vorzugsweise sind die
Halterungskoppelfedern 38 an sich von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende erstreckende Seitenflächen des zugeordneten ersten oder zweiten Aktorträgers 20a oder 20b, welche zu der Halterung 10 ausgerichtet sind, angebunden. Fig. 9a und 9b zeigen schematische Darstellungen einer neunten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 9a eine Draufsicht und Fig. 9b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 9a zeigen. Die Ausführungsform der Fig. 9a und 9b unterscheidet sich von dem
mikromechanischen Bauteil der Fig. 7a und 7b durch eine Verankerung der (von der zugeordneten ersten oder zweiten Feder 16a oder 16b) weg gerichteten ersten Enden der Aktorträger 20a und 20b an der Halterung 10. Außerdem ist je eine erste oder zweite Zusatzmasse 26a oder 26b an den zwei an der zugeordneten ersten oder zweiten Feder 16a oder 16b verankerten zweiten
Enden der ersten oder zweiten Aktorträger 20a oder 20b angebunden.
Fig. 10a und 10b zeigen schematische Darstellungen einer zehnten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils, wobei Fig. 10a eine
Draufsicht und Fig. 10b einen Querschnitt entlang der Linie A-A' der Fig. 10a zeigen.
Das mittels der Fig. 10a und 10b schematisch wiedergegebene
mikromechanische Bauteil unterscheidet sich von der zuvor beschriebenen Ausführungsform durch seine Ausbildung mit Koppelfedern 40 (anstelle der
Aktorenkoppelfedern 28). Dabei sind die erste Feder 16a und die zweite Feder 16b über mindestens eine Koppelfeder 40 mit der Halterung 10 verbunden.
Vorzugsweise sind an jeder ersten oder zweiten Feder 16a oder 16b zwei Koppelfedern 40 verankert, welche sich von voneinander weg gerichteten Seiten der zugeordneten ersten oder zweiten Feder 16a oder 16b zu der Halterung 10 erstrecken. Insbesondere können die Koppelfedern 40 spiegelsymmetrisch bezüglich der Drehachse 18 ausgebildet sein.
In den oben beschriebenen Ausführungsformen kann das Substrat die
Trägerschicht 22 (bzw. die mindestens eine daraus strukturierte Komponente) beispielsweise eine erste Schichtdicke dl zwischen 50 μηι und 500 μηι
(Mikrometer) haben. Die Funktionsschicht 24 (bzw. die mindestens eine daraus strukturierte Komponente) kann z.B. eine zweite Schichtdicke d2 zwischen 5 μηι und 50μηι (Mikrometer) haben. Die hier genannten Zahlenwerte sind jedoch nur beispielhaft zu interpretieren. Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen sind die erste Feder 16a und die zweite Feder 16b beispielhaft an einem Außen- oder Zwischenrahmen 42 verankert. Der Außen- oder Zwischenrahmen 42 umfasst vorzugsweise einen aus dem Substrat 22 herausstrukturierten ersten Teilrahmen und einen aus der
Funktionsschicht 24 herausstrukturierten zweiten Teilrahmen. Insbesondere kann der Außen- oder Zwischenrah men 42 als Außenrahmen 42 Teil der Halterung 10 oder die Halterung 10 sein. Es wird jedoch auch darauf hingewiesen, dass der Außen- oder Zwischenrahmen 42 als Zwischenrahmen 42 in Bezug zu der Halterung 10 verstellbar sein kann. Beispielsweise kann der Zwischenrahmen 42 um eine geneigt zu der Drehachse 18, insbesondere senkrecht zu der Drehachse 18, ausgerichtete weitere Drehachse in Bezug zu der Halterung 10 verstellbar sein.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen das Substrat 22 (bzw. die Trägerschicht) und die
Funktionsschicht 24 zwei unterschiedliche Schichten 22 und 24 sind. Unter der Funktionsschicht 24 ist somit weder das Substrat die Trägerschicht 22 noch ein Teil des Substrats/der Trägerschicht 22 zu verstehen. Vorzugsweise weist mindestens ein Rest des strukturierten Substrats/der strukturierten Trägerschicht 22 die erste Schichtdicke dl auf, welche (deutlich) höher als die zweite
Schichtdicke d2 mindestens eines Rests der Funktionsschicht 24 ist. Das Substral/die Trägerschicht 22 und/oder die Funktionsschicht 24 sind
vorzugsweise aus mindestens einem Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Substral die Trägerschicht 22 und die Funktionsschicht 24 nicht auf ein bestimmtes Material/Halbleitermaterial beschränkt sind. Außerdem können das Substrat 22 (bzw. die Trägerschicht) und die Funktionsschicht 24 auch aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Das Substrat 22 (bzw. die Trägerschicht) und die Funktionsschicht 24 können
Komponenten eines SOI-Wafers (Silicon-On-Isolator-Wafer) sein. Lokal können der mindestens eine Rest des strukturierten Substrats/der strukturierten
Trägerschicht 22 und der mindestens eine Rest der Funktionsschicht 24 weiterhin durch ein (nicht skizziertes) Oxid miteinander verbunden sein. Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile sind als„ 3-lagige Systeme" ausgebildet, wobei eine erste Lage aus dem Substrat 22 (bzw. der Trägerschicht) eine zweite Lage aus der Funktionsschicht 24 herausstrukturiert sind. Eine dritte Lage ist durch Bilden der piezoelektrischen Aktoren 14a und 14b, beispielsweise durch Abscheiden der Materialien der Elektroden und der mindestens einen piezoelektrischen Schicht, realisiert.
Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können insbesondere in einem Projektions- oder in einem Lidar-System vorteilhaft eingesetzt werden.
Fig. 11 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Das im Weiteren beschriebene Herstellungsverfahren kann insbesondere zum Herstellen einer der zuvor ausgeführten Ausführungsformen des
mikromechanischen Bauteils verwendet werden. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausführbarkeit des im Weiteren beschriebenen
Herstellungsverfahrens nicht auf ein Herstellen eines bestimmten Typs des mikromechanischen Bauteils limitiert ist.
Das Herstellungsverfahren umfasst die Verfahrensschritte Sl und S2, mittels welchen ein verstellbares Teil zwischen einer ersten Feder und einer zweiten Feder derart an einer Halterung aufgehängt wird, dass das verstellbare Teil in Bezug zu der Halterung um zumindest eine Drehachse verstellbar ist. Als ein Verfahrensschritt Sl wird das verstellbare Teil zumindest teilweise aus einem Substrat (bzw. einer Trägerschicht) herausstrukturiert. In einem Verfahrensschritt S2 werden zumindest die erste Feder, die zweite Feder, mindestens direkt oder indirekt an der ersten Feder angebundener erster Aktorträger und mindestens ein direkt oder indirekt an der zweiten Feder angebundener zweiter Aktorträger aus einer Funktionsschicht herausstrukturiert. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, das unter dem Substrat (bzw. der Trägerschicht) und der
Funktionsschicht unterschiedliche Materialien zu verstehen sind.
Außerdem weist das Herstellungsverfahren einen Verfahrensschritt S3 auf, mindestens ein erster piezoelektrischer Aktor auf dem mindestens einen ersten Aktorträger und mindestens ein zweiter piezoelektrischer Aktor auf dem mindestens einen zweiten Aktorträger jeweils mit mindestens einer
piezoelektrischen Schicht gebildet werden. Der mindestens eine erste
piezoelektrische Aktor und der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor werden jeweils zum Anlegen mindestens einer Spannung an die mindestens eine piezoelektrische Schicht jeweils des mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktors und des mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktors ausgebildet. Dies geschieht so, dass sichergestellt wird, dass, sofern bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils die mindestens eine Spannung an die mindestens eine piezoelektrische Schicht des mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktors und/oder des mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktors angelegt wird, der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor und/oder der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor zumindest teilweise verformt werden, und das verstellbare Teil mittels eines durch den zumindest teilweise verformten mindestens einen ersten piezoelektrische Aktor und/oder den zumindest teilweise verformten mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktor ausgelösten Impulsübertrag in eine Verstellbewegung um die Drehachse versetzt wird.
Auch ein Ausführen des hier beschriebenen Herstellungsverfahrens schafft die oben schon erläuterten Vorteile.
Die Verfahrensschritte Sl bis S3 können in einer beliebigen zeitlichen
Reihenfolge ausgeführt werden. Mindestens zwei der Verfahrensschritte Sl bis S3 können auch gleichzeitig oder zeitlich überlappend ausgeführt werden.
Für die Verfahrensschritte Sl bis S3 können die oben schon beschriebenen Materialien eingesetzt werden. Insbesondere kann für die Verfahrensschritte Sl und S2 als Ausgangsmaterial das Substrat mit zumindest mindestens einer (eine Substratoberfläche des Substrats zumindest teilweise abdeckenden)
Isolierschicht und der (zumindest teilweise auf einer von dem Substrat weg gerichteten Seite der mindestens einen Isolierschicht gebildeten)
Funktionsschicht verwendet werden. Als Weiterbildung des Verfahrensschritts Sl können noch mindestens eine an dem mindestens einen (späteren) ersten Aktorträger angebundene erste Zusatzmasse und/oder mindestens eine an dem mindestens einen (späteren) zweiten Aktorträger angebundene zweite Zusatzmasse aus dem Substrat (zusätzlich) herausstrukturiert werden.
Auch der Verfahrensschritt S2 kann erweitert werden: Beispielsweise wird noch mindestens eine den mindestens einen ersten Aktorträger mit dem mindestens einen zweiten Aktorträger verbindende Aktorenkoppelfeder aus der
Funktionsschicht herausstrukturiert. Als Alternative oder Ergänzung dazu kann in dem Verfahrensschritt s2 auch mindestens eine den mindestens einen ersten Aktorträger und/oder den mindestens einen zweiten Aktorträger mit der
Halterung verbindende Halterungskoppelfeder aus der Funktionsschicht herausstrukturiert werden. Ebenso kann in dem Verfahrensschritt S2 noch mindestens eine die erste Feder und/oder die zweite Feder mit der Halterung verbindende Koppelfeder aus der Funktionsschicht herausstrukturiert werden.

Claims

Ansprüche
1. Mikromechanisches Bauteil mit: einer Halterung (10); einem verstellbaren Teil (12), welches zwischen einer ersten Feder (16a) und einer zweiten Feder (16b) an der Halterung (10) so gehalten ist, dass das verstellbare Teil (12) in Bezug zu der Halterung (10) um zumindest eine
Drehachse (18) verstellbar ist; mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktor (14a), welcher auf mindestens einem direkt oder indirekt an der ersten Feder (16a) angebundenen ersten Aktorträger (20a) ausgebildet ist; und mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktor (14b), welcher auf mindestens einem direkt oder indirekt an der zweiten Feder (16b) angebundenen zweiten Aktorträger (20b) ausgebildet ist; wobei der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor (14a) und der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor (14b) jeweils mindestens eine piezoelektrische Schicht umfassen und jeweils derart ausgebildet sind, dass mindestens eine Spannung an die mindestens eine piezoelektrische Schicht jeweils des mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktors (14a) und des mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktors (14b) anlegbar ist, wodurch der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor (14a) und/oder der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor (14b) zumindest teilweise verformbar sind, und das verstellbare Teil (12) mittels eines durch den zumindest teilweise verformten mindestens einen ersten piezoelektrische Aktor (14a) und/oder den zumindest teilweise verformten mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktor (14b) ausgelösten Impulsübertrag in eine Verstellbewegung um die Drehachse (18) versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Teil (12) zumindest teilweise aus einem Substrat (22) herausstrukturiert ist; und zumindest die erste Feder (16a), der mindestens eine erste Aktorträger (20a), die zweite Feder (16b) und der mindestens eine zweite Aktorträger (20b) aus einer Funktionsschicht (24) herausstrukturiert sind.
2. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei mindestens eine erste Zusatzmasse (26a, 34a) an dem mindestens einen ersten Aktorträger (20a) und/oder mindestens eine zweite Zusatzmasse (26b, 34b) an dem mindestens einen zweiten Aktorträger (20b) angebunden sind.
3. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mindestens eine erste Aktorträger (20a) mit dem mindestens einen zweiten Aktorträger (20b) über mindestens eine Aktorenkoppelfeder (28) verbunden ist.
4. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 3, wobei die mindestens eine Aktorenkoppelfeder (28) U-förmig, O-förmig, mäanderförmig und/oder stegförmig ist.
5. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der mindestens eine erste Aktorträger (20a) und/oder der mindestens eine zweite Aktorträger (20b) mit der Halterung (10) über mindestens eine Halterungskoppelfeder (38) verbunden sind.
6. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die erste Feder (16a) und/oder die zweite Feder (16b) mit der Halterung (10) über mindestens eine Koppelfeder (40) verbunden sind.
7. Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei das mikromechanische Bauteil ein Mikrospiegel mit einer verstellbaren Spiegelplatte (12) als dem verstellbaren Teil (12) ist.
8. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten:
Aufhängen eines verstellbaren Teils (12) zwischen einer ersten Feder (16a) und einer zweiten Feder (16b) derart an einer Halterung (10), dass das verstellbare Teil (12) in Bezug zu der Halterung (10) um zumindest eine Drehachse (18) verstellbar ist; und
Bilden mindestens eines ersten piezoelektrischen Aktors (14a) auf mindestens einem direkt oder indirekt an der ersten Feder (16a) angebundenen ersten Aktorträger (20a) und mindestens eines zweiten piezoelektrischen Aktors (14b) auf mindestens einem direkt oder indirekt an der zweiten Feder (16b) angebundenen zweiten Aktorträger (20b) jeweils mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht (S3), wobei der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor (14a) und der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor (14b) jeweils zum Anlegen mindestens einer Spannung an die mindestens eine
piezoelektrische Schicht jeweils des mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktors (14a) und des mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktors (14b) ausgebildet werden, und wobei, sofern bei einem Betrieb des
mikromechanischen Bauteils die mindestens eine Spannung an die mindestens eine piezoelektrische Schicht des mindestens einen ersten piezoelektrischen Aktors (14a) und/oder des mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktors (14b) angelegt wird, der mindestens eine erste piezoelektrische Aktor (14a) und/oder der mindestens eine zweite piezoelektrische Aktor (14b) zumindest teilweise verformt werden, und das verstellbare Teil (12) mittels eines durch den zumindest teilweise verformten mindestens einen ersten piezoelektrische Aktor (14a) und/oder den zumindest teilweise verformten mindestens einen zweiten piezoelektrischen Aktor (14b) ausgelösten Impulsübertrag in eine
Verstellbewegung um die Drehachse (18) versetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Teil (12) zumindest teilweise aus einem Substrat (22) herausstrukturiert wird (Sl); und zumindest die erste Feder (16a), der mindestens eine erste Aktorträger (20a), die zweite Feder (16b) und der mindestens eine zweite Aktorträger (20b) aus einer Funktionsschicht (24) herausstrukturiert werden (S2).
9. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8, wobei als Ausgangsmaterial das Substrat (22) mit zumindest mindestens einer eine Substratoberfläche des
Substrats (22) zumindest teilweise abdeckenden Isolierschicht und der zumindest teilweise auf einer von dem Substrat (22) weg gerichteten Seite der mindestens einen Isolierschicht gebildeten Funktionsschicht (24) verwendet wird.
10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens eine an dem mindestens einen ersten Aktorträger (20a) angebundene erste
Zusatzmasse (26a, 34a) und/oder mindestens eine an dem mindestens einen zweiten Aktorträger (20b) angebundene zweite Zusatzmasse (26b, 34b) aus dem Substrat (22) herausstrukturiert werden.
11. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei mindestens eine den mindestens einen ersten Aktorträger (20a) mit dem mindestens einen zweiten Aktorträger (20b) verbindende Aktorenkoppelfeder (28) aus der Funktionsschicht (24) herausstrukturiert wird.
12. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei mindestens eine den mindestens einen ersten Aktorträger (20a) und/oder den mindestens einen zweiten Aktorträger (20b) mit der Halterung (10) verbindende Halterungskoppelfeder (38) aus der Funktionsschicht (24) herausstrukturiert wird.
13. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei mindestens eine die erste Feder (16a) und/oder die zweite Feder (16b) mit der Halterung (10) verbindende Koppelfeder (40) aus der Funktionsschicht (24) herausstrukturiert wird.
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