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Dokumentenidentifikation DE102008006570A1 30.07.2009
Titel Festkörpergelenk und mikromechanisches Bauelement
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Njimonzie, Frederic Njikam, 72762 Reutlingen, DE;
Krueger, Michael, 72072 Tübingen, DE;
Schelling, Christoph, 70597 Stuttgart, DE;
Friese, Christoph, 71229 Leonberg, DE;
Weber, Heribert, 72622 Nürtingen, DE;
Sattler, Robert, 71229 Leonberg, DE;
Benzel, Hubert, 72124 Pliezhausen, DE;
Pirk, Tjalf, 71229 Leonberg, DE;
Pinter, Stefan, 72764 Reutlingen, DE;
Muchow, Joerg, 72764 Reutlingen, DE;
Fritz, Joachim, 72762 Reutlingen, DE
DE-Anmeldedatum 29.01.2008
DE-Aktenzeichen 102008006570
Offenlegungstag 30.07.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.07.2009
IPC-Hauptklasse B81B 1/00  (2006.01)  A,  F,  I,  20080129,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse B81B 7/02  (2006.01)  A,  L,  I,  20080129,  B,  H,  DE
G02B 26/08  (2006.01)  A,  L,  I,  20080129,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Das erfindungsgemäße Festkörpergelenk (16) zum Aufhängen einer mikromechanischen Einrichtung (2) beinhaltet einen tragenden Balken (17) und eine auf dem tragenden Balken (17) aufgebrachte dünne Schicht (22). Die dünne Schicht ragt seitlich über den tragenden Balken (17) hin. In der dünnen Schicht (22) sind ein oder mehrere Leiterbahnen (18) eingebettet.

Beschreibung[de]
STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Festkörpergelenk für ein mikromechanisches Bauelement und ein mikromechanisches Bauelement.

Techniken, die entwickelt wurden, für eine fortschreitende Miniaturisierung elektrischer Systeme, insbesondere auf der Basis von Halbleitermaterialien, werden mittlerweile auch auf elektromechanische Bauelemente angewandt. Unter Anderem werden miniaturisierte elektro-mechanische Schalter, Drucksensoren, Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, und diverse Aktoren aus Halbleitermaterialien hergestellt. Die vielen Produkte werden unter dem Namen MEMS (micro electro mechanical systems) zusammengefasst.

Eine Anwendung finden die mikromechanischen Bauelemente als Stellelemente für optische Spiegel, vgl. US 6,552,991. Der Spiegel ist an einem Rahmen durch zwei tordierbare Festkörpergelenke aufhängt, die verdrillt eine Rückstellkraft des Spiegels in seine Ausgangsposition bewirken. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen dem Spiegel und dem Rahmen kann der Spiegel aus der Ausgangsposition gedreht werden. Der Grad der Auslenkung wird durch die Stärke des elektrischen Feldes und die Torsionssteifigkeit der Festkörpergelenke bestimmt.

Die entsprechenden elektrischen Felder zum Bewegen des Spiegels werden durch Anlegen von Potentialen an den Spiegel und den Rahmen bewirkt. Da hierfür bereits zumindest eines der Festkörpergelenke als Zuleitung benötigt wird, können keine weiteren Signale und Versorgungen zugeführt werden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Festkörpergelenk zum Aufhängen einer mikromechanischen Einrichtung, das einen tragenden Balken und eine auf dem tragenden Balken aufgebrachte dünne Schicht, die seitlich über den tragenden Balken hinausragt, aufweist, wobei in der dünnen Schicht ein oder mehrere Leiterbahnen eingebettet sind.

Eine zugrundeliegende Idee besteht darin, dass die Torsionssteifigkeit des Balkens durch die dünne Schicht nur unwesentlich beeinflusst wird, auch wenn diese breiter als der Balken ist. Zugleich bietet die dünne Schicht die Möglichkeit mehrere Leiterbahnen aufzunehmen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügten Figuren erläutert. In den Figuren zeigen:

1 ein mikromechanisches Bauelement mit einem Spiegel,

2 eine erste Ausführungsform eines Festkörpergelenks für ein mikromechanisches Bauelement,

3 eine zweite Ausführungsform eines Festkörpergelenks für ein mikromechanisches Bauelement und

4 eine dritte Ausführungsform eines Festkörpergelenks für ein mikromechanisches Bauelement.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

1 zeigt ein beispielhaftes mikromechanisches Bauelement 1. Eine spiegelnde Fläche 2 des mikromechanischen Bauelements 1 kann unabhängig um eine x-Achse und eine zur x-Achse senkrecht orientierte y-Achse gekippt werden.

Die spiegelnde Fläche 2 ist seitlich von einem inneren Rahmen 4a, 4b, 4c umgeben. Zwei Festkörpergelenke 3 verbinden mechanisch den inneren Rahmen 4a, 4b, 4c mit der spiegelnden Fläche 2. Die Festkörpergelenke 3 sind um ihre Längsachse, das heißt um die x-Achse, verdrillbar. Eine hohe Steifigkeit der Festkörpergelenke 3 in die z-Richtung senkrecht zur spiegelnden Fläche 1, das heißt der x-y-Ebene, verhindert eine translatorische Bewegung der spiegelnden Fläche 2 in die z-Richtung.

Eine Drehung der spiegelnden Fläche 2 bezüglich des inneren Rahmens 4a, 4b, 4c wird durch Anlegen von elektrischen Feldern bewirkt. An die spiegelnde Fläche 2 kann ein erstes elektrisches Potential und an den inneren Rahmen 4a, 4b, 4c unabhängig von dem ersten elektrischen Potential ein zweites elektrisches Potential angelegt werden. Die spiegelnde Fläche 2 wird von dem inneren Rahmen 4a, 4b, 4c angezogen, wenn das erste elektrische Potential und das zweite elektrische Potential ungleiche Polarität aufweisen. Die in z-Richtung steifen Festkörpergelenke 3 verhindern, dass die spiegelnde Fläche 2 parallel zu der x-y-Ebene des Rahmens 4a, 4b, 4c verschoben wird. Wenn die spiegelnde Fläche 2 und die xy-Ebene des inneren Rahmens 4a, 4b, 4c zueinander nicht parallel sind, so ergibt sich aufgrund der elektrostatischen Anziehung eine Drehbewegung. Durch einen periodischen Wechsel der relativen Polarität der beiden Potentiale kann eine resonante Schwingung der spiegelnden Fläche 2 angeregt werden. Die Resonanzfrequenz ist dabei von den mechanischen Eigenschaften abhängig, insbesondere dem Trägheitsmoment der spiegelnden Fläche 2 und der Torsionssteifigkeit des Festkörpergelenks 3.

Die Grenzfläche zwischen dem inneren Rahmen 4a, 4b, 4c und der spiegelnden Fläche 2 ist durch einen mäander-förmigen Rand 11 erhöht, um stärkere elektrostatische Wechselfelder bei gleichem Potentialunterschied zu bewirken.

Der innere Rahmen 4a, 4b, 4b kann wie in 1 gezeigt in einem äußeren Rahmen 6 mittels weiterer äußerer Festkörpergelenke 7 aufgehängt sein. Die äußeren Festkörpergelenke 7 entsprechen im Wesentlichen den (inneren) Festkörpergelenken 3, nur sind sie entlang der y-Richtung orientiert. Durch Anlegen von elektrischen Wechselfeldern zwischen dem inneren Rahmen 4a, 4b, 4c und dem äußeren Rahmen 6 kann eine resonante Schwingung des inneren Rahmens 4a, 4b, 4c um die y-Achse angeregt werden.

Die notwendigen Potentiale werden über drei oder mehr Anschlüsse 10, 8, 9 angelegt. Ein erster Anschluss 10 kontaktiert den äußeren Rahmen 6. Ein zweiter Anschluss 8 ist von dem äußeren Rahmen 6 isoliert und über ein erstes der äußeren Festkörpergelenke 7 in Kontakt mit einem ersten Teil 4a des inneren Rahmens. Das eine äußere Festkörpergelenk 7 ist leitfähig. Ein dritter Anschluss 9 ist von dem äußeren Rahmen 6 isoliert und über ein zweites der äußeren Festkörpergelenke 7 in Kontakt mit einem zweiten Teil 4b des inneren Rahmens. Der zweite Teil 4b ist durch Isolationsgräben 5 von dem ersten Teil 4a elektrisch isoliert. Der zweite Teil 4b ist über eines der inneren Festkörpergelenke 3 elektrisch mit der spiegelnden Fläche 2 verbunden. Das andere der inneren Festkörpergelenke 3 ist von dem ersten Teil 4a des inneren Rahmens elektrisch isoliert.

Eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Festkörpergelenks 12 ist in 2 gezeigt. Das Festkörpergelenk 12 weist einen tragenden Balken 13 und eine Schicht 14 auf.

Der tragende Balken 13 besteht vorzugsweise aus einem mono-kristallinen Substrat, z. B. monokristallinem Silizium. Die dünne Schicht 14 kann ebenfalls aus einem mono-kristallinen, aber auch aus poly-kristallinen Substrat, z. B. Silizium bestehen. Zumindest einer der beiden Balken oder dünne Schicht ist aus einem leitfähigen Substrat gebildet. Das leitfähige Substrat kann stark dotierte Halbleitersubstrate umfassen.

Der tragende Balken 13 und die dünne Schicht 14 können durch eine Trennschicht 15 beabstandet sein. Die Trennschicht 15 ergibt sich herstellungsbedingt, um den tragenden Balken des Festkörpergelenks 12 zu ätzen. Die Trennschicht 15 kann Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid aufweisen oder daraus bestehen.

Die geometrischen Abmessungen des tragenden Balkens 13 sind für eine geringe Torsionssteifigkeit um die Längsachse (y-Achse) des Festkörpergelenks 12 und eine hohe Biegesteifigkeit in allen drei Raumrichtungen optimiert. Die dünne Schicht 14 beeinflusst wegen ihrer geringen Wandstärke die Torsionssteifigkeit nur unwesentlich, trotz ihrer größeren Breite.

Die Breite b1 des tragenden Balkens 13 und die Wandstärke d1 des tragende Balkens 13 weisen ein Verhältnis von etwa acht bis zwölf, vorzugsweise etwa zehn auf. Die Breite b2 der dünnen Schicht 14 und die Wandstärke d2 der dünnen Schicht 14 weisen ein Verhältnis von etwa acht bis zwölf, vorzugsweise etwa zehn auf.

Die Leiterbahn tragende Schicht 13 kann vorzugsweise dünner als ein Drittel der geringsten Abmessung des tragenden Balkens 17 sein. Bei einer zwanzig-fach breiteren als dicken dünnen Schicht 14 ist der Beitrag des tragenden Balkens 13 zur Torsionssteifigkeit näherungsweise vierfach so groß wie der Beitrag der dünnen Schicht 14 zur Torsionssteifigkeit. Eine Abschätzung der Torsionssteifigkeit des Festkörpergelenks kann nach folgender Beziehung ermittelt werden:

wobei K die Torsionssteifigkeit, G das Schwermodul, l die Länge des Festkörpergelenks, b1, d1 die Abmessungen des tragenden Balkens 13 und b2, d2 die Abmessungen der dünnen Schicht 14 (vgl. 2) bezeichnen.

Die Länge l des Festkörpergelenks 12 hat keinen Einfluss auf das Verhältnis der Torsionssteifigkeit zu der Biegesteifigkeit.

Eine zweite Ausführungsform eines Festkörpergelenks 16 ist im Querschnitt in 3 dargestellt. Die geometrischen Abmessungen des tragenden Balkens 17 und der dünnen Schicht 22 entsprechen der ersten Ausführungsform 12.

Das Festkörpergelenk 16 weist mehrere integrierte Leiterbahnen 18 auf. Diese im Schnitt dargestellten Leiterbahnen 18 verlaufen in Längsrichtung des Festkörpergelenks 16. Über die Leiterbahnen 18 können Potentiale elektrostatischen Aktuatoren zugeführt werden. Zudem können Sensoren auf bewegten Elementen der mikromechanischen Bauelemente integriert werden und deren benötigte Versorgungs- und Signalleitungen über die Festkörpergelenke 16 geführt werden. Neben der Ansteuerung des kardanisch aufgehängten Spiegels 2 können somit zusätzlich noch Signale für eine Positionsdetektion über innere und/oder äußere Festkörpergelenke geleitet werden.

Ein beispielhaftes Verfahren zur Herstellung des Festkörpergelenks 16 beginnt mit einem monokristallinen Siliziumsubstrat.

In das Siliziumsubstrat werden Paare von schmalen Gräben geätzt. Die Breite der Gräben kann deutlich geringer als die Hälfte der Breite b2 des zweiten Balkens sein. Der Abstand zwischen den Gräben eines Paares entspricht der Wandstärke d1 des ersten Balkens 17. Die Tiefe der Gräben entspricht der Breite b1 des tragenden Balkens 17. Auf den Seitenwänden der Gräben wird eine Abstandsschicht (Spacer) aus Siliziumoxid aufgewachsen oder die Gräben werden mit Siliziumoxid gefüllt.

Auf dem Substrat wird eine Trennschicht 19 aus Siliziumoxid durch einen Oxidationsprozess aufgewachsen. Mit einem nachfolgenden Abscheideverfahren, zweckmäßigerweise aus der Gasphase (CVD), wird eine poly-kristalline Siliziumschicht auf der Trennschicht 19 aufgebracht.

In die poly-kristalline Siliziumschicht werden mittels eines lithographischen Strukturierungsverfahrens Gräben geätzt, um die poly-kristalline Siliziumschicht in Leiterbahnen 18 zu unterteilen. Die Gräben 20 werden mit einem Dielektrikum, z. B. Siliziumoxid gefüllt. Das poly-kristalline Silizium kann bereits mit Dotierstoffen abgeschieden werden. Alternativ wird das poly-kristalline Silizium nach dem Strukturierungsverfahren durch Ionen-Implantation dotiert. Optional kann eine Deckschicht aus Siliziumoxid auf den Leiterbahnen 18 aufgebracht werden.

Der tragende Balken wird nachfolgend durch ein geeignetes Strukturierungsverfahren freigelegt. Die Breite des Balkens wird durch ein selektives Ätzen unterhalb der dünnen Schicht definiert.

Das obige Herstellungsverfahren ist nicht auf die Wahl der Materialien beschränkt. Anstelle von Siliziumoxid eignen sich unter Anderem auch Siliziumnitrid, sowie andere Verbindungen, die selektiv zu Silizium geätzt werden können.

Eine dritte Ausführungsform eines Festkörpergelenks 30 ist in 4 dargestellt. Der tragende Balken 31 entspricht in seinem Aufbau dem tragenden Balken 22 der zweiten Ausführungsform. Die dünne Schicht 32 besteht aus mehreren Lagen von Leiterbahnen 33, 34, 35. Die Breite der oberen und der unteren Leiterbahn 33, 35 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Breite b3 der dünnen Schicht 32. Diese Leiterbahnen 33, 35 dienen als elektrische Abschirmung für die mittlere Lage 34. Die mittlere Lage 34 kann mehrere seitlich zu einander beabstandete Leiterbahnen 36 aufweisen. Isolationsgräben 37 isolieren die Leiterbahnen 36 voneinander. Zwischen den einzelnen Lagen sind Trennschichten 38 zur elektrischen Isolation angeordnet.

Bei einer großen Anzahl von benötigten Leitungen z. B. wegen den Signal- und Steuerleitungen, die über ein Festkörpergelenk zu führen sind, liegen die Leitungen nah beeinander. Ein kapazitives Überkoppeln kann durch die koaxialen Leitungen nach der dritten Ausführungsform vermieden oder zumindest verringert werden. Zwischen zwei Leiterbahnen für Signale kann dazu eine Leiterbahn auf Masse oder ein anderes geeignetes Schirmpotential gelegt werden.

Die beschriebenen Ausführungsformen eines Festkörpergelenks können als innere und äußere Festkörpergelenke 3, 7 in der mikromechanischen Vorrichtung 1 nach 1 dienen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • - US 6552991 [0003]


Anspruch[de]
Festkörpergelenk (12; 16; 30) zum Aufhängen einer mikromechanischen Einrichtung (2), das einen tragenden Balken (13; 17; 31) und eine auf dem tragenden Balken (13; 17; 31) aufgebrachte dünne Schicht (14; 22; 32), die seitlich über den tragenden Balken (13; 17; 31) hinausragt, aufweist, wobei in der dünnen Schicht (14; 22; 32) ein oder mehrere Leiterbahnen (18; 33, 34, 35, 36) eingebettet sind. Festkörpergelenk nach Anspruch 1, wobei die Leiterbahnen (18; 33, 34, 35, 36) aus leitfähig dotiertem Silizium gebildet sind. Festkörpergelenk nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in einer Ebene der dünnen Schicht (22; 32) eine Mehrzahl von Leiterbahnen (18; 36) aus leitfähig dotiertem polykristallinen Silizium angeordnet sind, die seitlich zu einander durch mit Dielektrikum gefüllte Isolationsgräben (20; 37) von einander elektrisch isoliert sind. Festkörpergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei wenigstens eine weitere Leiterbahn (33, 35) durch eine Isolationsschicht (38) beabstandet zu der Ebene mit der Mehrzahl von Leiterbahnen (34) angeordnet ist. Festkörpergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei einer der tragende Balken (13; 17; 31) aus kristallinem Silizium besteht. Festkörpergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Breite (b1, b2; b3) der dünnen Schicht (13; 22; 32) wesentlich größer als deren Wandstärke (d1, d2; d3) ist. Festkörpergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Leiterbahnen (18; 33, 34, 35, 36) in Längsrichtung des Festkörpergelenks (12; 16; 30) verlaufend angeordnet sind. Festkörpergelenk nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dünne Schicht (14) dünner als ein Drittel der minimalen Abmessung (b1, d1) des tragenden Balkens (13) ist. Mikromechanische Einrichtung mit einem Festkörpergelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 8.






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