Auslenkbares mikromechanisches System sowie dessen Verwendung

Die Erfindung betrifft auslenkbare mikromechanische Systeme, bei denen die jeweilige Auslenkung mindestens eines auslenkbaren Elementes bestimmt werden kann. Diese ist bei einer translatorischen und/oder einer rotatorischen Auslenkung um mindestens eine Achse solcher Elemente bestimmbar. So können die je- weiligen Positionskoordinaten eines auslenkbaren Elementes oder auch jeweilige Auslenkwinkel bestimmt werden. Mit den so bestimmbaren Werten können weitere Messgrößen ermittelt oder aktiv Einfluss auf ein System und insbesondere auf die Auslenkung von Elementen genommen werden. Auslenkbare Elemente können beispielsweise optische Elemente, insbesondere reflektierende Elemente, aber auch elastisch verformbare Elemente, insbesondere Membranen sein.

Die Auslenkung kann oszillierend und dabei auch bei

Einhaltung von Resonanzbedingungen durchgeführt werden. Wobei im letztgenannten Fall diese Bedingungen beim Betrieb mit der Erfindung besser eingehalten werden können.

In der Mikrosystemtechnik werden bisher physikalische Wirkprinzipien für eine Bestimmung von Positionen eingesetzt. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um drei solcher Prinzipien.

So wird eine Veränderung der elektrischen Kapazität durch Geometrieänderungen erfasst und dabei ausgenutzt, dass sich die elektrische Kapazität von der jeweiligen Anordnung von Elektroden zueinander beein- flussen lässt. Bei einer Bewegung eines solchen Systems oder Elementen davon ist die sich ändernde e- lektrische Kapazität einer Kondensatoranordnung ein entsprechend geeignetes Mass. Solche Lösungen werden bei Drucksensoren, zur Nullpunktdetektion und auch bei Mikroscannerspiegeln eingesetzt.

Eine weitere bekannte Möglichkeit ist auch die Nutzung des Pseudo-Hall-Effektes. Dabei werden die pie- zoresistiven Eigenschaften von einkristallinem SiIi- cium genutzt. Diese führen dazu, dass ein elektrisches Feld in einem auf Torsion beanspruchten Werkstück nicht geradlinig verläuft. Mit einer bestimmten Anordnung von Elektroden (Pseudo-Hall-Sensor) kann eine von mechanischer Scherdehnung abhängige elektri- sehe Spannung abgegriffen werden. Dabei ändert sich der elektrische Stromfluss und das Vorzeichen der e- lektrischen Spannung in Abhängigkeit von der Richtung der Scherung. So können Verdrehwinkel mikromechanischer Torsionsbalken bestimmt werden.

Außerdem kann die änderung des elektrischen Wider-

Standes, eine Geometrie- oder elektrische Leitfähigkeitsänderung ausgenutzt werden. Dabei werden piezo- resistive Eigenschaften von Werkstoffen, wie z.B. ein- oder polykristallinem Silicium ausgenutzt. Diese führen zu eine lokalen änderung der elektrischen

Leitfähigkeit in der Richtung eines lokalen Dehnungsfeldes. Die aus einer Zugdehnung resultierende veränderte elektrische Leitfähigkeit in Richtung der wirkenden Zugkräfte, kann so in Abhängigkeit von der Ge- ometrie zu beträchtlichen änderungen des elektrischen Widerstandes führen. Dieser veränderte elektrische Widerstand kann bestimmt und das ermittelte Messsignal, beispielsweise bei miniaturisierten Drucksensoren genutzt werden.

Prinzipiell sind solche möglichen Aufbauten in Figur 1 a) bis c) gezeigt.

Diese bisher genutzten Wirkprinzipien haben aber auch Nachteile. So ist ein kapazitiver Sensor nicht sehr empfindlich und die erreichbare Messgenauigkeit ist für viele Anwendungen zu gering. Problematisch sind auch kleine Kapazitätsänderungen, insbesondere dann, wenn mit elektrostatischen Antrieben gearbeitet wird, da dieser als Störgröße wirkt. Außerdem ist für einen kapazitiven Sensor ein relativ großer Raumbedarf erforderlich, was in. der Mikrosystemtechnik äußerst kontraproduktiv ist.

Bei Pseudo-Hall-Sensoren ist es nachteilig, dass ein hoher Integrationsaufwand berücksichtigt werden muss, da zu jedem Sensorelement vier getrennte elektrische Potentiale geführt werden müssen- Wegen der erforderlichen vier Elektroden ist auch ein entsprechend gro- ßer Platzbedarf zu berücksichtigen.

Bei der Bestimmung sich entsprechend ändernder elektrischer Leitfähigkeiten ist eine hohe Geometrieabhän- gigkeit am Deformationskörper zu berücksichtigen. Es lassen sich aber die Wirkung von Zug- und Druckkräf- ten relativ gut bestimmen. Schematάsch ist dies mit Figur 2 a) und b) verdeutlicht. Mit einem üblicherweise eingesetzten symmetrischen Aufbau kann aber die jeweilige Bewegungs- bzw. Auslenkungsrichtung bei Biegung/Verformung nicht erkannt werden.

Aus diesem Grunde wurde beispielsweise eine elektrisch isolierende Schicht in einem Schichtaufbau ausgebildet, wie dies mit den Figuren 3 a) und 3b) verdeutlicht werden soll.

Dabei darf aber kein Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften genommen werden, was ohne sehr großen Aufwand nicht oder nur bedingt erreicht werden kann. Der Fertigungsaufwand steigt außerdem erheblich.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei auslenkbaren mikromechanischen Systemen die Position oder Auslenkung von Elementen genau, mit geringem Aufwand sowie Raumbedarf auch mit jeweiliger Bewegungsrichtung bestimmen zu können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem System, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Verwendungen eines erfindungsgemäßen Systems sind in den Ansprüchenil bis 13 bezeichnet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.

Es können inhomogene elektrische Felder erzwungen

werden, die in einem elektrisch aktiven Volumen des Systems mit den mechanischen Spannungs- / Dehnungsfeldern aufgrund des piezoresistiven Effektes wechselwirken. Durch diese Inhomogenität des elektrischen Feldes kann unabhängig vom vorhandenen Verlauf mechanischer Spannungs- / Dehnungsfeider eine signifikante änderung des Widerstandes erreicht und eine höhere Empfindlichkeit (Sensitivität) , insbesondere in Auslenkungsrichtung realisiert werden.

Dies ist auch bei sehr unsymmetrischen Spannungs- / Dehnungsfeldausbildung, bei auf Biegung beanspruchten Systemen oder Bereichen davon, der Fall.

Mit der Erfindung kann die Asymmetrie elektrischer

Felder durch geeignete Anordnung von Kontakten in einem ansonsten symmetrisch ausgebildeten Bereich eines Systems, ausgenutzt werden. Hierzu werden mit Kontakten, die an eine elektrische Spannungsquelle ange- schlössen und mit möglichst geringem Abstand zueinander angeordnet sind, ein piezoresistiver Sensor gebildet, der bei einem erfindungsgemäßen System an einem Bereich angeordnet ist, der sich bei einer Auslenkung eines Elementes verformt. Bei einer Verfor- mung ändert sich der elektrische Widerstand und dieser kann als Maß für die jeweilige Auslenkung oder Position des ausgelenkten Elementes des Systems genutzt werden.

Die Anordnung elektrischer Kontakte sollte so erfolgen, dass in Tiefenrichtung, d.h. senkrecht zu den Kontaktflächen, eine Ausbildung inhomogener elektrischer Felder auftritt.

Der Abstand der Kontakte sollte sehr klein gehalten und möglichst die 1,5-fache Höhe nicht überschreiten.

Ein sich entsprechend änderndes elektrisches Feld ist dabei entsprechend stark inhomogen innerhalb des verformten Bereiches ausgebildet, da der bestimmte e- lektrische Widerstand wesentlich mehr von der änderung der elektrischen Leitfähigkeit bei der Verformung des Bereichs an dessen Oberfläche, an der die Kontakte angeordnet sind, beeinflusst wird, als dies im darunter angeordneten Teil des verformten Bereichs der Fall ist.

Unter Ausnutzung dieses Effektes kann die Empfindlichkeit und insbesondere auch die Richtungsempfindlichkeit erhöht werden, was bevorzugt bei Verformun- gen, die infolge Biegung oder Torsion auftreten, ausgenutzt werden kann.

Eine Sensitivität kann sich vollständig über die gesamte Tiefe von sich verformenden Bereichen erstre- ckend erreicht werden. Ein sich verformender Bereich sollte homogene piezoresistive Eigenschaften aufweisen und im Wechselwirkungsbereich mit einem inhomogenen elektrischen Feld einen piezoresistiven Wandler bilden.

Es ist dabei keine Abgrenzung des/der sich verformenden Bereich (e) von anderen Bereichen eines Systems, beispielsw.eise mittels elektrischer Isolationsschichten und/oder der änderung von Materialeigenschaften, insbesondere piezoresistiver Eigenschaften, der Dotierung und/oder elektrischen Leitfähigkeit erforderlich. ^'

Die Erfindung kann besonders vorteilhaft weitergebil- det werden, wenn mehrere Kontakte von piezoresitiven Sensoren zu einer Messbrücke elektrisch verschaltet

worden sind. Dabei sollten mindestens zwei piezore- sistive Sensoren so angeordnet sein, dass bei einer zur Verformung eines Bereichs führende Auslenkung eines Elementes eine mit einem entgegen gesetzten Vor- zeichen behaftetes Messsignal einer änderung des e- lektrischen Widerstandes erhalten wird. Da in der Mikrosystemtechnik jedoch häufig symmetrische Elemente oder Anordnungen eingesetzt werden, ist eine solche Lösung in der Regel einsetzbar, ohne dass ein er- höhter Aufwand betrieben werden muss.

Bei der Erfindung sollte der verformbare Bereich, an dem ein piezoresistiver Sensor vorhanden ist, aus einem elektrisch leitenden, bevorzugt halbleitenden Werkstoff, insbsondere ein- oder polykristalline

Halbleiter gebildet sein. Letzteres kann beispielsweise Silicium, bevorzugt niedrig oder undotiertes Silicium sein, das für die Herstellung mikromechanischer Elemente oder auch Systeme bereits häufig ein- gesetzt wird. Es können aber auch Germanium, Indium- galliumarsenid oder Indiumzinn eingesetzt werden.

An mikromechanischen Systemen eingesetzte auslenkbare Elemente werden üblicherweise mittels einer Aufhän- gung gehalten und Federelemente, wie z.B. Biegefedern Und/oder Torsionsfedern sind dabei Elemente einer solchen Aufhängung. Die Kontakte von piezoresistiven Sensoren sollten dabei an, zumindest aber in der Nähe solcher Federelemente angeordnet sein, da dort ein sich bei einer Auslenkung verformender Bereich vorhanden ist.

Die Kontakte können unmittelbar auf der Oberfläche eines sich verformenden Bereichs ausgebildet und da- bei stoffschlüssig mit dieser verbunden sein. Sie können in Dünnschichttechnik ausgebildet werden.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der mehrere piezoresistiven Sensoren mit ihren Kontakten zu einer Messbrücke elektrisch miteinander verschaltet sind, sollten diese so angeordnet werden, dass sie bei einer Auslenkung in eine Richtung jeweils ein Messsignal für eine erfasste elektrische Widerstandsänderung mit entgegengesetztem Vorzeichen liefern. Dies ist wegen der üblicherweise in der Mikrosystem- technik eingesetzten symmetrischen Gestaltung in der Regel möglich.

Für einen oder auch mehrere piezoresistive Sensoren an einem erfindungsgemäßen mikromechanischen System ist nur ein geringer Raumbedarf erforderlich. Zu jedem Kontakt muss lediglich eine elektrische Zuleitung geführt sein.

Es ist auch eine Erfassung der Richtung einer bei der Auslenkung eines Elementes auftretenden Biegung oder

Torsion bei symmetrischen Geometrien an einem mikromechanischen System möglich.

Gegenüber den bekannten Lösungen kann eine höhere Messempfindlichkeit erreicht werden.

Der Fertigungsaufwand ist dagegen gering im Vergleich zu den bisher eingesetzten Lösungen.

Durch die inhomogene Ausbildung elektrischer Felder, insbesondere im aktiven Bereich mit einer entsprechenden Tiefenausdehnung in verformbaren Bereichen, kann dies erreicht werden. Der Körper kann so über das gesamte Volumen homogene piezoresistive Eigen- Schäften aufweisen, was durch die Anordnung der e- lektrischen Kontakte erreichbar ist. Im Gegensatz zu

den bekannten Lösungen können Fertigungsschritte, die für eine Beschichtung bzw. Enddotierung und Strukturierung erforderlich waren, entfallen und demzufolge der Herstellungsaufwand reduziert werden.

All diese Vorteile kompensieren aber den höheren Aufwand, der für die Auswertung der Messsignale erforderlich ist, was insbesondere der Nichtlinearität der erfassten Messsignale geschuldet ist.

Die Erfindung kann, wie bereits eingangs erwähnt auch bei unter Einhaltung von Resonanzbedingungen betriebenen Systemen eingesetzt werden, wobei die Einfluss- nahme auf deren Einhaltung der Resonanz durch die Er- findung verbessert werden kann.

Insbesondere mit einer verschalteten Messbrücke mehrerer piezoresistiver Sensoren, mit denen inhomogene elektrische Felder ausgebildet werden können, können neben der erhöhten Messempfindlichkeit auch störende Einflüsse, wie z.B. Temperaturdrift und Nichtlineari- täten unterdrückt oder gar verhindert werden.

Die Erfindung kann für die Bestimmung der jeweiligen Auslenkung reflektierender Elemente (Kippspiegel, Torsions-Mikrospiegel) , die um eine oder auch zwei Achsen verschwenkt werden, eingesetzt werden. Sie kann aber auch bei Systemen mit einem translatorisch ausgelenkten Element (Translations-Schwinger, - Mikrospiegel) zum Einsatz kommen. Konkrete beispiele für die Verwendung erfindungsgemäßer mikromechanischer Systeme sind auch Winkelgeschwindigkeits-, Win- kelbeschleunigungs-, Drehraten-, Kraft-, Drehmoment-, Beschleunigungssensoren oder taktile Sensoren. Takti- Ie Sensoren können für die Bestimmung von Oberflä- chentopografien oder zur Rauhigkeitsbestimmung von

Oberflächen eingesetzt werden.

Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.

Dabei zeigen:

Figur 1 drei Beispiele für bekannte nach dem Stand der Technik eingesetzte Messprinzipien;

Figur 2 in schematischer Form, Möglichkeiten für pie- zoresistive elektrische Widerstandsänderung in SiIi- cium bei Beaufschlagung mit Zug- und Druckkräften sowie bei Biegung;

Figur 3 eine bekannte Möglichkeit zur Einhaltung a- symmetrischer Verhältnisse bei der piezoresistiven elektrischen Widerstandsänderung;

Figur 4 in schematischer Form das Wirkprinzip eines an einem erfindungsgemäßen mikromechanischen Systems einsetzbaren piezoresistiven Sensors;

Figur 5 Diagramme der mit der Erfindung erfassbaren elektrischen Widerstandsänderung bei Auslenkung eines Elementes und

Figur 6 in schematischer Form Möglichkeiten für die Ausbildung eines mikromechanischen Systems mit aus- lenkbarem Element und mehreren zu Messbrücken miteinander verschalteten piezoresistiven Sensoren.

In Figur 1 sind drei Wirkprinzipien, wie sie in der Beschreibungseinleitung genannt worden sind, verdeut- licht worden. Dabei betrifft Figur 1 a) ein kapazitives System, Figur 1 b) einen Pseudo-Hall-Sensor und

Figur 1 c) einen bekannten piezoresistiven Sensor.

Mit Figur 2 a) soll eine erfassbare piezoresistive Widerstandsänderung bei wirkenden Zugkräfte (oben dargestellt) und Druckkräften (unten dargestellt) verdeutlicht werden. Figur 2 b) soll dies bei Biegebelastung mit unterschiedlicher Biegerichtung verdeutlichen.

Analog zu Figur 2 b) soll mit Figur 3 ebenfalls bei Biegung mit unterschiedlicher Richtung eine bekannte Möglichkeit für die Einhaltung asymmetrischer Verhältnisse verdeutlicht werden. Dabei lässt sich die änderung der lokalen elektrischen Widerstände zur än- derung des Gesamtwiderstandes näherungsweise durch eine quadratische Gleichung mit quadratischen, linearen und konstanten Anteil beschreiben.

Dabei führt der lineare Anteil zu einer Asymmetrie des sich in Abhängigkeit der Auslenkung und Verformung verändernden elektrischen Widerstandes, wie dies aus Figur 5 a) entnommen werden kann. Der Kennlinienverlauf liefert für einen beschränkten Bereich eine eindeutige Aussage der Auslenkung in Bezug zur jewei- ligen änderung des elektrischen Widerstandes. Die

Breite dieses Bereiches ist von der Geometrie und den Eigenschaften des Werkstoffes (Silicium) im verformbaren Bereich abhängig. Bei großen Auslenkungen kann keine eineindeutige Aussage erhalten werden. Es ist dann nicht ohne weiteres möglich aus einem einzelnen Messwert die Position oder die jeweilige Auslenkung zu bestimmen. Im Gegensatz zu bekannten piezoresistiven Sensoren, kann dann der Betrag der Auslenkung und auch die Richtung der Auslenkung nicht ohne weiteres eindeutig bestimmt werden.

Ist aber, wie bei einem unter Einhaltung von Resonanzbedingungen betriebenen Mikrosystems die Trajek- torie der Auslenkungsbewegung bekannt (z.B. sinusförmig) , kann mit kontinuierlicher Erfassung von Mess- Signalen ein Rückschluss auf Amplitude, Phasenlage und Momentanposition gezogen werden. Dies soll mit dem in Figur 5 b) gezeigten Diagramm verdeutlicht werden.

Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung der Positionen bei großen Auslenkungen ergibt sich aus einer Kombination mit einem weiteren piezoresistiven Sensor, der die jeweilige Auslenkung eindeutig detektieren kann. Durch Kombination der Weg-Infomation dieses piezore- sistiven Sensors mit inhomogenem elektrischem Feld, kann die jeweilige Position bzw. Auslenkung eindeutig bestimmt werden.

Für die eindeutige Bestimmung von Positionen bzw. Auslenkungen sollten bevorzugt mindestens zwei piezo- resistive Sensoren, die inhomogenen elektrische Felder generieren, zu einer elektrischen Messbrücke verschaltet werden.

Dies ist mit Figur 6 in unterschiedlichen Ausführungsformen schematisch dargestellt.

Dabei sind zwei sich diametral gegenüberliegend angeordnete Torsionsfederelemente 4 Bestandteil einer Aufhängung für ein um eine Achse verschwenkbares und so auslenkbares Element 1, vorhanden und mit diesem verbunden. Das auslenkbare Element 1 kann eine reflektierende Oberfläche aufweisen und einen Spiegel bilden.

Am oben dargestellten Torsionsfederelement 4 sind

Kontakte 2, 3 dargestellt, die piezoresistive Sensoren bilden und an eine elektrische Strom- oder Spannungsquelle angeschlossen sowie zu einer Messbrücke verschaltet sind. Die jeweils außen angeordneten Kon- takte 2 sind an ein elektrisches Spannungspotential mit entgegengesetztem Vorzeichen angeschlossen.

Die Anordnung der Kontakte 2 und 3 und dementsprechend der zwei piezoresistiven Sensoren erfolgte an Biegebalken 6, die sich bei der Verschwenkung des auslenkbaren Elementes 1 verformen, wobei dort ein verformbarer Bereich vorhanden ist.

Außerdem sind durch Punktierungen elektrische Isola- tionen 5 dargestellt, die beispielsweise durch mit einem elektrisch isolierenden Stoff gefüllte Gräben ausgebildet worden sind.

Dabei ist an dem oben dargestellten Torsionsfederele- rαent 4 auch eine elektrische Isolation 5 am 'auslenkbaren Element 1 vorhanden. Im Gegensatz dazu ist bei dem unten dargestellten Torsionsfederelement 4 ein Anschluss 6 am auslenkbaren Element 1 vorhanden, der an Erdpotential gelegt ist, so dass bei einer solchen Ausführung auf eine elektrische Isolation 5 des auslenkbaren Elements 1 verzichtet werden kann. So kann der Bereich mit piezoresistiven Sensoren vom Antrieb für das auslenkbare Element 1 gekoppelt sein.

Bei der oben dargestellten Ausführung sind Sensoren und Antrieb entkoppelt.

In jedem Fall sind die Abstände der Kontakte 2 und 3 jeweils kleiner als die Höhe H der sich verformenden Bereiche an den Biegebalken 6.