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Patent Searching and Data


Title:
MICROMECHANICAL DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1989/009477
Kind Code:
A1
Abstract:
A micromechanical device comprises an element whose position can be varied consisting of a bimaterial system and which can be placed and maintained in a predetermined position. The instantaneous position of the element is determined by means of incorporated sensors and the measurement signal is combined with the heater current in a common control circuit for the purpose of adjusting the position. The embodiments described include a light modulator, an electrically operated switch and an electrically controlled microvalve.

Inventors:
Benecke
Wolfgang, Riethmüller
Werner
Application Number:
PCT/DE1989/000156
Publication Date:
October 05, 1989
Filing Date:
March 10, 1989
Export Citation:
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Assignee:
Fraunhofer-gesellschaft, Zur Förderung Der Angewandten Forschung E.
Benecke, Wolfgang Riethmüller Werner
International Classes:
B23Q1/36; B81B3/00; B81C1/00; F15C5/00; F16K7/00; F16K31/02; F16K99/00; G02B7/182; G05D3/00; G05D3/12; G12B1/02; G12B5/00; H01H1/00; H01H37/52; H01H61/02; (IPC1-7): H01H1/00; G02B26/08; F15C5/00
Domestic Patent References:
WO1987002472A11987-04-23
Foreign References:
US4423401A1983-12-27
US4585209A1986-04-29
GB1584914A1981-02-18
Other References:
TRANSDUCERS'87 1987, Seite 834 - 837; W.RIETHMULLER: "Micromechanical silicon actuators based on thermal expansion effects." siehe das ganze Dokument (in der Anmeldung erw{hnt)
IBM JOURNAL OF RESEARCH AND DEVELOPMENT. Januar 1968, NEW YORK US Seite 113 - 118; R.J.WILFINGER: "The Resonistor:A Frequency Selective Device Utilising the Mechanical Resonance of a Silicon Substrate" siehe Seite 114, rechte Spalte, letzter Absatz Seite 117, linke Spalte, letzter Absatz; Figuren 8, 10, 11
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Claims:
PATENTANSPRÜCHE
1. Mikromechanische Einrichtung, die ein Substrat und wenigstens eine darauf aufgebrachte Schicht enthält, mit einem aus dem Substrat und der Schicht freigeätz¬ ten positionsveränderlichen Element, das ein festes und ein loses Ende aufweist, wobei die übereinander angeordneten Schichten aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung beste¬ hen, und mit einem Heizer zur Erhöhung der Tempera¬ tur des positionsveränderlichen Elementes, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Einrichtung Sensorele¬ mente (6,7) zur Positionserfassung des positions¬ veränderlichen Elementes (1) angebracht sind und die Ausgangssignale der Sensorelemente (6,7) mittels eines Regelkreises zur Positionsregelung des'Elemen¬ tes eingesetzt werden.
2. Mikromechanische Einrichtung nach Anspruch 1, da¬ durch gekennzeichnet, daß das Substrat (5) aus einem SiliziumWafer mit einer (100)orientierten Ober¬ fläche besteht und daß das positionsveränderliche Element aus zwei Schichten zusammengesetzt ist, wo¬ bei die substratnähere Schicht aus einer epitaktisch abgeschiedenen Schicht aus Silizium, einer Silizium¬ verbindung oder aus polykristallinem Silizium und die darüberliegende Schicht aus einer Metallschicht besteht.
3. Mikromechanische Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizer (3) als Widerstand ausgebildet und zwischen den Schich¬ ten angeordnet ist, und aus einer Silizium oder Metallschicht besteht und daß die Sensorelemente (6,7) als Piezowiderstände ausgebildet sind.
4. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen¬ sorelemente (6,7) als Streifen aus piezoelektrischem Material oder ferroelektrischem Material ausgebildet sind und daß zur Bestimmung der Auslenkung des posi¬ tionsveränderlichen Elementes der piezoelektrische Effekt oder der ferroelektrische Effekt herangezogen werden.
5. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen¬ sorelemente (6,7) als Filme aus leitfähigem Material ausgebildet sind, die sich paarweise gegenüberliegen und von denen jeweils eines auf dem positionsver¬ änderlichen Element und eines auf dem ortsfesten Substrat angebracht ist, und daß zur Bestimmung der Auslenkung des positionsveränderlichen Elementes magnetische oder kapazitive Effekte herangezogen werden.
6. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sen¬ sorelemente (6,7) von dem Heizelement (3) thermisch entkoppelt sind.
7. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Regel¬ kreis auf demselben Halbleiterchip integriert ist, wie die mikromechanische Einrichtung.
8. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das posi¬ tionsveränderliche Element der Einrichtung wenigs¬ tens teilweise als Spiegel ausgebildet ist.
9. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sub¬ strat eine Ventilöffnung aufweist und das feste Ende des positionsveränderlichen Elementes durch eine Distanzschicht (10) in einem vorgebbaren Abstand vom Substrat gehalten wird.
10. Mikromechanische Einrichtung nach einem der Ansprü¬ che 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sub¬ strat und das positionsveränderliche Element mit jeweils wenigstens einer elektrischen Kontaktplatte (11 bzw. 12,13) versehen sind, und daß korrespon¬ dierende Kontaktplatten elektrische Schalter bilden.
Description:
Mikromechanische Einrichtung

Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Einrich¬ tung mit einem positionsveränderlichen Element, das ein festes und ein loses Ende aufweist und aus übereinander angeordneten Schichten verschiedener Materialien mit unterschiedlicher thermischer Ausdehnung besteht. Die Positionsveränderung des Elementes erfolgt durch Tem¬ peraturveränderung, wodurch sich die Schichten ver¬ schieden stark ausdehnen. Die Positionsveränderung kann für unterschiedliche Zwecke, z. B. zum Schalten von Kontakten, eingesetzt werden.

Stand der Technik

In der Schrift "Micromechanical Membrane Switches on Silicon" (IBM Journal Research Development, Vol. 23, 1979, S. 376 - 385) gibt K. E. Peters ein mikromecha¬ nisches Schaltelement an, das den Bimaterial-Effekt ausnützt. Bei einer bestimmten Umgebungstemperatur wechselt das Element seinen Schaltzustand.

Um die Höhe der Umschalttemperatur beeinflussen zu können, ist an dem Schaltelement eine zusätzliche Elektrode angebracht, die mit der beweglichen Schalt¬ zunge einen Kondensator bildet und deren Lage mit Hilfe elektrostatischer Kräfte verändert wird. Ein Nachteil

solcher elektrostatisch betriebener Elemente liegt darin, daß die elektrostatische Kraft rasch mit zuneh¬ mender Entfernung abnimmt, weshalb sich die Lage der positionsveränderliche Element beim Schaltvorgang nur minimal verändern darf.

In der Veröffentlichung "Micromechanical Silicon Actuators based on thermal expansion effects" (Trans- ducers 1987) beschreiben . Riethmüller, W. Benecke, U. Schnakenberg und A. Heuberger eine mikromechanische Einrichtung mit einem positionsveränderlichen Element, das als bewegliche Zunge aus einer Silizium-Metall- Schichtstruktur hergestellt ist und das mit Hilfe eines elektrischen Widerstandes geheizt werden kann.

Durch eine vorgebbare- Heizleistung läßt sich die Lage des Bimaterial-Elementes um einen definierten Betrag verändern. Allerdings ist die jeweils aktuelle Stellung des positionsveränderlichen Elementes nicht genau be¬ stimmbar, da diese nicht nur von der Heizleistung son¬ dern auch von der Umgebungstemperatur abhängt. Eine exakte Positionierung des positionsveränderlichen Ele¬ mentes ist damit nicht gewährleistet.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mikro¬ mechanische Einrichtung mit einem positionsveränder¬ lichen Element anzugeben, das positionierbar und regel¬ bar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf einer mikromechanischen Einrichtung mit einem posi¬ tionsveränderlichen Element Sensorelemente (6,7) zur Positionserfassung angebracht sind und die Ausgangssig¬ nale der Sensorelemente (6,7) mittels eines Regelkrei¬ ses zur Positionsregelung des Elementes eingesetzt wer¬ den.

Die Sensorelemente erfassen die momentane Stellung des positionsveränderlichen Elementes und erlauben von der bekannten Stellung ausgehend, jede gewünschte Lageän¬ derung. Die neue Lage kann unbeeinflußt durch Schwan¬ kungen der Umgebungstemperatur beibehalten werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Nach Anspruch 2 ist die Einrichtung auf einem Silizium-Wafer in (100)-Orien¬ tierung aufgebaut. Damit findet als Ausgangsmaterial ein handelsüblicher Chip Verwendung. Um mit geringen Heizleistungen möglichst große Lageveränderungen herbei¬ zuführen, besteht das positionsveränderliche Element nach diesem Anspruch aus einer Kombination von Materia¬ lien mit möglichst unterschiedlichen thermischen Ausdeh¬ nungskoeffizienten. Die Schichtfolge ist so gewählt, daß das positionsveränderliche Element bei Erhöhung der Temperatur zur Substratseite hin gebogen wird. Nach Anspruch 3 ist der Heizer als elektrischer Widerstand zwischen oder auf den Schichten so angeordnet, daß eine gleichmäßige Erwärmung gewährleistet ist. Aufgrund der niedrigen Wärmekapazität des positionsveränderlichen Elementes wird eine starke Temperaturerhöhung pro elek¬ trischer Leistung erreicht. Als Sensoren werden Piezo- widerstände verwendet, die den piezoresistiven Effekt ausnützen. Dieser statische Effekt ist bei Halbleitern

insbesondere bei Silizium gut ausgeprägt und eignet sich zur Messung von Zug- oder Druckbelastungen. Ein weiterer Vorzug ist, daß Piezowiderstände einfach mit der Technik integrierter Schaltungen herstellbar sind.

Nach Anspruch 4 werden die Sensoren als Streifen aus piezoelektrischem oder ferroelektrischem Material aus¬ gebildet. Je nach Anwendungsfall werden dann zur Mes¬ sung der Auslenkung der piezoelektrische Effekt oder der ferroelektrische Effekt herangezogen. Wenn beispiels¬ weise die Lageveränderung des positionsveränderlichen Elementes detektiert werden soll, eignet sich der dynami¬ sche piezoelektrische Effekt.

Die Sensorelemente werden bei einer Ausgestaltung nach Anspruch 5 als Filme aus elektrisch leitendem Material ausgebildet. Je zwei Filme werden so aufgebracht, daß sie einen Kondensator bilden, mit einer Kondensator¬ platte auf dem positionsveränderlichen Element und der anderen Platte auf dem ortsfesten Substrat. Die Änderung der Lage des positionsveränderlichen Elementes kann dann durch die Veränderung der Kapazität des Kondensators bestimmt werden. Diese Methode zeichnet sich durch beson¬ ders hohe Meßempfindlichkeit aus. Die Lageveränderung kann auch mit Hilfe magnetischer Effekte erfaßt werden.

Um zu vermeiden, daß die Positionsbestimmung des posi¬ tionsveränderlichen Elementes durch die Betriebstempera¬ tur beeinflußt wird, sind die Sensoren und der Heizer nach Anspruch 6 thermisch entkoppelt.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Einrichtung nach Anspruch 7 werden Sensor- und Heizer¬ signale in einem Regelkreis miteinander verknüpft.

Dadurch wird das positionsveränderliche Element bei¬ spielsweise durch Regelung der Heizleistung in einer vorgebbaren Stellung gehalten. Um einen hohen Grad an Miniaturisierung zu erreichen, sind der Regelkreis und die mikromechanische Einrichtung auf demselben Halb¬ leiterchip integriert. Dadurch können gleichzeitig mehrere identische, regelbare mikromechanische Ein¬ richtungen auf einem Halbleiterwafer hergestellt werden.

In der zitierten Schrift von Riethmüller, Benecke, Schnakenberg und Heuberger wird die Weiterbildung einer mikromechanischen Einrichtung zu einem Lichtmodulator, einem Schalter und zu einem Mikroventil erwähnt. Aller¬ dings ist dort kein Weg aufgezeigt, wie die Weiterbil¬ dung erfolgen soll.

In Anspruch 8 ist eine Weiterbildung der Einrichtung zu einem Lichtmodulator gekennzeichnet, bei dem das posi¬ tionsveränderliche Element mit einer spiegelnden Metall¬ schicht überzogen ist. Der Vorteil dieser Einrichtung liegt darin, daß sie sowohl in eine vorgebbare Richtung justiert werden kann als auch - bei Anlegen einer oszil¬ lierenden Spannung - zur Modulation eines Lichtstrahles geeignet ist.

In Anspruch 9 ist eine Weiterbildung der Einrichtung zu einem elektrisch angetriebenen Mikroventil gekennzeich¬ net. Es vereint die Vorteile bekannter Mikroventile, wie kleine Abmessungen und geringes Gewicht, mit einer besonders einfachen Funktionsweise und Herstellung. Nach Anspruch 10 ist die Einrichtung als elektrischer Schalter oder elektrisch angetriebenes Relais aus¬ gestaltet.

Alle gekennzeichneten Weiterbildungen der Erfindung werden vorteilhaft mit den in der Mikromechanik und in der Mikroelektronik bekannten Verfahren hergestellt und sind mit Standard-IC-Prozessen kompatibel. Die einzel¬ nen Bestandteile werden dabei mit Hilfe planarer Litho- graphieprozesse strukturiert. Für den Betrieb einer erfindungsgemäßen Einrichtung reichen die in der Mikro¬ elektronik üblichen Spannungspegel aus.

Die mikromechanische Einrichtung und ihre Weiterbildun¬ gen zeichnen sich durch einen hohen Grad an Miniaturi¬ sierung, hohe Genauigkeit, große Zuverlässigkeit und niedrige Kosten aus.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden an Hand von Zeichnungen vier Aus¬ führungsbeispiele -dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine mikromechanische Einrichtung mit positionsveränderlichem Element in Aufsicht (a) und Schnitte entlang der Schnittlinien A A' (b) B B « (C) C C (d),

Fig. 2 eine Weiterbildung der Einrichtung zu einem elektrisch verstellbaren Spiegel im Querschnitt (a) und in Aufsicht (b) ,

Fig. 3 eine Weiterbildung der Einrichtung zu einem elektrisch angetriebenen Mikroventil im Quer¬ schnitt (a) und in Aufsicht (b) ,

Fig. 4 eine Weiterbildung der Einrichtung zu einem elektrisch gesteuerten Relais im Querschnitt (a) und in Aufsicht (b) ,

Fig. 5 die Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfindungsgemäßen mikromechanischen Einrich¬ tung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das positionsveränderliche Element (1) der Einrichtung in Fig. 1 besteht aus einer Schicht aus Silizium oder einer Siliziumverbindung (z.B. 4 μm dick) mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Es ist zur Bildung eines Bimaterials partiell mit einer Metallschicht (2) mit einem wesentlich höheren Ausdeh¬ nungskoeffizienten (z.B. eine 2 μm dicke Goldschicht) bedeckt. Zwischen diesen Schichten oder auf der Me¬ tallschicht ist ein elektrisch betriebener Heizwider¬ stand (3) angeordnet (z.B. aus polykristallinem Sili¬ zium) . Wegen des größeren thermischen Ausdehnungskoef¬ fizienten des Metalls wird das bewegliche positions¬ veränderliche Element in Richtung einer Ätzgrube (4) gedrückt, die mit Hilfe anisotroper Ätzmethoden in das Substrat (5) geätzt ist. Die gestrichelte Linie gibt eine mögliche Position des ausgelenkten Elementes an.

Da die absolute Temperatur der beiden Schichten (1, 2) die augenblickliche Position des Elementes bestimmt, wird diese sowohl durch Änderungen der Umgebungstempe¬ ratur als durch die Bedingungen der Wärmeableitung beeinflußt. Zur Messung der momentanen Position des Elementes sind deshalb auf der Einrichtung Sensoren (6,

7) angebracht (z.B. Piezowiderstände aus Silizium) , deren Widerstand von der Auslenkung des Elementes abhängt. Die Sensoren (6, 7) und der Heizwiderstand (3) werden in einem gemeinsamen elektrischen Regelkreis so verknüpft, daß das positionsveränderliche Element in jeder gewünschten Position gehalten werden kann. Zur thermischen Entkopplung der Sensoren von dem Heizwi¬ derstand ist das Element aus drei Stegen zusammenge¬ setzt, die in eine gemeinsame Fläche einmünden. Auf den seitlichen Stegen sind die Sensoren (6, 7) , auf dem Mittelsteg ist der Heizwiderstand (3) , angebracht.

Bei der Weiterbildung der Einrichtung in Fig. 2 ist das positionsveränderliche Element (1) als Steg mit einem verbreiterten losen Ende ausgebildet, das mit einer hochreflektierenden Metallschicht überzogen ist. Auf dem schmalen Bereich des Steges sind die Metallschicht (2) , der Heizwiderstand (3) und die Sensoren (6, 7) angebracht. Diese Weiterbildung stellt einen elektrisch steuerbaren Lichtmodulator dar. In der Ausgangsstellung wird ein einfallender Lichtstrahl (8) in sich selbst reflektiert; in der durch die gestrichelte Linie angedeuteten Stellung verläßt der Lichtstrahl (9) den Modulator unter einem einstellbaren Reflexionswinkel. Zur Vergrößerung der spiegelnden Fläche können viele Modulatoren auf einem Chip im Gleichtakt betrieben werden. Um verschiedene Teile eines Lichtstrahles in unterschiedliche Richtungen zu reflektieren, werden die Modulatoren einzeln angesteuert.

Die in Fig. 3 dargestellte Weiterbildung der Einrich¬ tung stellt ein mikromechanisches Ventil dar. Das positionsveränderliche Element (1) ist als Steg mit

einem verbreiterten losen Ende ausgebildet, das als Ventilplatte dient. Auf dem schmalen Bereich des Steges sind die Metallschicht (2) , der Heizwiderstand (3) und die Sensoren (6y 7) angebracht. Das positionsveränder¬ liche Element (1) wird durch eine Distanzschicht (10) (z.B. eine epitaktisch abgeschiedene Siliziumschicht) in einem vorgebbaren Abstand vom Substrat (5) gehalten. Die Ätzgrube (4) ist in Form einer Ventilöffnung aus¬ gebildet. Durch Einschalten des Heizwiderstandes (3) wird das als Ventilplatte ausgebildete Element (1) gegen die Ventilöffnung gepreßt. Da das Element im Bereich des schmalen Steges nachgiebiger ist als im Bereich des breiten losen Endes, nimmt es die durch die gestrichelte Linie angedeutete Form an.

Die in Fig. 4 dargestellte Weiterbildung der Einrich¬ tung dient zum Schalten eines elektrischen Kontaktes. Auf dem losen Ende des positionsveränderlichen Ele¬ mentes (1) ist ein Schaltkontakt (11) aus Metall angebracht, während das Element im Bereich des festen Endes mit einer Metallschicht (2) zu einem Bimaterial ausgebildet ist und einen Heizwiderstand (3) aufweist. Gegenüber dem Schaltkontakt (11) sind auf dem Substrat zwei Elektroden (12, 13) angeordnet, die nach Aktivie¬ rung des Elementes (1) durch den Kontakt (11) elek¬ trisch kurzgeschlossen werden.

Die in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellten Ausführungs¬ beispiele werden dadurch vorteilhaft weitergebildet, daß die Sensorelemente auf separaten Stegen unterge¬ bracht und damit von den Heizwiderständen entkoppelt sind.

Die Verfahrensschritte zur Herstellung einer erfin¬ dungsgemäßen Einrichtung sind in Fig. 5 schematisch dargestellt.

a) Auf eine Siliziumscheibe in (100) -Orientierung, die als Substrat (5) dient, wird eine hoch-bordodierte Siliziumschicht (14) epitaktisch abgeschieden. Sie liefert das Material für das positionsveränderliche Element (1) . Nacheinander werden eine Passivie- rungsschicht -C15) (z.B. - Siliziumnitrit) und - als Material sowohl für den Heizwiderstand (3) als auch die Sensoren (6, 7) - eine polykristalline Silizi¬ umschicht (16) abgeschieden, die anschließend dotiert wird. b) Mit Hilfe lithographischer Prozesse und durch Ätzen der polykristallinen Siliziumschicht (16) werden der Heizwiderstand (3) und die Sensoren (6, 7) hergestellt. Nach Aufbringen einer Passivierungs- schicht (17) folgen weitere Lithographieschritte. c) Eine Metallschicht wird abgeschieden und durch lithographische Schritte und einem Ätzprozeß zur zweiten Schicht (2) des Bimaterials geformt. d) Durch isotropes Ätzen der Epitaxieschicht (14) wird das positionsveranderliche Element (1) und durch anisotropes Ätzen des Substrats (5) die Ätzgrube (4) herausgebildet.

Anstelle der hoch-bordotierten Siliziumschicht kann als Material für das positionsveränderliche Element auch eine niedrigdotierte Schicht Verwendung finden.. Der Ätzprozeß wird dann durch einen elektrochemischen Ätzstop an der Schichtoberfläche beendet.