Beschreibung

Titel

Mikromechanisches Bauteil, Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Zusätzlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein entsprechendes mikromechanisches Bauteil.

Stand der Technik

Für ein verlässliches Ansteuern eines mikromechanischen Bauteils mit einem verstellbaren Stellelement, beispielsweise einem Mikrospiegel, ist häufig ein Ermitteln einer aktuellen Stellung des Stellelements vorteilhaft. Herkömmlicherweise wird dazu oft ein Lichtstrahl auf eine reflektierende Ober- fläche des Stellelements gerichtet. Abhängig von der aktuellen Stellung des Stellelements wird der Lichtstrahl von der reflektierenden Oberfläche auf einen anderen ermittelbaren Auftreffpunkt eines Detektionssystems, beispielsweise einer CCD-Kamera abgelenkt. Ein Ausführen dieses optischen Verfahrens erfordert jedoch eine geeignete Lichtquelle zum Aussenden des Lichtstrahls und das De- tektionssystem und ist damit relativ teuer und bauraumintensiv. Zusätzlich ist das Ausführen des opti- sehen Verfahrens vergleichsweise umständlich.

Eine weitere Möglichkeit zum Ermitteln der aktuellen Stellung des Stellelements besteht im Messen einer Kapazität zwischen einer am Stellelement angebrachten Elektrode und einer, vorzugsweise fest in dem mikromechanischen Bauteil angeordneten Gegenelektrode. Bei einer Bewegung des Stellele- ments ändert sich die Kapazität, sofern aufgrund der Bewegung der mittlere Abstand zwischen den beiden Elektroden zu- oder abnimmt und/oder die Stellung der beiden Elektroden zueinander verändert wird. Das Stellelement selbst kann dabei bei einer vorteilhaften Ausführungsform als Elektrode verwendbar sein. Derartige kapazitive Verfahren werden in der Inertialsensorik beispielsweise zur Lageerkennung verwendet. Allerdings erfordert das kapazitive Verfahren eine aufwendige Elektronik, welche dazu ausgelegt ist, Störsignale zu eliminieren. Ein Ausführen des kapazitiven Verfahrens zum Ermitteln der aktuellen Stellung des Stellelements ist aufgrund der Entstörung relativ teuer.

Als Alternative oder als Ergänzung zu den beiden in den oberen Absätzen beschriebenen Verfahren kann auch ein piezoresistives Sensorelement verwendet werden, um die aktuelle Stellung des Stellelements innerhalb des mikromechanischen Bauteils zu ermitteln. Herkömmlicherweise wird das pie- zoresistive Sensorelement, beispielsweise eine Wheatstone-Brücke oder ein X-Ducer, dabei auf einer Oberfläche oder innerhalb eines Volumens eines Federelements, welches das verstellbare Stellelement mit einer unverstellbaren Halterung des mikromechanischen Bauteils verbindet, angebracht. Durch das piezoresistive Sensorelement kann anschließend ein Strom mit einer bestimmten Stromstärke geleitet werden. Bei einem Biegen des Federelements verändert sich der Widerstand des piezoresistiven Sensorelements. Diese änderung des Widerstands lässt sich ermitteln und anschließend bezüglich einer wahrscheinlichen aktuellen Stellung des Stellelements auswerten.

Vorzugsweise sollte ein Federelement, welches ein Stellelement mit einer ortsfesten Halterung eines mikromechanischen Bauteils verbindet, so ausgebildet sein, dass es eine vergleichsweise geringe Bie- gesteifigkeit aufweist. Das Anbringen einer Wheatstone-Brücke auf der Oberfläche oder innerhalb des Volumens des Federelements sowie das Anordnung von Leitungselementen zum Leiten des Stroms durch die Wheatstone-Brücke erhöht jedoch die Biegesteifigkeit des Federelements signifikant.

Es ist deshalb wünschenswert, über eine kostengünstige, einfach ausführbare und/oder eine Biegesteifigkeit eines Federelements kaum beeinflussende Möglichkeit zum Erkennen eines Versteilens eines Stellelements eines mikromechanischen Bauteils zu verfügen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Ver- fahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 13.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem Biegen eines Federelements, welches ein verstellbares Stellelement mit einer ortsfesten Halterung eines mikromechanischen Bau- teils verbindet, eine mechanische Spannung innerhalb eines Verankerungsbereichs des Stellelements und/oder der Halterung, an welchem ein Ende des Federelements befestigt ist, erzeugt wird. Man spricht dabei auch von Scherspannungen, welche innerhalb mindestens eines Verankerungsbereichs des Federelements auftreten. Der Verankerungsbereich ist damit ein Festland, an welchem ein Ende des Federelements befestigt ist. Der Verankerungsbereich weist dabei vorzugsweise eine Biegesteifig- keit auf, welche deutlich über der mittleren Biegesteifigkeit des Federelements liegt. Senkrecht zur Längsrichtung des Federelements ist der Verankerungsbereich durch eine Ausdehnung gekennzeich-

net, welche signifikant über der Ausdehnung des Federelements senkrecht zur Längsrichtung des Federelements liegt.

Der Verankerungsbereich, an welchem ein Ende des Federelements angebracht ist, kann auch als Be- rührungsbereich des Federelements innerhalb der Halterung und/oder innerhalb des Stellelements bezeichnet werden. Man spricht bei einem Verankerungsbereich auch von einem Angriffsbereich, in welchem ein Biegen der Feder eine mechanische Spannung erzeugt, ohne dass die Form des Angriffsbereichs signifikant geändert wird. Der Verankerungsbereich ist ein Bereich der Halterung und/oder des Stellelements mit einer Ausdehnung, die vorzugsweise unter 500 μm liegt. Insbesondere kann die Ausdehnung des Verankerungsbereichs kleiner gleich 100 μm sein. Die Ausdehnung des Verankerungsbereichs kann beispielsweise bei 30 μm liegen.

Ein Problem beim Design des elektrostatisch verstellbaren Stellelements besteht darin, dass die Kräfte zum Verstellen des Stellelements vergleichsweise gering sein sollen. Um dies zu erreichen, müssen Federelemente eine relativ niedrige Biegesteifigkeit aufweisen. Damit dies gewährleistet ist, betragen die Ausdehnungen der Federelemente senkrecht zu den Längsrichtungen der Federelemente häufig weniger als 50 μm, beispielsweise weniger als 10 μm.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensor- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, falls eine änderung des Widerstands des piezoresistiven Elements festgestellt wird, festzustellen, dass das Federelement verformt ist und ein entsprechendes Signal auszugeben. Somit kann auf einfache Weise eine Verformung des Federelements verlässlich erkannt werden.

Vorzugsweise ist das Stellelement aus einer Ausgangsstellung in mindestens eine Endstellung drehbar, wobei die Sensor- und Auswerteeinrichtung zusätzlich dazu ausgelegt ist, anhand der abgegriffenen Spannung einen Verstellwinkel zwischen der Ausgangsstellung und der mindestens einen Endstellung zu ermitteln. Dies gewährleistet ein verlässliches Ansteuern des mikromechanischen Bauteils zum Verstellen des Stellelements in eine gewünschte Stellung.

Das Stellelement kann kardanisch mittels zweier Federelemente an der Halterung angeordnet sein. Dies ermöglicht ein Drehen des Stellelements um eine Achse parallel zur Längsachse der beiden Federelemente. Der Verstellwinkel kann dabei einen vergleichsweise großen Wert annehmen.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das mindestens eine Federelement eine doppelsträngi- ge Feder. Doppelsträngige Federn weisen eine vergleichsweise hohe Steifigkeit gegen ein laterales Biegen auf. Demgegenüber ist die Torsionssteifigkeit der doppelsträngigen Federn relativ niedrig.

Dies gewährleistet, dass die doppelsträngige Feder so verbiegbar ist, wie es für das gewünschte Verstellen des Stellelements vorteilhaft ist.

Dabei kann die mindestens eine doppelsträngige Feder V-förmig geformt sein. V-förmige Federn ver- Ursachen bei einer Torsion in ihrem Verankerungsbereich Scherspannungen, die mindestens 20 μm weit in das Festland reichen. Beispielsweise reichen die Scherspannungen an die 100 μm in das Festland.

In einer bevorzugten Weiterbildung des mikromechanischen Bauteils umfasst das piezoresistive EIe- ment X-Ducer, der aus einem Element besteht, über dem eine elektrische Spannung beim Auftreten mechanischer Scherspannungen erfasst wird. Vorzugsweise umfasst der erste Verankerungsbereich und/oder der zweite Verankerungsbereich einen äußeren Bereich mit einer Dotierung von einem ersten Dotierungstyp, wobei in dem äußeren Bereich ein innerer Bereich angeordnet ist, welcher eine Dotierung von einem von dem ersten Dotierungstyp abweichenden zweiten Dotierungstyp aufweist.

Bei einem alternativen piezoresistiven Element in Form einer Wheatstone-Brücke, welche auf einer Oberfläche eines Verankerungsbereichs oder innerhalb eines Volumens des Verankerungsbereichs angeordnet ist, bewirkt eine mechanische Spannung eine Widerstandsänderung. über ein Abgreifen der Spannung ist es damit möglich, die Widerstandsänderung des piezoresistiven Sensorelements nachzuweisen.

Während eine Wheatstone-Brücke eine Mindestbreite von 50 μm und eine Mindestlänge von 150 μm erfordert, ist das in dem oberen Absatz piezoresistive Sensorelement in Form eines X-Ducers auch dazu geeignet, auf einer Oberfläche und/oder innerhalb eines Volumens eines Verankerungsbereichs mit einer Ausdehnung von etwa 20 μm x 20 μm angeordnet zu werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Verankerungsbereich und/oder der zweite Verankerungsbereich einen äußeren Bereich mit einer Dotierung von einem ersten Dotierungstyp auf, wobei in dem äußeren Bereich ein innerer Bereich angeordnet ist, welcher eine Dotierung von einem von dem ersten Dotierungstyp abweichenden zweiten Dotierungstyp aufweist. Der äußere Bereich deckt vorzugsweise eine Fläche ab, die kleiner als 100 μm x 100 μm ist. Insbesondere deckt der äußere Bereich eine Fläche von etwa 20 μm x 20 μm ab. Die hier beschriebene Ausführungsform ist damit auch für mikromechanische Bauteile geeignet, bei welchem die Verankerungsbereiche, innerhalb welcher bei einem Biegen eines Federelements mechanische Spannungen auftreten, zu klein sind, um eine Wheatstone-Brücke zu implementieren. Da das hier beschriebene piezoresistive Sensorelement ein vergleichsweise kleines Anbringvolumen benötigt, ist es geeignet, innerhalb eines kleinen Veranke-

rungsbereichs die beim Biegen des mindestens einen Federelements auftretende mechanische Spannung zu detektieren.

Die in den oberen Absätzen beschriebenen Vorteile sind auch bei einem derartigen Verfahren zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils und bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil gewährleistet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 eine Draufsicht und eine Seitenansicht auf eine Oberseite eines Stellelements zum

Darstellen einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1.

Ausführungsform der Erfindung

Fig. 1 und 2 zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht auf eine Oberseite eines Stellelements zum Darstellen einer Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.

Das Stellelement 10 umfasst eine Spiegelplatte 12 und zwei an gegenüberliegenden Seiten der Spiegelplatte 12 angeordnete Stegelemente 14, welche in y- Richtung von der Spiegelplatte 12 abstehen. An jedem von der Spiegelplatte 12 abgewandten Ende eines Stegelements 14 ist ein Federelement 16 befestigt. Beispielsweise ist das Federelement 16 eine doppelsträngige Feder, insbesondere eine V- förmige Feder.

Mittels der beiden Federelemente 16 ist das Stellelement 10 an einer (nicht dargestellten) Halterung des mikromechanischen Bauteils befestigt. Vorzugsweise ist das Stellelement 10 einstückig ausgebildet. Die beiden Federelemente 16 können ebenfalls einstückig mit dem Stellelement 10 ausgebildet sein. Beispielsweise werden das Stellelement 10 und die beiden Federelemente 16 aus einer Halbleiterplatte oder aus einer Platte eines leitfähigen Materials hergestellt. Dies kann beispielsweise durch ein ätzen der Halbleiterplatte oder der Platte aus leitfähigem Material erfolgen. Des Weiteren können die Federelemente 16 einstückig mit zumindest einem Teil der Halterung ausgebildet sein.

Das mikromechanische Bauteil weist einen (nicht skizzierten) Antrieb, wie beispielsweise einen elektrostatischen Antrieb oder einen magnetischen Antrieb, auf. Der Antrieb ist dazu ausgelegt, das Stellelement 10 gegenüber der Halterung zu verstellen, wobei das Verstellen ein Biegen zumindest eines der beiden Federelemente 16, beispielsweise eine Torsion und/oder ein Verdrillen der beiden Feder- elemente 16, bewirkt. Beispielsweise können die Stegelemente 14 als Antriebskämme ausgebildet sein, wobei Elektroden an den Stegelementen 14 angeordnet sind.

Fig. 1 zeigt das Stellelement 10 in einer Ausgangsstellung, in welcher die Spiegelplatte 12 parallel zur xy-Ebene liegt. Demgegenüber ist die Spiegelplatte 12 in Fig. 2 durch den Antrieb um einen Verstell- winkel α aus der xy-Ebene verstellt.

Um ein gutes Verstellen der Spiegelplatte 12 innerhalb eines großen Wertebereichs des Verstellwin- kels α zu ermöglichen, sind die beiden Federelemente 16 so ausgebildet, dass sie eine hohe Biegestei- figkeit in y-Richtung aufweisen, jedoch eine vergleichsweise geringe Torsionssteifigkeit. Vorzugswei- se sind dazu die beiden Untereinheiten der V-förmigen Federelemente 16 so geformt, dass eine maximale Breite dl der Federelemente 16 deutlich geringer als eine maximale Breite d2 der Stegelemente 14 ist. Beispielsweise haben die Federelemente 16 eine maximale Breite dl von ca. 5 μm. Die Torsionssteifigkeit der Federelemente 16 liegt damit deutlich unter der Torsionssteifigkeit der Stegelemente 14. Vorzugsweise ist das Verhältnis zwischen der Torsionssteifigkeit der Federelemente 16 und der Torsionssteifigkeit der Stegelemente 14 so gewählt, dass die Stegelemente 14 bei einem Verstellen der Spiegelplatte 12 kaum gebogen werden.

Fig. 3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Fig. 1.

Der Bereich des gezeigten Stegelements 14, an welchem das Federelement 16 befestigt ist, kann als Verankerungsbereich 20 des Federelements 16 an dem Stegelement 14 bezeichnet werden, da eine Biegung des Federelements 16, insbesondere eine Torsion einer V-förmigen Feder, eine mechanische Spannung innerhalb des Verankerungsbereichs 20 bewirkt. Dabei reicht auch eine maximale Breite dl der Federelemente 16 von etwa 5 μm aus, um nachweisbare mechanische Spannungen innerhalb des Verankerungsbereichs 20 zu erzeugen.

Der Verankerungsbereich 20 kann auch als Berührungsbereich oder als Angriffsbereich des Federelements 16 an dem Stegelement 14 bezeichnet werden. Vorzugsweise weist der Verankerungsbereich 20 eine Ausdehnung auf, welche unter 500 μm liegt. Die Ausdehnung des Verankerungsbereichs 20 ist beispielsweise kleiner als 100 μm, insbesondere kleiner als 50 μm.

Vorzugsweise ist der Verankerungsbereich 20 monokristallin ausgebildet, so dass als piezoresistives Element ein X-Ducer 22 auf einer Oberfläche des Verankerungsbereichs 20 und/oder innerhalb eines Volumens des Verankerungsbereichs 20 implementierbar ist. Der X-Ducer 22, welcher auch als x- Ducer bezeichenbar ist, hat einen inneren Bereich (Kern) 24 aus einem Material von einem ersten Dotierungstyp, beispielsweise aus einem p-dotierten Material. Der den inneren Bereich 24 umgebende äußere Bereich 26 umfasst ein Material von einem zweiten, anderen Dotierungstyp. Ist der innere Bereich 24 p-dotiert, so ist der äußere Bereich 26 n-dotiert. Das Dotieren der Bereiche 24 und 26 ist leicht ausführbar. Der X-Ducer 22 ist somit mittels eines einfach ausführbaren Verfahrens herstellbar.

An dem X-Ducer 22 sind (nicht skizzierte) Kontakte und Zuleitungen angebracht, mit welchen ein Stromfluss mit einer gewünschten Stromstärke I durch die Bereiche 24 und 26 leitbar ist und eine e- lektrische Spannung U abgreifbar ist. Die Bereiche 24 und 26 und die Kontakte nehmen zusammen eine Fläche von ca. 20 μm x 20 μm ein.

Bei einem Biegen der Federelemente 16 zum Verstellen der Spiegelplatte 12 gegenüber der festen

Halterung des mikromechanischen Bauteils 10 tritt eine mechanische Spannung innerhalb des Verankerungsbereichs 20 auf, welche sich über eine Widerstandsänderung am X-Ducer 22 nachweisen lässt. Somit kann eine (nicht dargestellte) Sensor- und Auswerteeinrichtung durch Auswerten der an dem X- Ducer 22 abgegriffenen elektrischen Spannung U ein Biegen des Federelements 16 erkennen. Vor- zugsweise ist die Sensor- und Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt, anhand der abgegriffenen elektrischen Spannung U eine aktuelle Stellung der Spiegelplatte 12 zu ermitteln. Damit bietet die gezeigte Ausführungsform eine kostengünstige Möglichkeit, um mittels eines vergleichsweise geringen Aufwands die aktuelle Stellung der Spiegelplatte 12 innerhalb des mikromechanischen Bauteils zu ermitteln.

Der hier beschriebene X-Ducer 22 weist damit den Vorteil auf, dass er sich leicht in das Volumen des Angriffsbereichs 20 implementieren lässt. Die vergleichsweise kleinen Ausdehnungen des Angriffsbereichs 20 stellen dabei kein Hindernis für das Anbringen des X-Ducers 22 dar. Bei einem Anbringen des X-Ducers 22 als piezoresistives Element auf der Oberfläche und/oder innerhalb des Volumens des Angriffsbereichs 20 müssen keine Leiterbahnen über die Federelemente 16 geführt werden. Beispielsweise verlaufen die Kontaktelemente und die Zuleitungen lediglich über das Stellelement 10.

Damit wird verhindert, dass die metallischen Leiterbahnen, welche herkömmlicherweise bei einem auf einer Oberfläche eines Federelements 16 oder in einem Volumen des Federelements 16 angeordneten piezoresistiven Element über das Federelement 16 geführt werden, eine Dämpfung des Federelements 16 bewirken. Damit entfallen auch die Nachteile einer aufgrund der Dämpfung auftretenden Hysterese

und/oder Nichtlinearität, welche häufig bei einem auf der Oberfläche des Federelements 16 oder in einem Volumen des Federelements 16 angeordneten piezoresistiven Element auftreten.

In den oberen Absätzen wird die vorliegende Erfindung anhand eines als Spiegelplatte 12 ausgebilde- ten Stellelements 10 beschrieben. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung auch auf mikromechanische Bauteile mit anderen verstellbaren Stellelementen ausführbar. Ebenso kann anstelle des X- Ducers 22 dabei ein anderes piezoresistives Element in Form einer Wheatstonebrücke verwendet werden.