DE102012208117B4

DE102012208117B4 - Mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102012208117B4
Application number: DE102012208117.8A
Authority: DE
Inventors: Joerg Muchow; Helmut Grutzeck; Zoltan Lestyan; Jochen Franz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-05-15
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2032-05-16
Also published as: CN103523740B; DE102012208117A1; CN103523740A; US9739998B2; US20130308173A1

Abstract

Mikromechanisches Bauteil mit:einer Halterung (10);einem Antriebsrahmen (12) mit mindestens einer an und/oder in dem Antriebsrahmen (12) angeordneten bestrombaren Spuleneinrichtung (16), welcher über mindestens eine Rahmenfeder (14) mit der Halterung (10) verbunden ist;einem von dem Antriebsrahmen (12) zumindest teilweise umrahmten Spiegelelement (20), welches mittels einer ersten Spiegelfeder (22a) und einer zweiten Spiegelfeder (22b) an dem Antriebsrahmen (12) aufgehängt ist, wobei das Spiegelelement (20) zwischen den beiden Spiegelfedern (22a, 22b) angeordnet und um eine Spiegeldrehachse (24) in Bezug zu dem Antriebsrahmen (12) verstellbar ist;wobei das Spiegelelement (20) asymmetrisch bezüglich der Spiegeldrehachse (24) an dem Antriebsrahmen (12) aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, dassdas Spiegelelement (20) als Gesamtmasse (20), welche mittels der beiden Spiegelfedern (22a, 22b) an dem Antriebsrahmen (12) aufgehängt ist, einen Schwerpunkt (S) aufweist, welcher beabstandet zu der Spiegeldrehachse (24) liegt,und der Antriebsrahmen (12) dazu ausgebildet ist, das Spiegelelement (20) durch eine angeregte, senkrecht zu der Spiegeldrehachse (24) gerichtete reine Transversalbewegung als Antriebsbewegung in eine um die Spiegeldrehachse (24) gerichtete Drehbewegung in Bezug zu dem Antriebsrahmen (12) zu versetzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der DE 10 2008 001 896 A1 sind ein mikromechanisches Bauteil und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil beschrieben. Eine Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils umfasst einen Antriebsrahmen, welcher über zwei Rahmenfedern mit einer Halterung verbunden ist und auf welchem eine Spuleneinrichtung ausgebildet ist. Der Antriebsrahmen umrahmt ein Spiegelelement, welches mittels zweier Spiegelfedern an dem Antriebsrahmen aufgehängt ist. Das Spiegelelement ist dabei zwischen den beiden Spiegelfedern angeordnet.
Weitere mikromechanische Bauteile, die teilweise die Merkmale des mikromechanischen Bauteils gemäß Anspruch 1 beschreiben, werden in den Dokumenten DE 10 2012 206 291 A1 , DE 60 2004 010 024 T2 , US 2011/0 194 164 A1 , US 2007/0 296 532 A1 und DE 10 2008 042 357 A1 beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteile der Erfindung
Die asymmetrische Aufhängung des Spiegelelements bezüglich der Spiegeldrehachse an dem Antriebsrahmen bewirkt selbst bei einer geradlinig gerichteten Bewegung des Antriebsrahmens ein Drehmoment auf das Spiegelelement. Das Spiegelelement ist somit bereits mittels eines Versetzens des Antriebsrahmens in eine geradlinig gerichtete Bewegung (Linearbewegung) um die Spiegeldrehachse versetzbar. Da eine Anregung des Antriebsrahmens in eine geradlinige Bewegung leichter ausführbar ist als ein Versetzen des Antriebsrahmens in eine Drehbewegung um eine Drehachse, ermöglicht die vorliegende Erfindung damit eine vereinfachte Realisierung eines mikromechanischen Bauteils mit einem verdrehbaren Spiegelelement. Wie unten genauer ausgeführt wird, kann das Spiegelelement insbesondere bereits mittels des linear schwingenden Antriebsrahmens in eine resonante Drehbewegung um die Spiegeldrehachse versetzt werden. Aufgrund der einfachen und kostengünstigen Realisierbarkeit einer Aktoreinrichtung zum Versetzen des Antriebsrahmens in die linear ausgerichtete Antriebsbewegung führt die vorliegende Erfindung somit zu einem wenig Bauraum benötigenden und kostengünstigen mikromechanischen Bauteil. Insbesondere kann bei dem mikromechanischen Bauteil auf eine Ausstattung mit einer eine aufwändige Elektronik benötigenden Aktoreinrichtung verzichtet werden.
Erfindungsgemäß weist das Spiegelelement als Gesamtmasse, welche mittels der beiden Spiegelfedern an dem Antriebsrahmen aufgehängt ist, einen Schwerpunkt auf, welcher beabstandet zu der Spiegeldrehachse liegt. Unter der asymmetrischen Aufhängung des Spiegelelements bezüglich der Spiegeldrehachse kann somit verstanden werden, dass das Spiegelelement so aufgehängt ist, dass seine Massenverteilung asymmetrisch bezüglich der Spiegeldrehachse ist. Wie nachfolgend genauer ausgeführt wird, ist die vorteilhafte asymmetrische Massenverteilung des Spiegelelements bezüglich der Spiegeldrehachse einfach und kostengünstig ausführbar.
Beispielsweise umfasst das Spiegelelement eine scheibenförmige Spiegelplatte mit einer an der Spiegelplatte angeordneten Zusatzmasse. Bevorzugter Weise ist die Zusatzmasse an einer von einer Lichtauftrefffläche der Spiegelplatte weg gerichteten Rückseite der Spiegelplatte angeordnet, wobei die Zusatzmasse die Rückseite lediglich teilweise abdeckt. Somit ist selbst bei einer Symmetrie der Spiegelplatte bezüglich der Spiegeldrehachse die vorteilhafte Asymmetrie des Spiegelelements gewährleistet. Die Ausbildung der Zusatzmasse ist jedoch nicht auf das hier beschriebene Beispiel limitiert.
Als Alternative dazu kann das Spiegelelement mittels der beiden Spiegelfedern so exzentrisch bezüglich der Spiegeldrehachse an dem Antriebsrahmen aufgehängt sein, dass eine parallel zu der Spiegeldrehachse ausgerichteten Spiegel-Mittelachse und/oder Spiegel-Symmetrieachse des Spiegelelements beabstandet von der Spiegeldrehachse liegt. Somit ist auch bei einem Verzicht eines Ausbildens einer Zusatzmasse an dem Spiegelelement die gewünschte Asymmetrie des Spiegelelements bezüglich der Spiegeldrehachse realisierbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die mindestens eine Rahmenfeder eine S-förmig verbiegbare Biegefeder. Eine derartige Ausbildung der mindestens einen Rahmenfeder erleichtert eine Anregung des Antriebsrahmens in eine geradlinige Antriebsbewegung/Linearbewegung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegt eine parallel zu der Spiegeldrehachse ausgerichtete Rahmen-Mittelachse und/oder Rahmen-Symmetrieachse des Antriebsrahmens beabstandet von der Spiegeldrehachse. Man kann dies auch als eine exzentrische Anordnung der beiden Spiegelfedern und des damit aufgehängten Spiegelelements an dem Antriebsrahmen umschreiben. Mittels dieser exzentrischen Anordnung der beiden Spiegelfedern und des Spiegelelements an dem Antriebsrahmen kann ein auf das Spiegelelement ausgeübtes Drehmoment bei einer geradlinigen Antriebsbewegung des Antriebsrahmens verstärkt werden.
Als Alternative dazu kann der Antriebsrahmen mittels zweier bezüglich einer Rahmenfedern-Symmetrieachse symmetrisch ausgebildeter Rahmenfedern an der Halterung aufgehängt sein, wobei die Spiegeldrehachse parallel zu der Rahmenfedern-Symmetrieachse ausgerichtet ist und/oder auf der Rahmenfedern-Symmetrieachse liegt. Dies ist als eine gedrehte Aufhängung des Spiegelelements im Antriebsrahmen umschreibbar. Wie unten genauer ausgeführt wird, kann somit die Lage der Drehachse, um welches das Spiegelelement verdrehbar ist, bezüglich ihrer Ausrichtung gegenüber dem Antriebsrahmen und/oder der Halterung relativ frei festgelegt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind zumindest Teilkomponenten jeweils der Halterung, des Antriebsrahmens, der mindestens einen Rahmenfeder, der ersten Spiegelfeder, der zweiten Spiegelfeder und des Spiegelelements aus einem Halbleitersubstrat herausstrukturiert. Das mikromechanische Bauteil ist somit vergleichsweise einfach in einer vorteilhaft kleinen Größe herstellbar. Insbesondere können zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils standardgemäße Verfahrensschritte aus der Halbleitertechnologie verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können der Antriebsrahmen, die mindestens eine Rahmenfeder, die erste Spiegelfeder, die zweite Spiegelfeder und das Spiegelelement mittels zumindest einer ersten Abdeckplatte und einer zumindest teilweise lichtdurchlässigen zweiten Abdeckplatte verkapselt sein. Die erste Abdeckplatte und/oder die zweite Abdeckplatte können direkt oder über Zwischenschichten an der Halterung befestigt sein. Insbesondere bei einer rahmenförmigen Ausbildung der Halterung kann jede der beiden Abdeckplatten jeweils an einer zwischen den Innenflächen und den Außenseitenflächen liegenden Oberseite oder Unterseite der Halterung direkt oder indirekt befestigt sein. Somit ist ein verlässlicher Schutz der verkapselten Komponenten des mikromechanischen Bauteils auf einfache Weise realisierbar. Außerdem kann mittels der Verkapselung auch ein vorteilhafter Unterdruck in einer räumlichen Umgebung des Spiegelelements bewirkt werden, wodurch die bei einem Verstellen des Spiegelelements zu überwindenden Reibungskraft reduzierbar ist.
Des Weiteren kann an der ersten Abdeckplatte ein Magnet angeordnet sein, welcher zumindest teilweise von einem U-förmig gebogenen Ausleitblech umrahmt ist. Wie unten genauer ausgeführt wird, ist somit insbesondere in einem räumlichen Bereich der Leitungsstränge der Spuleneinrichtung ein vorteilhaft hohes magnetisches Feld verlässlich realisierbar.
Erfindungsgemäß wird das Spiegelelement in die um die Spiegeldrehachse gerichtete Drehbewegung in Bezug zu dem Antriebsrahmen versetzt durch Anregen des Antriebsrahmens zu einer senkrecht zu der Spiegeldrehachse gerichtete reine Transversalbewegung als Antriebsbewegung. Da eine derartige Anregung des Antriebsrahmens leicht ausführbar ist, kann somit das Spiegelelement auf einfache Weise und gezielt in die gewünschte Drehbewegung, insbesondere in eine vorteilhafte resonante Schwingbewegung, versetzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1a und 1b eine Schrägansicht und eine Draufsicht einer schematischen Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
2 eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3 eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
4 eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
5 eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
6a und 6b einen Querschnitt und eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
7 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des nicht erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils.

Ausführungsformen der Erfindung
1a und 1b zeigen eine Schrägansicht und eine Draufsicht einer schematischen Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das anhand der 1a und 1b schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil umfasst eine Halterung 10, mit welcher ein Antriebsrahmen 12 über mindestens eine Rahmenfeder 14 verbunden ist. Der Antriebsrahmen 12 ist mit mindestens einer an und/oder in dem Antriebsrahmens 12 angeordneten bestrombaren Spuleneinrichtung 16 ausgestattet. Unter der bestrombaren Ausbildung der Spuleneinrichtung 16 kann verstanden werden, dass die Spuleneinrichtung 16 über mindestens zwei Zuleitungen 18, welche über die mindestens eine Rahmenfeder 14 geführt sind und/oder einen zwischen dem Antriebsrahmen 12 und der Halterung 10 liegenden Spalt überspannen, so mit einer externen Stromquelle verbindbar ist, dass ein Strom I durch die Spuleneinrichtung 16 leitbar ist. Wie unten genauer ausgeführt wird, kann mittels eines Bestromens der Spuleneinrichtung 16 bei einem Vorliegenden eines Magnetfelds an der Spuleneinrichtung 16 eine Lorenzkraft bewirkt werden, welche den Antriebsrahmen 12 in Bezug zu der Halterung 10 in eine Antriebsbewegung versetzt.
Das mikromechanische Bauteil hat auch ein von dem Antriebsrahmen 12 zumindest teilweise umrahmtes Spiegelelement 20, welches mittels einer ersten Spiegelfeder 22a und einer zweiten Spiegelfeder 22b an dem Antriebsrahmen 12 aufgehängt ist. Jede der beiden Spiegelfedern 22a und 22b ist an ihrem jeweiligen ersten Ende an dem Antriebsrahmen 12 verankert, während ein zweites Ende der jeweiligen Spiegelfedern 22a und 22b das Spiegelelement 20 kontaktiert. Die beiden Spiegelfedern 22a und 22b sind vorzugsweise als Torsionsfedern ausgebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Ausbildbarkeit der beiden Spiegelfedern 22a und 22b nicht auf eine bestimmte Form von diesen limitiert ist.
Das Spiegelelement 20 ist zwischen den beiden Spiegelfedern 22a und 22b angeordnet. Die Aufhängung des Spiegelelements 20 mittels der beiden Spiegelfedern 22a und 22b ist so ausgelegt, dass das Spiegelelement 20 um eine Spiegeldrehachse 24 in Bezug zu dem Antriebsrahmen 12 verstellbar ist. Die Spiegeldrehachse 24 kann beispielsweise durch die an dem Antriebsrahmen 12 verankerten ersten Enden und die das Spiegelelement 20 kontaktierenden zweiten Enden der beiden Spiegelfedern 22a und 22b verlaufen. Insbesondere können die beiden Spiegelfedern 22a und 22b auf der Spiegeldrehachse 24 liegen. Die Spiegeldrehachse 24 kann somit in einer speziellen Ausbildung auch eine gemeinsame Längsachse der beiden Spiegelfedern 22a und 22b sein.
Außerdem ist das Spiegelelement 20 asymmetrisch bezüglich der Spiegeldrehachse 24 an dem Antriebsrahmen 12 aufgehängt. Unter der asymmetrischen Aufhängung des Spiegelelements 20 bezüglich der Spiegeldrehachse 24 kann verstanden werden, dass eine Massenverteilung des mittels der Spiegelfedern 22a und 22b aufgehängten Spiegelelements 20 asymmetrisch bezüglich der Spiegeldrehachse 24 ist, wobei unter dem Spiegelelement 20 vorzugsweise die mittels der beiden Spiegelfedern 22a und 22b an dem Antriebsrahmen 12 aufgehängte Gesamtmasse zu verstehen ist. Dies ist erfindungsgemäß so vorgesehen, dass das Spiegelelement 20 als Gesamtmasse, welche mittels der beiden Spiegelfedern 22a und 22b an dem Antriebsrahmen 12 aufgehängt ist, einen Schwerpunkt S aufweist, welcher (um einen Abstand d1 ungleich Null) beabstandet zu der Spiegeldrehachse 24 liegt.
Die in dem oberen Absatz beschriebene asymmetrische Aufhängung des Spiegelelements 20 bezüglich der Spiegeldrehachse 24 bewirkt den Vorteil, dass bereits bei einer geradlinig/linear ausgerichteten Antriebsbewegung des Antriebsrahmens 12 ein Drehmoment ungleich Null auf das Spiegelelement 20 ausgeübt wird, durch welches das Spiegelelement 20 in eine Drehbewegung um die Spiegeldrehachse 24 versetzbar ist. Unter der geradlinig/linear ausgerichteten Antriebsbewegung des Antriebsrahmens 12 kann eine senkrecht zu der Spiegeldrehachse 24 und/oder einer Spulenträgerfläche des Antriebsrahmens 12 ausgerichtete Antriebsbewegung verstanden werden. Da eine derartige geradlinige/lineare Antriebsbewegung des Antriebsrahmens 12 leicht bewirkbar ist, kann somit das Spiegelelement 20 bereits mittels eines einfach ausführbaren Anregungsschritts in die gewünschte Drehbewegung um die Spiegeldrehachse 24 versetzt werden.
Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil benötigt somit keine teure, schwere oder großvolumige Aktoreinrichtung zum Versetzen des Spiegelelements 20 in die gewünschte Drehbewegung um die Spiegeldrehachse 24. Insbesondere kann auf eine Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit einer aufwändigen Elektronik zum Steuern des Anregens des Antriebsrahmens 12 verzichtet werden. Außerdem kann der Antriebsrahmen 12 bei dem hier beschriebenen mikromechanischen Bauteil mittels einer vergleichsweise einfachen Anbindung mit der Halterung 10 verbunden werden. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil ist somit kostengünstig, leicht und mit einem vergleichsweise geringen Bauraumbedarf ausbildbar.
Bevorzugter Weise wird der Antriebsrahmen 12 zum Anregen der vorteilhaften Drehbewegung des Spiegelelements 20 um die Spiegeldrehachse 24 in eine lineare Schwingbewegung versetzt. Mittels des linear schwingenden Antriebsrahmens 12 kann das Spiegelelement 20 aufgrund der asymmetrischen Aufhängung verlässlich in eine resonante Schwingbewegung versetzt werden. Zum Anregen des Antriebsrahmens 12 in die gewünschte Antriebsbewegung kann ein Wechselstrom mit einer Resonanzfrequenz des Spiegelsystems aus dem Spiegelelement 20 und den beiden Spiegelfedern 22 und 24 durch die Spuleneinrichtung 16 geleitet werden, so dass unter Verwendung eines Magneten, wie beispielsweise des unten beschriebenen Magneten, die bestromte Spuleneinrichtung 16 eine Lorentzkraft erfährt. Der Wechselstrom kann beispielsweise sinusförmig sein. Es wird darauf hingewiesen, dass die Resonanzfrequenz des Spiegelsystems aus dem Spiegelelement 20 und den beiden Spiegelfedern 22a und 22b mittels einer geeigneten Wahl der Federkonstanten der Spiegelfedern 22a und 22b, insbesondere durch die Festlegung der Längen, Höhen und/oder Breiten der Spiegelfedern 22a und 22b, sowie durch die Masse und/oder Form des Spiegelelements 20 auf einem bevorzugten Wert festlegbar ist. Somit kann mittels einer geeigneten Wahl der hier aufgezählten Parameter die Resonanzfrequenz des Spiegelsystems aus dem Spiegelelement 20 und den beiden Spiegelfedern 22a und 22b auf einen bevorzugten Wert eingestellt werden. Die Resonanzfrequenz des Antriebsrahmens 12 und der mindestens einen Rahmenfeder 14 kann ebenso durch deren Massen und/oder Formen festgelegt werden, wobei die Resonanzfrequenz des Antriebsrahmens 12 und der mindestens einen Rahmenfeder 14 vorzugsweise im Bereich der Spiegelresonanzfrequenz oder (erheblich) darunter liegt.
Aufgrund der guten Verstellbarkeit des Spiegelelements 20 um die Spiegeldrehachse 24 kann ein Lichtstrahl 26 bereits mittels einer vergleichsweise kleinen Verstellbewegung des Spiegelelements 20 weiträumig abgelenkt werden. Außerdem sind aufgrund der vorteilhaften Verstellbarkeit des Spiegelelements 20 um die Spiegeldrehachse 24 mittels der Anregung des Antriebsrahmens 12 in die zumindest teilweise linear ausgerichtete Antriebsbewegung vergleichsweise große Verstellwinkel um die Spiegeldrehachse 24 realisierbar. Das hier beschriebene mikromechanische Bauteil eignet sich somit vorteilhaft für eine Verwendung in einem Projektor und/oder in einem Scanner.
Bei der in 1a und 1b schematisch dargestellten Ausführungsform umfasst das Spiegelelement 20 (als mittels der beiden Spiegelfedern 22a und 22b an dem Antriebsrahmen 12 aufgehängten Gesamtmasse) eine scheibenförmige Spiegelplatte 28 mit einer an der Spiegelplatte 28 angeordneten Zusatzmasse 30. (Unter der scheibenförmigen Spiegelplatte 28 kann eine Spiegelplatte 28 mit einer konstanten Höhe senkrecht zu der Speigeldrehachse 24 und/oder einer Lichtauftrefffläche 32 verstanden werden.) Bevorzugter Weise ist die Zusatzmasse 30 so an einer von der Lichtauftrefffläche 32 der Spiegelplatte 28 weg gerichteten Rückseite 34 angebracht, dass zumindest eine Teilfläche der Rückseite 24 der Spiegelplatte 28 von der Zusatzmasse 30 unbedeckt bleibt. Die Zusatzmasse 30 kann insbesondere asymmetrisch bezüglich der Spiegeldrehachse 24 sein, während die Spiegelplatte 28 eine Symmetrie bezüglich der Spiegeldrehachse 24 aufweist. Anstelle einer Ausbildung der Zusatzmasse 30 an der Rückseite 34 kann die Zusatzmasse 30 auch an einer Seite mit der Lichtauftrefffläche 32 und/oder an einem Außenrandbereich 36 der Spiegelplatte 28 angebracht sein.
Außerdem zeigen die 1a und 1b eine Ausführungsform, bei welcher zumindest Teilkomponenten jeweils der Halterung 10, des Antriebsrahmens 12, der mindestens einen Rahmenfeder 14, der ersten Spiegelfeder 22a, der zweiten Spiegelfeder 22b und des Spiegelelements 20 aus einem Halbleitersubstrat 38 herausstrukturiert sind. Das Halbleitersubstrat 38 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein.
Zur Ausbildung einer elektrischen Isolierung auf der aus dem Halbleitersubstrat 38 herausstrukturierten Teilkomponente des Antriebsrahmens 12 kann eine dünne Oxidschicht ausgebildet werden. Dies kann beispielsweise über eine thermische Oxidierung erfolgen. Anschließend kann mindestens ein leitfähiges Material, wie beispielsweise Aluminium und/oder Kupfer, auf der dünnen Oxidschicht abgeschieden und in die gewünschte Form der Spuleneinrichtung 16 strukturiert werden. Als Ergänzung dazu können auch eine Überbrückung und/oder mindestens eine vergrabene Leiterbahn im Antriebsrahmen 12 ausgebildet sein.
Zum Anordnen der Zusatzmasse 30 an dem Spiegelelement 20 kann nach einem Herausstrukturieren der Spiegelplatte 28 noch ein weiteres Material auf dieser abgeschieden werden. Eine Reflektivität der Lichtauftrefffläche 32 kann mittels eines abgeschiedenen reflektierenden Materials und/oder eines Polierens der Lichtauftrefffläche 32 gesteigert werden.
Außerdem kann das Spiegelelement 20 an seiner Rückseite 34 ausgehöhlt werden, um die Resonanzfrequenz zu erhöhen oder um eine Belastung der mindestens einen Spiegelfeder zu verringern. Auch eine Verformung des Spiegelelements 20 während des Ausführens einer Drehbewegung um die Spiegeldrehachse 24 kann auf diese Weise vermindert werden.
Das Spiegelelement 20 kann auch aus dem Niveau/der Ebene der Spiegelfedern 22a und 22b herausgehoben werden. Der auf diese Weise unter dem Spiegelelement 20 frei werdende Raum kann für eine Verlängerung der mindestens einen Spiegelfeder 22a und 22b genutzt werden.
Jede der Spiegelfedern 22a und 22b kann auch mindestens eine Verschlingerung aufweisen, bzw. mäanderförmig ausgebildet sein. Durch die auf diese Weise reduzierbare Biegesteifigkeit der Spiegelfedern 22a und 22b können relativ große Auslenkungen des Spiegelelements 20 um die Spiegeldrehachse 24 erreicht werden. Außerdem ist damit eine (mechanische) Belastung des Materials der Spiegelfedern 22a und 22b während der Drehbewegung des Spiegelelements 20 um die Spiegeldrehachse 24 verringerbar.
Bevorzugter Weise ist die Halterung 10 als ein fixierbarer Außenrahmen ausgebildet. Wie unten genauer beschrieben wird, erleichtert dies eine Verkapselung der innerhalb des Außenrahmens liegenden Komponenten 12, 14, 20, 22a und 22b des mikromechanischen Bauteils. Die mindestens eine Rahmenfeder 14 kann beispielsweise eine S-förmig verbiegbare Biegefeder sein. Dies ermöglicht eine gute Verstellbarkeit des Antriebsrahmens 12 in eine senkrecht zu dem Antriebsrahmen 12 und/oder der Spiegeldrehachse 24 ausgerichtete Richtung in Bezug zu der Halterung 10. Die Ausbildbarkeit der mindestens einen Rahmenfeder 14 ist jedoch nicht auf diese Federform limitiert. Vorzugsweise ist der Antriebsrahmen 12 mittels zweier Rahmenfedern 14 an der Halterung 10 aufgehängt, wobei die beiden Rahmenfedern 14 bevorzugter Weise symmetrisch bezüglich einer Rahmenfedern-Symmetrieachse 40 ausgebildet sind. Die Rahmenfedern-Symmetrieachse 40 kann insbesondere mittig durch die Halterung 10, den Antriebsrahmen 12 und/oder das Spiegelelement 20 verlaufen.
Die Ausführungsform der 1a und 1b zeigt auch eine Ausbildung der mindestens einen Rahmenfeder 14, bei welcher die mindestens eine Rahmenfeder 14 an einer parallel zu der Spiegeldrehachse 24 ausgerichteten Seite 42 der Halterung 10 verankert ist und eine senkrecht zu der Spiegeldrehachse 24 ausgerichtete Seite 44 des Antriebsrahmens 12 kontaktiert. Auf diese Weise ist die mindestens eine Rahmenfeder 14 vergleichsweise lang ausbildbar, obwohl das Gesamtspaltvolumen des zwischen der Halterung 10 und des Antriebsrahmens 12 liegenden Spalts relativ klein ist. Durch die vorteilhafte große Länge der mindestens einen Rahmenfeder 14 ist die bevorzugte geringe Biegesteifigkeit der mindestens einen Rahmenfeder 14 verlässlich gewährleistbar.
2 zeigt eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 2 schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist die oben schon beschriebenen Komponenten auf. Als Ergänzung dazu ist bei dem mikromechanischen Bauteil der 2 das Spiegelelement 20 mittels der beiden Spiegelfedern 22a und 22b so an dem Antriebsrahmen 12 aufgehängt, dass eine parallel zu der Spiegeldrehachse 24 ausgerichtete Rahmen-Mittelachse 50 und/oder Rahmen-Symmetrieachse des Antriebsrahmens 12 (um einen Abstand d2 ungleich Null) beabstandet von der Spiegeldrehachse 24 liegt. Unter der Rahmen-Mittelachse 50 und/oder Rahmen-Symmetrieachse des Antriebsrahmens 12 kann eine Achse verstanden werden, welche den Antriebsrahmen 12 mittig schneidet und/oder bezüglich welcher der Antriebsrahmen 12 symmetrisch ausgebildet ist. Man kann dabei auch von einer Aufhängung des Spiegelelements 20 sprechen, welche bezüglich einer Mitte des Antriebsrahmens 12 versetzt ist. Auf diese Weise kann das mittels der vorzugsweise linear ausgerichteten Antriebsbewegung des Antriebskörpers 12 auf das Spiegelelement 20 ausgeübte Drehmoment gesteigert werden. Dies führt zu einer besseren Verstellbarkeit des Spiegelelements 20 um die Spiegeldrehachse 24, insbesondere bei großen Auslenkwinkeln des Spiegelelements 20.
Die Rahmen-Mittelachse 50 und/oder Rahmen-Symmetrieachse unterteilt den Antriebsrahmen 12 in eine erste Hälfte 50a, an welcher die mindestens eine Rahmenfeder 14 am Antriebsrahmen 12 verankert ist, und in eine zweite Hälfte 50b. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform kontaktieren die beiden Spiegelfedern 22a und 22b den Antriebsrahmen 12 an der ersten Hälfte 50a des Antriebsrahmens 12.
3 zeigt eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Auch bei der Ausführungsform der 3 liegt die parallel zu der Spiegeldrehachse ausgerichtete Rahmen-Mittelachse 50 und/oder Rahmen-Symmetrieachse des Antriebsrahmens 12 (um den Abstand d2 ungleich Null) beabstandet von der Spiegeldrehachse 24. Allerdings sind bei der Ausführungsform der 2 die beiden Spiegelfedern 22a und 22b an der zweiten Hälfte 50b des Antriebsrahmens 12 verankert, während die mindestens eine Rahmenfeder 14 den Antriebsrahmen 12 an dessen erster Hälfte 50a kontaktiert.
4 zeigt eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der in 4 schematisch dargestellten Ausführungsform ist die Aufhängung des Spiegels im Vergleich zu den zuvor ausgeführten Ausführungsformen um 90° gedreht. Man kann dies auch so umschreiben, dass die Spiegeldrehachse 24 parallel zu der Rahmenfedern-Symmetrieachse 40 ausgerichtet ist und/oder auf der Rahmenfedern-Symmetrieachse 40 liegt. Es wird darauf hingewiesen, dass für die Spiegeldrehachse 24 auch eine Ausrichtung realisierbar ist, bei welcher die Spiegeldrehachse 24 sowohl um einen ersten Neigungswinkel ungleich 0° und ungleich 90° bezüglich der Rahmenfedern-Symmetrieachse 40 als auch um einen zweiten Neigungswinkel ungleich 0° und ungleich 90° bezüglich der dazu senkrecht ausgerichteten Rahmen-Mittelachse 50 und/oder Rahmen-Symmetrieachse geneigt ist. Der erste Neigungswinkel kann zwischen 0° und 90° liegen. Beispielsweise können der erste Neigungswinkel und der zweite Neigungswinkel jeweils 45° betragen.
5 zeigt eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der 5 ist die Asymmetrie der Aufhängung des Spiegelelements 20 bezüglich der Spiegeldrehachse 24 realisiert, indem das Spiegelelement 20 mittels der beiden Spiegelfedern 22a und 22b exzentrisch bezüglich der Spiegeldrehachse 24 an dem Antriebsrahmen 12 aufgehängt ist. Dies ist gewährleistet, sofern eine parallel zu der Spiegeldrehachse 24 ausgerichtete Spiegel-Mittelachse 52 und/oder Spiegel-Symmetrieachse des Spiegelelements 20 (um einen Abstand d3 ungleich Null) beabstandet von der Spiegeldrehachse 24 liegt. Somit ist auch bei einer Ausbildung des Spiegelelements 20 ausschließlich als eine Spiegelplatte 28 mit einer konstanten Höhe senkrecht zu der Spiegeldrehachse 24 (ohne eine Zusatzmasse) die gewünschte asymmetrische Aufhängung des Spiegelelements 20 realisierbar. Auch mittels der in 5 wiedergegebenen exzentrischen Aufhängung des Spiegelelements 20 ist bei einer linearen Antriebsbewegung des Antriebsrahmens 12 ein Drehmoment auf das Spiegelelement 20 bewirkbar. Somit erfüllt auch die Ausführungsform der 5 die oben schon aufgezählten Vorteile.
6a und 6b zeigen einen Querschnitt und eine Schrägansicht einer schematischen Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 6a und 6b schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil kann eine Weiterbildung der oben ausgeführten Ausführungsformen sein. Bei dem mikromechanischen Bauteil der 6a und 6b sind der Antriebsrahmen 12, die mindestens eine Rahmenfeder 14, die erste Spiegelfeder 22a, die zweite Spiegelfeder 22b und das Spiegelelement 20 mittels zumindest einer ersten Abdeckplatte 60 und einer zumindest teilweise lichtdurchlässigen zweiten Abdeckplatte 62 verkapselt. Dazu können die Abdeckplatten 60 und 62 direkt und/oder über eine Zwischenschicht an der Halterung 10 befestigt sein. Insbesondere bei einer Ausbildung der Halterung 10 als äußerer Rahmen können die Abdeckplatten 60 und 62 auf einfache Weise an der Halterung 10 befestigt werden. Bevorzugter Weise werden zuvor die Abdeckplatten 60 und 62 zuerst mit einer Aushöhlung versehen und anschließend an zwei gegenüberliegenden Seiten der Halterung 10 so befestigt, dass jede der beiden Abdeckplatten 60 und 62 die Komponenten 12, 14, 20, 22a und 22b des mikromechanischen Bauteils überspannt. Mittels einer Ausbildung einer Aushöhlung an den Abdeckplatten 60 und 62 ist verlässlich gewährleistbar, dass das mikromechanische Bauteil auch nach der Verkapselung einen ausreichend großen Freiraum aufweist, damit die Komponenten 12, 14, 20, 22a und 22b des mikromechanischen Bauteils beweglich sind. Zum verlässlichen Befestigen der beiden Abdeckplatten 60 und 62 können diese beispielsweise an der Halterung 10 festgebondet werden. (Die Abdeckplatten 60 und 62 können auch als Kappen umschrieben werden.)
Die oben beschriebene Verkapselung des Substrats 38 mittels der beiden Abdeckplatten 60 und 62 gewährleistet einen vorteilhaften Schutz gegenüber Verschmutzungen und/oder einem Eindringen von Flüssigkeiten. Außerdem kann mittels der hier beschriebenen Verkapselung des Halbleitersubstrats 38 ein Unterdruck in einer räumlichen Umgebung der Komponenten 12, 14, 20, 22a und 22b des mikromechanischen Bauteils eingestellt werden. Auf diese Weise ist gewährleistbar, dass einer gewünschten Bewegung der Komponenten 12, 14, 20, 22a und 22b des mikromechanischen Bauteils nur eine vergleichsweise geringe Reibungskraft entgegenwirkt.
Es wird darauf hingewiesen, dass alle oben beschriebenen Ausführungsformen des aus dem Halbleitersubstrat 38 herausstrukturierten mikromechanischen Bauteils auf die hier beschriebene Weise verkapselbar sind. Das anhand der 6a und 6b wiedergegebene mikromechanische Bauteil ist jedoch nicht auf ein Einsetzen der oben beschriebenen Ausführungsformen des Halbleitersubstrats 38 limitiert.
Als Weiterbildung ist bei der Ausführungsform der 6a und 6b an der ersten Abdeckplatte 60 ein Magnet 64 angeordnet, welcher zumindest teilweise (an seinen von der ersten Abdeckplatte 60 nicht abgedeckten Seitenflächen) von einem U-förmig gebogenen Flussleitblech 66 umrahmt ist. Mittels des Flussleitblechs 66 ist das Magnetfeld 68 (Dauermagnetfeld) des Magneten 64 so ausrichtbar, dass vor allem im Bereich der senkrecht zu der Spiegeldrehachse 24 ausgerichteten Leitungsstränge der Spuleneinrichtung 16 eine relativ hohe Magnetfeldstärke vorliegt. Somit kann selbst bei einem vergleichsweise geringen Stromfluss I durch die Spuleneinrichtung 16 eine relativ große Lorenzkraft bewirkt werden. Dies gewährleistet eine gute Anregbarkeit des Antriebsrahmens 12 in die gewünschte Antriebsbewegung mit zumindest einer senkrecht zu der Spiegeldrehachse 24 ausgerichteten Bewegungskomponente. Die hier beschriebene vorteilhafte Ausstattung des Magneten 64 mit dem Flussleitblech 66 bewirkt damit eine gute Verstellbarkeit des Spiegelelements 20 um die Spiegeldrehachse 24 trotz des vergleichsweise niedrigen Stromverbrauchs.
7 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern eines nicht erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines mikromechanischen Bauteils.
Das Verfahren ist ausführbar mittels eines mikromechanischen Bauteils mit einer Halterung, einem Antriebsrahmen, welcher über mindestens eine Rahmenfeder mit der Halterung verbunden ist, einem von dem Antriebsrahmen zumindest teilweise umrahmten Spiegelelement, welches mittels einer ersten Spiegelfeder und einer zweiten Spiegelfeder an dem Antriebsrahmen aufgehängt ist, wobei das Spiegelelement zwischen den beiden Spiegelfedern angeordnet ist, und wobei das Spiegelelement asymmetrisch bezüglich einer Spiegeldrehachse an dem Antriebsrahmen aufgehängt ist. Zum Ausführen des Verfahrens zum Betreiben des mikromechanischen Bauteils kann beispielsweise eine der oben beschriebenen Ausführungsformen eingesetzt werden. Die Ausführbarkeit des Verfahrens ist jedoch nicht auf die Verwendung eines derartigen mikromechanischen Bauteils limitiert.
Das Verfahren weist einen Verfahrensschritt S1 auf, in welchen das Spiegelelement in eine um die Spiegeldrehachse gerichtete Drehbewegung versetzt wird durch Versetzen des Antriebrahmens in eine Antriebsbewegung mit zumindest einer senkrecht zu der Spiegeldrehachse gerichteten Bewegungskomponente. Insbesondere kann das Spiegelelement in die um die Spiegeldrehachse gerichtete Drehbewegung versetzt werden durch Anregen des Antriebsrahmens zu einer senkrecht zu der Spiegeldrehachse gerichteten reinen Transversalbewegung als Antriebsbewegung.
Das Verfahren gewährleistet die oben schon beschriebenen Vorteile, auf deren erneute Aufzählung hier verzichtet wird.

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einer Halterung (10); einem Antriebsrahmen (12) mit mindestens einer an und/oder in dem Antriebsrahmen (12) angeordneten bestrombaren Spuleneinrichtung (16), welcher über mindestens eine Rahmenfeder (14) mit der Halterung (10) verbunden ist; einem von dem Antriebsrahmen (12) zumindest teilweise umrahmten Spiegelelement (20), welches mittels einer ersten Spiegelfeder (22a) und einer zweiten Spiegelfeder (22b) an dem Antriebsrahmen (12) aufgehängt ist, wobei das Spiegelelement (20) zwischen den beiden Spiegelfedern (22a, 22b) angeordnet und um eine Spiegeldrehachse (24) in Bezug zu dem Antriebsrahmen (12) verstellbar ist; wobei das Spiegelelement (20) asymmetrisch bezüglich der Spiegeldrehachse (24) an dem Antriebsrahmen (12) aufgehängt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiegelelement (20) als Gesamtmasse (20), welche mittels der beiden Spiegelfedern (22a, 22b) an dem Antriebsrahmen (12) aufgehängt ist, einen Schwerpunkt (S) aufweist, welcher beabstandet zu der Spiegeldrehachse (24) liegt, und der Antriebsrahmen (12) dazu ausgebildet ist, das Spiegelelement (20) durch eine angeregte, senkrecht zu der Spiegeldrehachse (24) gerichtete reine Transversalbewegung als Antriebsbewegung in eine um die Spiegeldrehachse (24) gerichtete Drehbewegung in Bezug zu dem Antriebsrahmen (12) zu versetzen.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei das Spiegelelement (20) eine scheibenförmige Spiegelplatte (28) mit einer an der Spiegelplatte (28) angeordneten Zusatzmasse (30) umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei das Spiegelelement (20) mittels der beiden Spiegelfedern (22a, 22b) so exzentrisch bezüglich der Spiegeldrehachse (24) an dem Antriebsrahmen (12) aufgehängt ist, dass eine parallel zu der Spiegeldrehachse (24) ausgerichtete Spiegel-Mittelachse (52) und/oder Spiegel-Symmetrieachse des Spiegelelements (20) beabstandet von der Spiegeldrehachse (24) liegt.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Rahmenfeder (14) eine S-förmig verbiegbare Biegefeder (14) ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine parallel zu der Spiegeldrehachse (24) ausgerichtete Rahmen-Mittelachse (50) und/oder Rahmen-Symmetrieachse des Antriebsrahmens (12) beabstandet von der Spiegeldrehachse (24) liegt.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Antriebsrahmen (12) mittels zweier bezüglich einer Rahmenfedern-Symmetrieachse (40) symmetrisch ausgebildeten Rahmenfedern (14) an der Halterung (10) aufgehängt ist, und wobei die Spiegeldrehachse (24) parallel zu der Rahmenfedern-Symmetrieachse (40) ausgerichtet ist und/oder auf der Rahmenfedern-Symmetrieachse (40) liegt.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest Teilkomponenten jeweils der Halterung (10), des Antriebsrahmens (12), der mindestens einen Rahmenfeder (14), der ersten Spiegelfeder (22a), der zweiten Spiegelfeder (22b) und des Spiegelelements (24) aus einem Halbleitersubstrat (38) herausstrukturiert sind.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 7, wobei der Antriebsrahmen (12), die mindestens eine Rahmenfeder (14), die erste Spiegelfeder (22a), die zweite Spiegelfeder (22b) und das Spiegelelement (20) mittels zumindest einer ersten Abdeckplatte (60) und einer zumindest teilweise lichtdurchlässigen zweiten Abdeckplatte (62) verkapselt sind.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 8, wobei an der ersten Abdeckplatte (60) ein Magnet (64) angeordnet ist, welcher zumindest teilweise von einem U-förmig gebogenen Flussleitblech (66) umrahmt ist.