DE102006051207B4

DE102006051207B4 - Mikromechanisches Bauelement mit einer Mikroschwingvorrichtung und Verfahren zum Abgleich eines Bauelements

Info

Publication number: DE102006051207B4
Application number: DE102006051207.3A
Authority: DE
Inventors: Matthias Maute; Torsten Ohms
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-30
Filing date: 2006-10-30
Publication date: 2019-09-12
Anticipated expiration: 2026-10-31
Also published as: FR2907774B1; ITMI20072047A1; FR2907774A1; DE102006051207A1

Abstract

Verfahren zum Abgleich eines mikromechanischen Bauelements (10), wobei das mikromechanische Bauelement (10) eine um eine Drehachse (12) schwenkbare Mikroschwingvorrichtung (20) und einen Antrieb (30) der Mikroschwingvorrichtung (20) aufweist, wobei der Antrieb (30) eine Antriebskraft (35) auf die Mikroschwingvorrichtung (20) auszuüben in der Lage ist, wobei die Eigenfrequenz der Mikroschwingvorrichtung (20) durch Veränderung der Antriebskraft (35) in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung (20) und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung (20) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nichtlinearität einer Aufhängung der Mikroschwingvorrichtung (20) durch Veränderung der Antriebskraft (35) in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung (20) und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung (20) eingestellt wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der europäischen Patentschrift EP 1 212 650 B1 ist eine Mikroschwingvorrichtung bekannt, bei der eine besondere Art der Aufhängung der Mikroschwingvorrichtung realisiert ist. Die Mikroschwingvorrichtung wird hierbei beispielsweise zu erzwungenen Schwingungen durch Anregung mittels Anregungskräften angeregt. Hierbei ist jedoch in der Regel ein Abgleich der Eigenfrequenz solcher Mikroschwingvorrichtungen notwendig, da die Imperfektionen der Herstellungsprozesse eine Variation der mechanischen Eigenschaften zur Folge haben und somit die Eigenfrequenzen beeinflussen. Hierbei ist nachteilig, dass ein solcher Abgleich der Eigenfrequenzen oder auch anderer Parameter des Schwingungsverhaltens erhebliche Kosten in der Herstellung des mikromechanischen Bauelements darstellen, beispielsweise wenn ein solcher Abgleich unter Materialabtrag mittels Laserbearbeitung erfolgt und eine aufwändige Endmesstechnik Anwendung findet.
Das Dokument US 2005/0253055 A1 offenbart eine Sensierspule eines MEMS Scanners, bei der ein elektrischer Stromfluss aufgrund einer Bewegung der Sensierspule durch ein magnetisches Feld induziert wird. Mithilfe des induzierten Stromflusses wird dann die Geschwindigkeit oder Position einer Scanplatte und eines Spiegels des MEMS Scanners ermittelt. Weiterhin kann mittels der Sensierspule eine Bewegung sensiert werden.
Das Dokument US 5 739 941 A beschreibt ein nicht-lineares Drehgelenk für eine MEMS Vorrichtung mit einem drehbar bewegbaren Spiegel.
Da Dokument US 2001/0052834 A1 beschreibt einen elektromagnetischen Aktuator mit einem bewegbar angeordneten Spiegel.
Das Dokument US 6 626 039 B1 beschreibt ein Kreiselgerät, bei dem alle elektrischen Ansteuer - und Erfassungssignale direkt auf dem MEMS-Element integriert sind und für die Weiterleitung von elektrischen Signalen an das externe Gehäuse nicht vom Substrat oder vergrabenen Elektroden abhängig sind.
Das Dokument DE 600 02 121 T2 beschreibt einen mikroelektromechanischen Beschleunigungsmesser mit einem Einkristall-Siliziumsubstrat und einem bewegbaren Aufbau, der einen Trägerbalken und eine zurückstellende Feder aufweist. Der Trägerbalken und die zurückstellende Feder haben hierbei ein hohes Seitenverhältnis.
Das Dokument US 2003/0019832 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abgleich eines mikromechanischen Bauelements. Hierbei werden durch zusätzliche Zähne eines Comb-Antriebs die Antriebskraft und die Resonanzfrequenz verändert.
Das Dokument DE 694 32 074 T2 beschreibt die Änderung der effektiven Steifigkeit einer schwingfähigen Struktur mittels zusätzlicher Elemente. Hierdurch kommt es zu einer Veränderung der Antriebskraft und zu einer veränderten Resonanzfrequenz.
Das Dokument US 2005/0280879 A1 beschreibt eine um eine Drehachse schwenkbare Mikroschwingvorrichtung mit Antrieb.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement und das Verfahren zum Abgleich eines mikromechanischen Bauelementes gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen hat demgegenüber den Vorteil, dass die Nachteile des Standes der Technik vermieden oder zumindest reduziert werden und dass eine vergleichsweise kompakte und kostengünstig herstellbare mikromechanische Struktur möglich ist, insbesondere weil der Aufwand zum Abgleich der Eigenfrequenzen der in dem Bauelement vorhandenen Mikroschwingvorrichtungen wenigstens stark reduzierbar ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass das erfindungsgemäße Bauteil kostengünstig beispielsweise in sogenannten DLP-Projektoren (Digital light Projector) oder in sogenannten HUD-Anzeigen (Head-up Display) verwendbar ist. In diesen Anwendungsfällen ist die wenigstens eine Mikroschwingvorrichtung, bevorzugt jedoch eine Vielzahl von mikromechanischen Mikroschwingvorrichtungen, als Mikrospiegel ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, dass keine zusätzlichen Strukturmaßnahmen an dem Bauelement bzw. an der Mikroschwingvorrichtung außer dem Antrieb und einem Sensor zur Erfassung der Drehstellung und/oder zur Erfassung der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung notwendig ist. Hierdurch kann auf vergleichsweise etablierte und damit kostengünstige Herstellungsverfahren bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelement zurückgegriffen werden.
Erfindungsgemäß ist bevorzugt, dass die Antriebskraft der Mikroschwingvorrichtung in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung zur Erzielung einer vorgegebenen Eigenfrequenz der Mikroschwingvorrichtung veränderlich vorgesehen ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß vorteilhaft möglich, dass auf aufwändige Endmessverfahren bzw. Abgleichsschritte bei der Herstellung des mikromechanischen Bauelements verzichtet werden kann.
Ferner ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Mikroschwingvorrichtung ein Mikrospiegel ist. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, dass optische Anwendungen des mikromechanischen Bauelements mit einfachen Mitteln möglich werden, insbesondere fahrzeugtechnische Anwendungen wie Verfahren bzw. Messgeräte zur Entfernungsmessung oder dergleichen.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass der Sensor zur Erfassung der Drehbeschleunigung vorgesehen ist und dass der Antrieb der Mikroschwingvorrichtung in Abhängigkeit der Drehbeschleunigung der Mikroschwingvorrichtung vorgesehen ist. Hierdurch kann in einfacher Weise ein Abgleich, d.h. eine Änderung der Eigenfrequenz der schwingungsfähigen Mikrostruktur (Mikroschwingvorrichtung), vorgenommen werden.
Ferner ist erfindungsgemäß bevorzugt, wenn der Sensor des erfindungsgemäßen Bauelements eine piezoresistive Struktur aufweist bzw. wenn der Antrieb der Mikroschwingvorrichtung ein kapazitiver und/oder ein induktiver Antrieb ist. Hierdurch kann in kostengünstiger und in vergleichsweise genauer Weise sowohl eine Messung des Bewegungszustandes bzw. der Dreheinstellung der Mikroschwingvorrichtung vorgenommen werden als auch ein effektiver Antrieb realisiert werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Abgleich eines erfindungsgemäßen Bauelementes, wobei die Eigenfrequenz der Mikroschwingvorrichtung durch Veränderung der Antriebskraft in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung eingestellt wird. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, durch die Beeinflussung der Antriebssteuerung auf einen aufwändigen Abgleich der mechanischen Eigenschaften der Mikroschwingvorrichtung zu verzichten oder diesen zu verringern.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass eine Nichtlinearität einer Aufhängung der Mikroschwingvorrichtung durch Veränderung der Antriebskraft in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung eingestellt wird. Hierdurch ist vorteilhaft möglich, dass weitere Bauteilvariationen, die beispielsweise durch prozessbedingte Streuungen des Herstellungsverfahrens hervorgerufen werden, ohne aufwändige Abgleichmaßnahmen zumindest weitgehend neutralisiert werden können.
Weiterhin ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass das erfindungsgemäße Bauelement eine Verarbeitungseinheit aufweist oder dem Bauelement eine Verarbeitungseinheit zugeordnet ist, wobei mittels der Verarbeitungseinheit in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung die Antriebskraft verändert wird. Hierdurch kann ein besonders effizienter Ausgleich von Bauteilstreuungen erzielt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figurenliste

1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Mikroschwingvorrichtung als Teil eines mikromechanischen Bauelements.
2 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung einer Mikroschwingvorrichtung als Teil eines mikromechanischen Bauelements.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist ein erfindungsgemäßes mikromechanisches Bauelement 10 mit einer um eine Drehachse 12 schwenkbaren Mikroschwingvorrichtung 20 schematisch in einer Draufsicht auf die Mikroschwingvorrichtung 20 dargestellt. Das Bauelement 10 weist insbesondere ein Substrat 11 auf, mit welchem die Mikroschwingvorrichtung 20 über eine Aufhängung 21 verbunden ist. Das Substrat 11 ist insbesondere als ein Halbleitersubstrat, bevorzugt ein Siliziumsubstrat, vorgesehen, jedoch in 1 lediglich schematisch mittels einer Linie angedeutet. Das erfindungsgemäße Bauelement 10 kann in an sich bekannter Weise beispielsweise mittels oberflächenmikromechanischer oder volumenmikromechanischer Herstellungsverfahren hergestellt werden. Hierbei wird die Mikroschwingvorrichtung 20, beispielsweise mittels einer Opferschichtätzung, freigelegt so dass die Mikroschwingvorrichtung 20 um die durch die Aufhängung 21 definierte Drehachse 12 schwingen kann. Die Mikroschwingvorrichtung 20 ist insbesondere als ein Mikrospiegel vorgesehen und wird im Folgenden auch als Mikrospiegel 20 bezeichnet. Erfindungsgemäß kommt es jedoch auf die Verwendung als Mikrospiegel nicht an, sondern es kann jede schwingfähige Struktur als Mikroschwingvorrichtung 20 verwendet werden. Weiterhin ist es erfindungsgemäß insbesondere vorgesehen, dass eine Mehrzahl oder sogar eine Vielzahl von Mikroschwingvorrichtungen 20 bzw. Mikrospiegeln 20 im Bereich des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 10 vorgesehen sind, beispielsweise zur Ablenkung einer Vielzahl von Lichtstrahlen in mehrere Richtungen. Der Einfachheit halber ist jedoch in 1 und 2 lediglich eine Mikroschwingvorrichtung 20 dargestellt.
Das Bauelement 10 weist ferner einen Antrieb 30 auf. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen kapazitiven Antrieb 30 oder auch um einen induktiven Antrieb 30 handeln oder auch um einen kombinierten kapazitiven und induktiven Antrieb 30. Als Beispiele für kapazitive Antriebe 30 kommen beispielsweise Kammantriebe oder Antriebe mit Plattenkondensatoren in Frage.
Das Bauelement 10 weist ferner einen Sensor 15 auf, der die Drehstellung bzw. die Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung 20 um die Drehachse 12 sensiert. Der Sensor 15 liefert abhängig von der Drehstellung bzw. der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung 20 ein Messsignal 16 an eine Verarbeitungseinheit 40. Die Verarbeitungseinheit 40 liefert ein Steuersignal 41 an den Antrieb 30.
In 2 ist in schematischer Weise eine Schnittdarstellung des mikromechanischen Bauelements 10 mit der Mikroschwingvorrichtung 20 dargestellt. Die Mikroschwingvorrichtung 20 ist um die Drehachse 12 und bevorzugt im Bereich der Aufhängung 21 in gewissen Grenzen drehbar bzw. schwenkbar. In gestrichelter Linie ist beispielhaft eine aus der Gleichgewichtslage ausgelenkte Einstellung der Mikroschwingvorrichtung 20 dargestellt. Weiterhin ist der Auslenkungswinkel 25 für diese ausgelenkte Einstellung dargestellt. Schematisch ist ferner dargestellt, dass der Antrieb 30 zur Erzielung dieser ausgelenkten Stellung der Mikroschwingvorrichtung 20 eine Antriebskraft 35 auf die Mikroschwingvorrichtung 20 ausübt.
Der Antrieb 30 ist in den 1 und 2 derart dargestellt, dass beidseitig der Drehachse 12 ein Teil des Antriebs 30 vorgesehen ist und daher entsprechend beidseitig eine Antriebskraft 35 ausgeübt wird, die bevorzugt gegenläufig ausgebildet ist, so dass auf beiden Seiten ein gleichgerichtetes Drehmoment auf die Mikroschwingvorrichtung 20 um die Drehachse 12 ausgeübt wird. Beispielsweise ist dies möglich mit einem Antrieb 30 in der Form eines Platenkondensators (elektrostatischer Antrieb), wobei beidseitig der Drehachse 12 sowie zwischen der Mikroschwingvorrichtung 20 und dem Substrat 11 jeweils eine Platte eines Plattenkondensators angebracht ist und wobei die Mikroschwingvorrichtung 20 bzw. ein (nicht dargestellter) Elektrodenbereich der Mikroschwingvorrichtung 20 für beide Seiten die Gegenplatte des Plattenkondensators bildet. Durch das Anlegen von entsprechenden Steuerspannungen (nicht dargestellt) an die jeweiligen Elektroden des Antriebs 30 kann dann die Antriebskraft 35 ausgeübt werden. Alternativ oder zusätzlich kann es erfindungsgemäß auch vorgesehen sein, einen magnetischen bzw. induktiven Antrieb 30 vorzusehen. In diesem Fall resultiert das Anlegen eines Steuerstroms bzw. einer Mehrzahl von (ebenfalls nicht dargestellten) Steuerströmen an den Antrieb 30 in der Ausübung der Antriebskraft 35 auf die Mikroschwingvorrichtung 20.
Die Bewegungsgleichung der Mikroschwingvorrichtung 20 lässt sich für das Beispiel eines elektrostatischen Antriebs beispielsweise folgendermaßen schreiben: $J \ddot{α} + β \dot{α} + k α = M_{e s} + M_{e x t}$
wobei α der Drehwinkel 25 der Mikroschwingvorrichtung 20, α̇ die Drehgeschwindigkeit der Mikroschwingvorrichtung 20, α̈ die Drehbeschleunigung der Mikroschwingvorrichtung 20, J das Massenträgheitsmoment der Mikroschwingvorrichtung 20 bezüglich der Drehachse 12, β die Dämpfungskonstante der Drehbewegung, k die Torsionssteifigkeit sowie Mes das elektrostatisch erzeugte Drehmoment und M_ext das Drehmoment aufgrund externer Antriebskräfte bedeutet.
Für das Drehmoment aufgrund der elektrostatischen Kräfte bei beidseitigem Antrieb 30 und bei einer Überlagerung der periodischen Antriebsspannung U₁ mit einer Korrekturspannung U gilt die folgende Gleichung: $M_{e s} = c o n s t \cdot C (α) \cdot [{(U + U_{1})}^{2} - {(U - U_{1})}^{2}] = c o n s t \cdot 4 \cdot C (α) \cdot U \cdot U_{1}$
wobei C(α) die Kapazität des Antriebs als Funktion des Winkels 25 bekannt ist. Falls die Korrekturspannung U mit einem Abgleichsparameter U₀ und in Abhängigkeit des Winkels 25, d.h. in Abhängigkeit der Drehstellung α der Mikroschwingvorrichtung 20 (erster Fall), beispielsweise folgendermaßen gewählt wird $U = \frac{U_{0} \cdot α}{4 \cdot U_{1} \cdot C (α)}$
oder in Abhängigkeit der Drehbewegung bzw. der Drehbeschleunigung α̈ der Mikroschwingvorrichtung 20 (zweiter Fall) beispielsweise folgendermaßen gewählt wird $U = \frac{U_{0} \cdot \ddot{α}}{4 \cdot U_{1} \cdot C (α)}$
so ergibt sich eine Änderung der Eigenfrequenz des betrachteten Systems, d.h. der Mikroschwingvorrichtung 20. Damit lässt sich die Eigenfrequenz der Mikroschwingvorrichtung durch die Wahl der drehstellungsabhängigen bzw. drehbewegungsabhängigen Spannung U bzw. mit dem Abgleichsparameter Uo abgleichen. Erfindungsgemäß kann die Eigenfrequenz sowohl verringert werden als auch vergrößert werden. Beispielsweise ergibt sich für den ersten Fall eine Eigenfrequenz von $f_{0} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{k - c o n s t \cdot U_{0}}{J}}$
während sich für den zweiten Fall eine Eigenfrequenz von $f_{0} = \frac{1}{2 π} \sqrt{\frac{k}{J - c o n s t \cdot U_{0}}}$
ergibt.
In entsprechender Weise, jedoch nicht dargestellt, ist auch ein Abgleich für den Fall eines induktiven Antriebs erfindungsgemäß möglich. Anstelle der Antriebsspannung bzw. der Korrekturspannung finden für den Fall eines induktiven Antriebs bevorzugt Antriebsströme bzw. Korrekturströme Verwendung. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Bauteils bzw. des erfindungsgemäßen Abgleichverfahrens liegt darin, dass die Ungenauigkeiten des Herstellungsprozesses mit dem Abgleichsparameter Uo (bzw. lo für den Fall eines induktiven Antriebs) und der bekannten Funktion C(α) kompensiert werden können. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise setzt eine entsprechend schnelle Signalverarbeitung durch die Verarbeitungseinheit 40 voraus. Erfindungsgemäß ist von Vorteil, dass sowohl ein Abgleich als auch eine Anregung der Mikroschwingvorrichtung 20 zu erzwungenen Schwingungen mit derselben Struktur, nämlich mit dem Antrieb 30 bzw. dessen Ansteuerung, und gemäß demselben Prinzip erfolgen kann. Hierzu wird der (drehbewegungsabhängigen) Abgleichspannung die Anregespannung bzw. Antriebsspannung überlagert, die die Schwingungen anregt, deren Frequenz auf die dargestellte Art abgestimmt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Prinzip der Detektion des Drehwinkels (bzw. der Drehbeschleunigung) über den Sensor 15, der anschließenden Signalverarbeitung in der Verarbeitungseinheit 40 und der Ausgabe der Gesamtspannung als Steuersignal 41 lassen sich nahezu beliebige Abhängigkeiten des Drehmoments auf die Mikroschwingvorrichtung 20 vom Drehwinkel bzw. dessen zeitlichen Ableitungen darstellen. Daher ist es erfindungsgemäß ebenso möglich, beispielsweise Nichtlinearitäten der Torsionsbalken bzw. der Aufhängung 21 mit diesem Verfahren zu kompensieren.

Claims

Verfahren zum Abgleich eines mikromechanischen Bauelements (10), wobei das mikromechanische Bauelement (10) eine um eine Drehachse (12) schwenkbare Mikroschwingvorrichtung (20) und einen Antrieb (30) der Mikroschwingvorrichtung (20) aufweist, wobei der Antrieb (30) eine Antriebskraft (35) auf die Mikroschwingvorrichtung (20) auszuüben in der Lage ist, wobei die Eigenfrequenz der Mikroschwingvorrichtung (20) durch Veränderung der Antriebskraft (35) in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung (20) und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung (20) eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nichtlinearität einer Aufhängung der Mikroschwingvorrichtung (20) durch Veränderung der Antriebskraft (35) in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung (20) und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung (20) eingestellt wird.
Verfahren zum Abgleich eines mikromechanischen Bauelements (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) eine Verarbeitungseinheit (40) aufweist oder dem Bauelement (10) eine Verarbeitungseinheit (40) zugeordnet ist, mittels der Verarbeitungseinheit (40) in Abhängigkeit der Drehstellung der Mikroschwingvorrichtung (20) und/oder in Abhängigkeit der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung (20) die Antriebskraft (35) verändert wird.
Mikromechanisches Bauelement (10) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (10) einen Sensor (15) zur Erfassung der Drehstellung und/oder zur Erfassung der Drehbewegung der Mikroschwingvorrichtung (20) um die Drehachse (12) aufweist.
Mikromechanisches Bauelement (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15) zur Erfassung der Drehbeschleunigung vorgesehen ist und wobei der Antrieb (30) der Mikroschwingvorrichtung (20) in Abhängigkeit der Drehbeschleunigung der Mikroschwingvorrichtung (20) vorgesehen ist.
Mikromechanisches Bauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroschwingvorrichtung (20) ein Mikrospiegel ist.
Mikromechanisches Bauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15) eine piezoresistive Struktur aufweist.
Mikromechanisches Bauelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (30) der Mikroschwingvorrichtung (20) ein kapazitiver und/oder ein induktiver Antrieb ist.