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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauelement nach der
Gattung des Hauptanspruchs. Mikromechanische Bauelemente mit schwingfähigen
Elementen und Aufhängungselementen sind beispielsweise
aus der deutschen Patentschrift
DE 198 51 967 B4 bekannt. Als schwingfähiges
Element wird hierbei eine Membran vorgeschlagen, die so dünn
ausgebildet ist, dass sie beispielsweise durch die Aufbringung einer
tensil verspannten Schicht verwölbt wird. Nachteilig bei
dem bekannten mikromechanischen Bauelement ist jedoch, dass die
Dicke der Membran sehr gering ist, so dass auch eine ungewollte
Verwölbung während der Schwingung der Membran
entsteht.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
erfindungsgemäße mikromechanische Bauelement gemäß dem
Hauptanspruch beziehungsweise den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche
hat demgegenüber den Vorteil, dass durch die vergleichsweise
große Dicke des schwingfähigen Elements senkrecht
zu einer ersten Ebene das schwingfähige Element auch bei
einer Schwingung weniger leicht verzerrt und/oder verwölbt
wird.
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Unter
einer Verzerrung soll verstanden werden, wenn das schwingfähige
Element über seine normale Flächenausdehnung hinaus
gedehnt wird, wobei bevorzugt die Dehnung in unterschiedlichen Teilbereichen
des schwingfähigen Elements unterschiedlich stark erfolgt.
Unter einer Verwölbung soll verstanden werden, wenn zumindest
Teilbereiche des schwingfähigen Elements zusammengestaucht werden,
wobei auch hier eine Stauchung von Teilbereichen unterschiedlich
stark erfolgen kann. Bevorzugt erheben und/oder senken sich bei
der Verwölbung besonders stark gestauchte Teilbereiche
aus der Haupterstreckungsebene des schwingfähigen Elements.
Selbstverständlich kann das schwingfähige Element
in einigen Teilbereichen gedehnt und in anderen Teilbereichen gestaucht
werden, so dass sowohl eine Verzerrung als auch eine Verwölbung des
schwingfähigen Elements erfolgt.
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Vorzugsweise
ist die Dicke des schwingfähigen Elements senkrecht zur
ersten Ebene etwa um den Faktor 1,1 bis 100 dicker als die Dicke
des Aufhängungselements senkrecht zur ersten Ebene. Besonders
bevorzugt ist die Dicke des schwingfähigen Elements senkrecht
zur ersten Ebene etwa um den Faktor 2 bis 50 dicker als die Dicke
des Aufhängungselements senkrecht zur ersten Ebene. Ganz besonders
bevorzugt ist die Dicke des schwingfähigen Elements senkrecht
zur ersten Ebene etwa um den Faktor 5 bis 20 dicker als die Dicke
des Aufhängungselements senkrecht zur ersten Ebene. Insbesondere
ganz besonders bevorzugt ist die Dicke des schwingfähigen
Elements senkrecht zur ersten Ebene etwa um den Faktor 8 bis 12
dicker als die Dicke des Aufhängungselements senkrecht
zur ersten Ebene. Besonders bevorzugt weist das schwingfähige Element
jedoch eine Dicke senkrecht zur ersten Ebene auf, die der Dicke
eines Substratmaterials entspricht, aus der das schwingfähige
Element – beispielsweise durch ätzen – gebildet
wird.
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Bevorzugt
wird das Aufhängungselement in einem Anbringungsbereich
mit dem schwingfähigen Element verbunden. Der Anbringungsbereich
ist dabei der Bereich des schwingfähigen Elements, der entlang
der Dicke des schwingfähigen Elements senkrecht zu der
ersten Ebene vergleichsweise weit entfernt von der ersten Ebene
ist. Die erste Ebene verläuft dabei parallel zu einem Rahmen
innerhalb der sich das schwingfähige Element befindet und durch
den Schwerpunkt des schwingfähigen Elements. Das schwingfähige
Element weist senkrecht zur ersten Ebene bevorzugt zwei flächige
Enden auf. Die Flächen der beiden Enden sind dabei am weitesten
von der ersten Ebene entfernt und liegen besonders bevorzugt parallel
zur ersten Ebene. Der Anbringungsbereich erstreckt sich bevorzugt
mindestens über die Hälfte der Wegstrecke zwischen
der ersten Ebene und einer der zwei Flächen von einer der
beiden Flächen ausgehend.
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Besonders
bevorzugt erstreckt sich der Anbringungsbereich über ein
Viertel der Wegstrecke zwischen der ersten Ebene und einer der zwei
Flächen von einer der beiden Flächen ausgehend.
Ganz besonders bevorzugt erstreckt sich der Anbringungsbereich über
weniger als ein Achtel der Wegstrecke zwischen der ersten Ebene
und einer der zwei Flächen von einer der beiden Flächen
ausgehend. Insbesondere ganz besonders bevorzugt ist das Aufhängungselement
direkt an einer der beiden Flächen des schwingfähigen
Elements angebracht, so dass der größtmögliche
Abstand zwischen dem Aufhängungselement und der ersten
Ebene entsteht. Selbstverständlich kann auch nur ein Ende
des schwingfähigen Elements im wesentlichen flächig ausgebildet
sein.
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Weiterhin
bevorzugt ist das schwingfähige Element als Vollzylinder
ausgebildet. Als Vollzylinder soll ein Kreiszylinder mit zwei im
wesentlichen kreisförmigen Grundflächen und einer
Höhe zwischen den kreisförmigen Grundflächen
verstanden werden. Die Höhe des Vollzylinders entspricht
dabei der Dicke des schwingfähigen Elements senkrecht zur
ersten Ebene.
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Bevorzugt
weist das schwingfähige Element eine plane Fläche
auf. Besonders bevorzugt ist wenigstens eine der Flächen
durch die Enden des schwingfähigen Elements als plane Fläche
ausgebildet. Selbstverständlich kann auch an dem schwingfähigen
Element eine plane Fläche angebracht sein. Vorzugsweise
liegt die angebrachte plane Fläche in einer zweiten Ebene,
wobei die zweite Ebene parallel zur ersten Ebene und durch ein Ende
der beiden Enden des schwingfähigen Elements verläuft.
Ist das schwingfähige Element als Vollzylinder ausgebildet, so
ist die plane Fläche bevorzugt eine der beiden im wesentlichen
kreisförmigen Grundflächen des Vollzylinders.
Bevorzugt ist der Anbringungsbereich in dem das schwingfähige
Element mit dem Aufhängungselement verbunden wird vergleichsweise
weit von der planen Fläche entfernt. Mögliche
Verwölbungen und/oder Verzerrungen der planen Fläche
auf Grund mechanischer Belastungen zwischen Aufhängungselement
und schwingfähigem Element können so in vorteilhafter
Weise vermieden oder reduziert werden.
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Weiterhin
bevorzugt weist die plane Fläche des schwingfähigen
Elements eine spiegelnde Fläche auf oder die plane Fläche
des schwingfähigen Elements weist spiegelndes Material
auf. Durch das spiegelnde Material oder die spiegelnde Fläche
kann in vorteilhafter Weise Licht, das auf das spiegelnde Material
oder die spiegelnde Fläche trifft, reflektiert werden.
Durch die Anbringung der spiegelnden Fläche oder des spiegelnden
Materials auf dem schwingfähigen Element kann zudem der
Reflektionswinkel des Lichtes durch eine Änderung des Einfallswinkels
des Lichtes (Schwingung des schwingfähigen Elements) variiert
werden. Entsteht durch die Aufbringung des spiegelnden Materials
auf die plane Fläche eine plane spiegelnde Oberfläche
oder die plane Fläche weist eine plane spiegelnde Oberfläche auf,
so wird vorteilhaft die Phase des Lichts nicht durch Materialerhebungen
und/oder Materialsenken der spiegelnden Oberfläche verändert.
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Bevorzugt
ist die plane Fläche vor, während und nach einer
Schwingung im wesentlichen verzerrungsfrei und/oder verwölbungsfrei.
Ganz besonders bevorzugt ist die spiegelnde plane Oberfläche
des schwingfähigen Elements vor, während und nach
einer Schwingung im wesentlichen verzerrungsfrei und/oder verwölbungsfrei.
Bei einer verzerrungsfrei und/oder verwölbungsfrei spiegelnden
Oberfläche oder einer verzerrungsfreien und/oder verwölbungsfreien
planen Fläche soll eine ebene Welle im wesentlichen auch
wieder als ebene Welle reflektier werden. Mechanische Spannungen,
die zu einer Verzerrung und/oder Verwölbung der planen
Fläche oder der planen Oberfläche vor, während
und/oder nach der Schwingung führen, liegen somit im wesentlichen
nicht vor. Selbstverständlich können Teilbereiche
des schwingfähigen Elements vor, während und/oder
nach der Schwingung des schwingfähigen Elements durch auftretende
mechanische Spannungen verzerrt und/oder verwölbt werden.
Durch die Dicke des schwingfähigen Elements und den von
der planen Fläche entfernten Anbringungsbereich wird jedoch
zum einen die Steifigkeit des schwingfähigen Elements erhöht
und zum anderen die plane Fläche räumlich vergleichsweise
weit von dem Aufhängungselement und somit von auftretenden
mechanischen Spannungen, entfernt. Durch die Dicke des schwingfähigen
Elements und den Anbringungsbereich führt folglich eine
Schwingung des schwingfähigen Elements bevorzugt nicht
zu einer Verzerrung und/oder Verwölbung der planen Fläche
oder der planen Oberfläche des schwingfähigen
Elements.
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Vorzugsweise
ist das schwingfähige Element und der Rahmen um eine erste
Achse und um eine zweite Achse schwingfähig. Die zweite
Achse steht dabei bevorzugt im wesentlichen senkrecht auf der ersten
Achse. Der Fachmann versteht, dass durch die Verbindung des schwingfähigen
Elements mit dem Rahmen über das Aufhängungselement
mechanische Spannungen im schwingfähigen Element, im Rahmen
und im Aufhängungselement erzeugt werden, wenn der Rahmen
und das schwingfähige Element um eine oder um beide Achsen
schwingen. Die auftretenden mechanischen Spannungen können beispielsweise
zu einer Verbiegung und/oder Torsion des Aufhängungselements
und/oder zu einer Verzerrung und/oder Verwölbung von Teilbereichen
des schwingfähigen Elements führen.
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Vorzugsweise
weist das mikromechanische Bauelement wenigstens eine stromdurchflossene Spule
und wenigstens einen Magneten auf. Bevorzugt ist der Magnet ein
Permanentmagnet. Vorzugsweise weist der Rahmen wenigstens eine Spule
auf und der Magnet ist bezüglich der Spule so angeordnet,
dass die Magnetfeldlinien die Spule durchsetzen. Durch die Anbringung
des Aufhängungselements vergleichsweise weit entfernt von
der ersten Ebene ist es in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
möglich, dass der Rahmen, das Aufhängungselement
und ein Endbereich des schwingfähigen Elements in einer
dritten Ebene liegen. In diesem Fall kann der Magnet besonders nah
im Bereich der Spule positioniert werden, ohne dass die Schwingung
des schwingfähigen Elements durch Bauteile des Magnets
behindert würde. In vorteilhafter Weise wird durch die
nahe Anbringung des Magneten an die Spule die Lorentzkraft, die
für die Schwingung des Rahmens und somit auch des schwingfähigen
Elements verantwortlich ist, vergrößert. Durch
die vergrößerte Lorenzkraft wird dabei vorteilhaft
die Elongation des schwingfähigen Elements vergrößert.
Bevorzugt weist das mikromechanische Bauelement eine flächige
Magnetisierung für ein rechteckiges Spulendesign oder eine
radiale Magnetisierung für ein elliptisches Spulendesign
auf.
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Bevorzugt
sind das Trägheitsmoment des Rahmens und das Trägheitsmoment
des schwingfähigen Elements bei einer Schwingung um die
erste Achse einander angenähert. In vorteilhafter Weise kann
so effizient eine Auslenkung des schwingfähigen Elements
erreicht werden. Der Fachmann versteht, dass sich das Trägheitsmoment
des schwingfähigen Elements in Anhängigkeit der
Masse des schwingfähigen Elements verändert und
das die Resonanzfrequenz des schwingfähigen Elements abhängig
von dem Trägheitsmoment ist.
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Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Betrieb
des schwingfähigen Elements, wobei der Rahmen und hierdurch
das schwingfähige Element zur Schwingung angeregt werden.
Bevorzugt erfolgt die Anregung des Rahmens und des schwingfähigen
Elements zur Schwingung wie bei bekannten Mikrospiegeln, weshalb
nicht weiter auf die Anregung eingegangen wird. Die plane Fläche
des schwingfähigen Elements wird bei einer Schwingung um
die erste Achse und/oder um die zweite Achse im wesentlichen verzerrungsfrei und/oder
verwölbungsfrei bewegt. Besonders bevorzugt wird die spiegelnde
plane Oberfläche der planen Fläche bei einer Schwingung
um die erste Achse und/oder um die zweite Achse im wesentlichen
verzerrungsfrei und/oder verwölbungsfrei bewegt.
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Ein
noch weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Herstellung des mikromechanischen Bauelements, wobei das schwingfähige
Element als Vollzylinder ausgebildet wird.
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Besonders
bevorzugt wird das mikromechanische Bauelement als Mikrospiegel
verwendet. Durch die plane spiegelnde Oberfläche kann die
Abbildungseigenschaft des Mikrospiegels verbessert werden, da im
wesentlichen keine Abbildungsfehler durch Verzerrungen und/oder
Verwölbungen vorliegen. Weiterhin kann durch die Erhöhung
der Lorentzkraft die Spiegelauslenkung (also die Auslenkung des
schwingfähigen Elements) vergrößert werden, so
dass die Variation der Reflektionswinkel des Lichts durch eine größere
Variation der möglichen Einfallswinkel des einfallenden
Lichts vergrößert werden kann. Die Ausgestaltung
des schwingfähigen Elements als Vollzylinder ermöglicht
zudem eine vereinfachte Aufbringung einer optisch hochwertigen,
spiegelnden Schicht auf dem Vollzylinder, so dass beispielsweise
der Reflexionsgrad der spiegelnden Schicht erhöht werden
kann. Zusammenfassend weist ein erfindungsgemäßer
Mikrospiegel folglich bessere Abbildungseigenschaften trotz unkomplizierter
Bauweise auf.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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1 stellt
schematisch ein mikromechanisches Bauelement mit einem Rahmen und
einem schwingfähigen Element dar.
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2 stellt
schematisch einen Schnitt durch das mikromechanische Bauelement
dar.
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Ausführungsform(en) der Erfindung
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In
der 1 ist schematisch ein mikromechanisches Bauelement 1 mit
einem Rahmen 8 und einem schwingfähigen Element 3 dargestellt.
Das schwingfähige Element 3 ist mittels eines
Aufhängungselements 2 mit dem Rahmen 8 verbunden.
Der Rahmen 8 ist bevorzugt über ein weiteres Aufhängungselement 5 mit
einem Substratmaterial (nicht dargestellt) verbunden. Der Rahmen 8 und
das schwingfähige Element 3 können um
eine erste Achse A und um eine zweite Achse B schwingen. Das schwingfähige
Element 3 weist eine Dicke 6 senkrecht zu einer
ersten Ebene 10 (in 1 nicht
dargestellt) auf, wobei die erste Ebene 10 parallel zum Rahmen 8 und
durch den Schwerpunkt des schwingfähigen Elements 3 verläuft.
Die Dicke 6 des schwingfähigen Elements 3 senkrecht
zur ersten Ebene 10, im folgenden auch nur Dicke 6 genannt,
ist dabei wesentlich größer als die Dicke des
Aufhängungselements 2 senkrecht zur ersten Ebene 10.
Im Ausführungsbeispiel ist das Aufhängungselement 2 über
eine erste Endfläche 9 (oder auch erstes Ende) des
schwingfähigen Elements 3 mit dem schwingfähigen
Element 3 verbunden. Bei einer Ausgestaltung des schwingfähigen
Elements 3 als Vollzylinder ist die erste Endfläche 9 des schwingfähigen
Elements 3 eine der beiden Grundflächen des Vollzylinders.
Bei einer Schwingung des Rahmens 8 um die Achse A und/oder
um die Achse B wird das schwingfähige Element 3 durch
das Aufhängungselement 2 zu einer Schwingung um
die Achse A und/oder um die Achse B angeregt. Hierdurch entstehen
jedoch mechanische Spannungen im Rahmen 8, im Aufhängungselement 2 und
im schwingfähigen Element 3.
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In 2 ist
schematisch ein Schnitt durch das mikromechanische Bauelement 1 dargestellt. Das
schwingfähige Element 3 ist dabei mittels des Aufhängungselements 2 mit
dem Rahmen 8 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Aufhängungselement 2 und
dem Rahmen 8 erfolgt dabei in einem Anbringungsbereich,
wobei der Anbringungsbereich bevorzugt entlang der Dicke 6 des
schwingfähigen Elements 3 vergleichsweise weit
entfernt von der ersten Ebene 10 ist. Beispielsweise kann
sich der Anbringungsbereich von der ersten Endfläche 9 ausgehend über
die Hälfte des Bereichs 11 erstrecken. Besonders
bevorzugt ist jedoch, wenn der Rahmen 8, das Aufhängungselement 2 und
die erste Endfläche 9 des schwingfähigen
Elements 3 in einer Ebene liegen (in 2 dargestellt).
In diesem Fall kann ein Magnet 4 räumlich besonders
nah an Spulen, die sich auf dem Rahmen 8 befinden, angenähert
werden. Die für die Anregung des Rahmens 8 und
somit auch des schwingfähigen Elements 3 benötigte
Lorenzkraft wird durch den abnehmenden Abstand zwischen der Spule
und dem Magnet 4 vorteilhaft erhöht. Das schwingfähige
Element 3 kann so in vorteilhafter Weise stärker
Ausgelenkt werden. Vorzugsweise weist das schwingfähige
Element 3 an einer zweiten Endfläche 7 eine
plane Fläche auf. Die plane Fläche ist besonders
bevorzugt verspiegelt, so dass Licht mit einem hohen Reflexionsgrad
reflektiert wird. Selbstverständlich kann das mikromechanische
Bauelement 1 auch eine plane Fläche an der ersten
Endfläche 9 aufweisen, wobei die erste Endfläche 9 beispielsweise
als plane Fläche ausgebildet ist und verspiegelt vorgesehen
ist. Das mikromechanische Bauelement 1 kann somit entweder
eine plane, verspiegelte Fläche oder eine Mehrzahl von
planen, verspiegelten Flächen aufweisen, wobei die planen,
verspiegelten Flächen an der ersten Endfläche 9 und/oder an
der zweiten Endfläche 7 vorgesehen sind oder die Endflächen 7, 9 als
plane, spiegelnde Flächen ausgebildet sind. Im Ausführungsbeispiel
ist die Verbindung zwischen dem Aufhängungselement 2 und dem schwingfähigen
Element 3 maximal entfernt von der planen, verspiegelten
Fläche. Die Dicke 6 des schwingfähigen
Elements 3 erhöht die Steifigkeit des schwingfähigen
Elements 3, wodurch auf vom Aufhängungselement 2 weit
beanstandete Bereiche des schwingfähigen Elements 3 im
wesentlichen keine mechanischen Spannungen mehr wirken. Je größer die
Entfernung des Aufhängungselements 2 von der planen
Fläche ist, um so geringer sind somit die mechanischen
Spannungen, die auf die plane Fläche (und somit auf eine
spiegelnde Fläche) bei einer Schwingung des schwingfähigen
Elements 3 wirken. Somit ist auch die Gefahr von Verzerrung
und/oder Verwölbungen der planen Fläche durch
mechanische Spannungen geringer. Bei der Verwendung des mikromechanischen
Bauelements 1 als Mikrospiegel werden somit die Abbildungseigenschaften
des Mikrospiegels nicht durch Verzerrungen und/oder Verwölbungen
der abbildenden Fläche (plane, spiegelnde Fläche)
beeinträchtigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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