DE102010028111B4

DE102010028111B4 - Mikromechanisches Element

Info

Publication number: DE102010028111B4
Application number: DE102010028111.5A
Authority: DE
Inventors: Denis JUNG; Conrad Holger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2010-04-22
Filing date: 2010-04-22
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2030-04-23
Also published as: US20110261431A1; US8570637B2; DE102010028111A1

Abstract

Mikromechanisches Element (100, 150, 300, 400) mit folgenden Merkmalen: einem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110), wobei eine Krümmung einer Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) veränderbar ist, einem inneren Rahmen (120), der das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement (110) entlang eines Randes der Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) umschließt und über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken (122) mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110) verbunden ist; und einem äußeren Rahmen (130), der über zumindest zwei Halteelemente (132) mit dem inneren Rahmen (120) verbunden ist, wobei der innere Rahmen (120) mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110) und dem äußeren Rahmen (130) verbunden ist, so dass ein Betrag eines ersten Winkels (228) zwischen der Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) an dem Rand (214) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) und einer Hauptfläche (222) des inneren Rahmens (120) an einem dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110) zugewandten Rand (224) des inneren Rahmens (120) kleiner ist als ein Betrag eines zweiten Winkels (238) zwischen einer Hauptfläche (232) des äußeren Rahmens (130) und der Hauptfläche (222) des inneren Rahmens (120) an einem dem äußeren Rahmen (130) zugewandten Rand (226) des inneren Rahmens (120), wenn die Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) in einem gekrümmten Zustand ist.

Description

Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein mikromechanisches Element und ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Elements.
Es sind eine Reihe von unterschiedlichen Mikrospiegeln bekannt. Beispielsweise gibt es mikromechanisch hergestellte, konvex und/oder konkav krümmbare Spiegel für die aktive Fokusvariation. Eine sehr vereinfachte Darstellung (Querschnitt) eines nach dem Bimorphprinzip auslenkbaren Spiegels ist z. B. in 9a und 9b gegeben. Die Spiegelplatte 900 besteht hierbei aus mindestens zwei Schichten 910 und 920 verschiedenen Materials.
Um die Spiegelplatte aktiv verkrümmen zu können, muss in mindestens einer Schicht eine laterale, mechanische Dehnung ε_x und ε_y aktiv einstellbar sein. Die aktiv einstellbare Dehnung kann z. B. mit Hilfe thermischer Anregung (thermomechanischer Bimorph/beispielsweise mit elektrothermischer Heizung), wobei die Materialien beider Schichten 910 und 920 einen verschiedenen Längenausdehnungskoeffizient besitzen, piezoelektischer und elektrostriktiver Anregung (elektroaktive Mono-, Bi- und Multimorphs unter der Nutzung des transversalen Effektes) und piezomagnetischer und magnetostriktiver Anregung (magnetoaktive Mono-, Bi- und Multimorphs unter der Nutzung des transversalen Effektes) erzeugt werden. In den Fällen der elektroaktiven Anregung über die transversalen Effekte in elektroaktiven (piezoelektrischen und elektrostriktiven) Festkörpern muss die Spiegelplatte aus mindestens drei verschiedenen Schichten (zwei Elektroden und einer außerhalb der Nulldehnungslinie („neutrale Faser”) angeordneten elektroaktiven Schicht) bestehen.
Eine beispielhafte Anordnung eines elektroaktiven Monomorphs 1000 (oft auch Unimorph genannt) ist in 10a und 10b gezeigt. Hier ist die elektroaktive Schicht 1020 zwischen zwei Elektrodenschichten 1010 und 1030 angeordnet. Wird zwischen beiden Elektrodenschichten eine elektrische Spannung angelegt, baut sich innerhalb der elektroaktiven Schicht ein elektrisches Feld E_z auf. Aus der Anwesenheit des elektrischen Feldes und den transversalen Effekten wird eine laterale Dehnung ε_x und ε_y innerhalb der elektroaktiven Schicht 1020 erzeugt. Diese mechanische Dehnung ist im Fall von piezoelektrischen Materialien direkt und im Fall von elektrostriktiven Materialien quadratisch von der elektrischen Feldstärke abhängig und führt zu einer Verkrümmung der Spiegelplatte 1000.
Für weitere mögliche Schichtanordnungen solcher Bauelemente sind beispielsweise in Bimorphs zwei aktive Materialien oder in parallel geschalteten Multimorphs Mehrschichtstapel, mit dem Ziel der Reduzierung der benötigten elektrischen Antriebsspannung, eingesetzt.
Für eine Fokussierung von Licht mit Hilfe von Spiegeln eignen sich im allgemeinen parabelförmige Oberflächenprofile (Rotationsparaboloide). Wird eine Platte aufgrund einer lateralen Dehnung verkrümmt (durch die oben gezeigten mono- und bimorphe Anordnungen), so entsteht bei „geringen” Auslenkungen ein sphärisches Oberflächenprofil (Hemisphäre). In ”Conrad, H., Klose, T., Sander, T., Schenk, H., Lakner, H.: Actuating Methods of Quasistatic Micromirrors for Active Focus Variation. Proc. of the IEEE 2008 International Students and Young Scientists Workshop ”Photonics and Microsystems”, pp. 7–11, 2008” wurde anhand einfacher Berechnungen gezeigt, dass je nach lateralen Abmessungen (Durchmesser) der Spiegelplatte die Abweichung zwischen sphärischem und parabolischem Oberflächenprofil bis zu einer Fokuslänge von ca. 3 cm vernachlässigbar klein ist. Somit sind auch sphärisch verkrümmte Spiegelplatten für die Fokussierung von Licht geeignet.
Es gibt weitere Mikrospiegel für die aktive Fokusvariation, welche mit Hilfe des elektrostatischen Antriebsprinzips ausgelenkt werden (z. B.: „Shao, Y., Dickensheets, D.-L., Himmer, P.: 3-D MOEMS Mirror for Laser Beam Pointing and Focus Control. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 10, No. 3, pp. 528–535, 2004” und ”Mescheder, U. M., Estan, C., Somogyi, G. Freudenreich, M.: Distortion optimized focusing mirror device with large aperture. Sensors and Actuators A, 130–131, pp. 20–27, 2006”). Diese Mikrospiegel benötigen im Vergleich zu den bi- und monomorph auslenkbaren Spiegeln höhere elektrische Antriebsspannungen („Conrad, H., Klose, T., Sander, T., Schenk, H., Lakner, H.: Actuating Methods of Quasistatic Micromirrors for Active Focus Variation. Proc. of the IEEE 2008 International Students and Young Scientists Workshop ”Photonics and Microsystems”, pp. 7–11, 20”). Die Krümmungsänderung bei diesen Mikrospiegeln wird durch eine an der Spiegelplatte vertikal angreifenden Kraft (des elektrostatischen Feldes) hervorgerufen wird. Solche elektrostatisch angetriebenen Systeme sind von elektrostatisch aktiv krümmbaren Systemen, wie sie zuvor erwähnt wurden, zu unterscheiden.
Allgemein kann aufgrund von technologischen Einschränkungen bei der Herstellung eines solches Mikrosystems (Freigeben oder „Release” der Spiegelplatte) und der besseren Stabilität gegenüber mechanischen Umwelteinflüssen (Schockfestigkeit) die Spiegelplatte an dessen Rand über Federelemente mit einem festen Rahmen verbunden werden. In 11 ist ein Beispiel eines solchen Mikrospiegels 1100 gezeigt (schwarz: offene, freigeätzte Gräben). Diese aktiv krümmbare Spiegelplatte 1110 ist hier über vier Federelemente 1132 am Rahmen 1130 des Bauelementes 1100 fixiert.
Dies führt zu Deformationsfehlern durch Rückstellkräfte der Aufhängung der Spiegelplatte 1110. Die Federelemente 1132 sind so gestaltet, dass sie der Bewegung des Randes 1112 und 1114 der Spiegelplatte möglichst geringe mechanische Rückstellkräfte entgegenwirken. Hierbei werden die Federelemente sowohl auf Biegung als auch auf Torsion beansprucht. Damit sich die Spiegelplatte aufgrund der aktiv eingekoppelten lateralen Dehnung verkrümmen kann, muss der Rand der Spiegelplatte weitestgehend frei beweglich sein.
Der Rand der Spiegelplatte bewegt sich lateral (die Spiegelplatte zieht sich zusammen oder dehnt sich aus) und der Rand der Spiegelplatte wird verkippt.
Da jedoch die Spiegelplatte über diskrete Befestigungsstellen 1112 am Plattenrand über die Federelemente 1132 mit dem festen Rahmen 1130 verbunden ist und die Federelemente nicht unendlich weich ausgeführt werden können (aufgrund der Schockfestigkeit und Herstellbarkeit des Bauelementes), erfährt die Spiegelplatte in Richtung der Befestigungsstelle 1112 eine geringere sphärische Verkrümmung und in Richtung des freien Plattenrandes 1114 eine höhere sphärische Verkrümmung.
Somit entsteht in der kreisförmigen Spiegelplatte 1110 ein nicht rotationssymmetrisches Deformationsprofil. Die Abweichung (Fehler) zum sphärischen oder parabolischen Deformationsprofil ist in Richtung des freien Plattenrandes positiv und in Richtung der Federelemente negativ. Die Höhe der Abweichung vom idealen Deformationsprofil ist abhängig von der lateralen Größe der Spiegelplatte (z. B. Durchmesser d bei kreisrunden Platten), tritt auch schon bei geringen Auslenkungen auf und führt zu einer erheblichen Verschlechterung der optischen Güte des Fokussierspiegels.
Zusätzlich kann es zu nichtlinearen Deformationsfehlern bei großen Auslenkungen kommen. Das zuvor erwähnte rein sphärische Deformationsprofil, welches durch eine laterale Dehnung einer Schicht innerhalb einer Platte hervorgerufen wird, gilt nur für „kleine” Auslenkungen. Die Auslenkung ist klein, wenn die Durchbiegung w kleiner als die gesamte Plattendicke t ist (w und t siehe 9). Für größere Auslenkungen gilt hier die lineare Plattentheorie (sog. Kirchhoffsche Plattentheorie) nicht mehr. Je höher das Verhältnis aus Durchbiegung zur gesamten Plattendicke (w/t) ist, desto mehr nimmt die Platte membranartiges Verhalten ein, welches durch eine geringe bis keine Biegesteifigkeit gekennzeichnet ist. Dies führt zu „faltenartigen” Oberflächenprofilen bzw. zu faltenartigen Abweichungen vom idealen Deformationsprofil. Diese faltenartigen Abweichungen vom idealen Deformationsprofil treten innerhalb der gesamten Spiegelplatte auf und führen zu einer erheblichen Verschlechterung der optischen Güte bei großen Auslenkungen (Verkrümmungen) des Fokusspiegels.
Theoretisch wäre es möglich durch eine dicke Spiegelplatte (t ist größer als die für die Zielanwendung maximal benötigte Durchbiegung w) diesen nichtlinearen Fehler zu minimieren. Jedoch ist die Herstellung dicker Spiegelplatten mit Hilfe der Mikrosystemtechnik sehr aufwendig (Grund: Abscheidung und Strukturierung dicker Schichten) und da das zu überwindende Biegemoment nichtlinear von der Plattendicke abhängig ist (Biegemoment Plattendicke³), werden wesentlich höhere Antriebskräfte in Form von höheren aktiv eingekoppelten, lateralen Dehnungen (welche zu. B. im Fall von elektroaktiven Funktionsschichten durch höher elektrische Spannungen erzeugt werden müssen) für die Verbiegung dicker Platten benötigt.
Die DE 102 13 579 A1 beschreibt eine deformierbare Spiegelvorrichtung. Diese umfasst eine Anordnung individuell mikromaschinell bearbeitbarer lichtreflektierender Bänder, die sich um ihre längere Achse unter Aktivierung eines angelegten elektrostatischen Feldes biegen.
Des Weiteren zeigt die DE 198 57 946 C1 einen Mikrospiegel. Dieser weist eine freitragende Spiegelfläche auf, die über mindestens eine, durch mindestens einen an der Spiegelfläche angebrachten Torsionsbalken gebildete Torsionsachse mit einem die Spiegelfläche zumindest bereichsweise umgebenden Tragkörper verbunden ist.
Eine weitere Spiegelvorrichtung ist in der US 2008/0100899 A1 beschrieben. Die Spiegelvorrichtung beinhaltet einen Spiegel, welcher in Bezug auf das Spiegelsubstrat drehbar ist, und eine Steuerelektrode, die auf einem Elektrodensubstrat ausgebildet ist, welches dem Spiegelsubstrat zugewandt ist.
Die Patentveröffentlichung WO 2009/087883 A1 betrifft eine Mikroscannervorrichtung und ein Verfahren zum Steuern der Mikroscannervorrichtung.
Die wissenschaftliche Veröffentlichung von „S. J. Lukes et al.: „Surface micro-machined SU-8 2002 deformable mirrors for focus control”; MOEMS and Miniaturized Systems IX, edited by Harald Schenk, Wibool Piyawattanametha, Proc. of SPIE Vol. 7594, 02/2010, 75940E-1-6” betrifft mikromaschinell hergestellte, elektrostatisch verformbare Spiegel zur Fokussteuerung.
Die Patentveröffentlichung US 2006/0232846 A1 betrifft Spiegel mit einem variablen Off-Axis-Fokus und einer Aberrationssteuerung und ferner ein entsprechendes Verfahren. Ein optisches Element weist eine mehrschichtige Verbundstruktur auf und ist elektrostatisch verformbar, um optische Abbildungsfehler in einer Off-Axis-Optik zu reduzieren.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Element mit einem krümmbaren Funktionselement zu schaffen, das eine Reduzierung von Abweichungen eines Deformationsprofils einer Hauptfläche des Funktionselements von einem idealen Deformationsprofil ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein mikromechanisches Element gemäß Anspruch 1 oder 10 löst.
Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schafft ein mikromechanisches Element. Das mikromechanische Element umfasst ein plattenförmiges, mikromechanisches Funktionselement, einen inneren Rahmen und einen äußeren Rahmen. Dabei ist das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement ausgelegt, so dass eine Krümmung einer Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements veränderbar ist. Der innere Rahmen umschließt das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement entlang eines Randes der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und ist über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement verbunden. Der äußere Rahmen ist über zumindest zwei Halteelemente mit dem inneren Rahmen verbunden. Dabei ist der innere Rahmen mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement und dem äußeren Rahmen verbunden, so dass ein Betrag eines ersten Winkels zwischen der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements an dem Rand des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und einer Hauptfläche des inneren Rahmens an einem dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement zugewandten Rand des inne ren Rahmens kleiner ist als ein Betrag eines zweiten Winkels zwischen einer Hauptfläche des äußeren Rahmens und der Hauptfläche des inneren Rahmens an einem dem äußeren Rahmen zugewandten Rand des inneren Rahmens, wenn die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements in einem gekrümmten Zustand ist.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung schafft ein mikromechanisches Element, das ein plattenförmiges, mikromechanisches Funktionselement mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil und einen äußeren Rahmen aufweist. Der zweite Teil des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements umschließt den ersten Teil des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements entlang eines Randes des ersten Teils und ist über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken mit dem ersten Teil verbunden. Der erste Teil und der zweite Teil bilden eine Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements. Das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement ist ausgelegt, so dass eine Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements durch eine Veränderung einer Krümmung des ersten Teils des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und einer Krümmung des zweiten Teils des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements veränderbar ist. Des Weiteren ist der äußere Rahmen über zumindest zwei Halteelemente mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement verbunden.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung basieren auf dem Kerngedanken, dass Abweichungen des Deformationsprofils der Hauptfläche eines mikromechanischen Funktionselements durch die Integration eines inneren Rahmens oder durch eine Teilung der krümmbaren Hauptfläche in mehrere Teile reduziert werden kann. Durch die Verwendung eines inneren Rahmens können die aus den Rückstellkräften der Halteelemente resultierenden Abweichungen des Deformationsprofils der Hauptfläche vom idealen Deformationsprofil deutlich reduziert werden. Dadurch können beispielsweise auch steifere Halteelemente genutzt werden, was sich positiv auf die Stabilität gegenüber mechanischen Störeinflüssen auswirken kann.
Genauso kann durch das Aufteilen des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements eine Abweichung vom idealen Deformationsprofil deutlich reduziert werden. Vor allem kann dadurch die Abweichung vom idealen Deformationsprofil auch bei großen Auslenkungen (starker Krümmung) der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements verringert werden, selbst wenn die Durchbiegung größer als die gesamte Dicke des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements ist. Demnach können auch dünne plattenförmige, mikromechanische Funktionselemente verwendet werden, wodurch die Leistungsaufnahme oder die elektrischen Antriebsspannungen für die Realisierung der veränderbaren Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements reduziert werden können. Zusätzlich ist die Herstellung des mikromechanischen Elements ohne Mehraufwand möglich, da ein Ätzen von offenen Gräben zur Strukturierung des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements ohnehin notwendig ist.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein mikromechanisches Element, das sowohl einen inneren Rahmen als auch eine Aufteilung des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements in mehrere Teile aufweist.
Bei einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung weist das plattenförmige, mikromechanischen Funktionselement des mikromechanischen Elements eine Schicht mit einer bezüglich der Hauptfläche lateral veränderbaren Ausdehnung auf, um eine Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements basierend auf der steuerbaren Anregung zu verändern.
Einige weitere Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein mikromechanisches Element, bei dem das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement basierend auf dem thermomechanischen, piezoelektrischen, elektrostriktiven, piezomagnetischen oder magnetostriktiven Effekt aktiv verkrümmt werden kann.
Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1a, 1b eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanisches Element;
2a, 2b eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines mikromechanischen Elements;
3 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanischen Elements mit inneren Rahmen;
4 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanischen Elements mit einem inneren Rahmen und integrierten verteilten Federn;
5a, 5b eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanischen Elements;
6 ein normierter Kurvenverlauf der Durchbiegung einer ideal sphärisch gekrümmten Fläche in Abhängigkeit von dessen Radius;
7 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanischen Elements mit einem aufgeteiltem plattenförmigem, mikromechanischem Funktionselement und einem inneren Rahmen mit integrierten verteilten Federn;
8 eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanischen Elements mit einem aufgeteilten plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement und einem inneren Rahmen mit integrierten verteilten Federn;
9a, 9b ein schematischer Querschnitt einer ebenen (nicht ausgelenkten) und einer gekrümmten Spiegelplatte, welche aus zwei verschiedenen Schichten besteht;
10a, 10b ein schematischer Querschnitt einer ebenen (nicht ausgelenkten) und einer gekrümmten Spiegelplatte, welche aus drei verschiedenen Schichten besteht (elektroaktive Anregung); und
11 eine schematische Draufsicht einer bekannten kreisförmigen Spiegelplatte, welche durch vier Federelemente mit einem festen Rahmen verbunden ist.
Im Folgenden werden teilweise für Objekte und Funktionseinheiten, die gleiche oder ähnliche funktionelle Eigenschaften aufweisen, gleiche Bezugszeichen verwendet. Des Weiteren können optionale Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombinierbar oder zueinander austauschbar sein.
1a und 1b zeigen eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Elements 100, 150 entsprechend eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung. Das mikromechanische Element 100, 150 umfasst ein plattenförmigen, mikromechanisches Funktionselement 110, einen inneren Rahmen 120 und einen äußeren Rahmen 130. Das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 ist ausgelegt, so dass eine Krümmung einer Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 veränderbar ist. Der innere Rahmen 120 umschließt das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 entlang eines Randes der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 und ist über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken 122 mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 verbunden. Der äußere Rahmen 130 ist über zumindest zwei Halteelemente 132 mit dem inneren Rahmen 120 verbunden. Des Weiteren ist der innere Rahmen 120 mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 und dem äußeren Rahmen 130 verbunden, so dass ein Betrag eines ersten Winkels zwischen der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 an dem Rand des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 und einer Hauptfläche des inneren Rahmens 120 an einem dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 zugewandten Rand des inneren Rahmens 120 kleiner ist als ein Betrag eines zweiten Winkels zwischen einer Hauptfläche des äußeren Rahmens 130 und der Hauptfläche des inneren Rahmens 120 an einem dem äußeren Rahmen 130 zugewandten Rand des inneren Rahmens 120, wenn die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 in einem gekrümmten Zustand ist.
Durch die Verwendung des inneren Rahmens 120 kann ein Einfluss der rückstellenden Kraft der Halteelemente bei einer Verkrümmung des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 auf das Deformationsprofil der Hauptfläche deutlich reduziert werden. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass der innere Rahmen 120 mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 und dem äußeren Rahmen so verbunden ist, dass der erste Winkel kleiner ist als der zweite Winkel, wenn die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 verkrümmt ist.
Zur Veranschaulichung der Winkelverhältnisse zeigen 2a und 2b eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines mikromechanischen Elements entlang einer der in 1a oder 1b eingezeichneten Schnittlinien A-A.
In 2a ist das mikromechanische Element 200 vom äußeren Rahmen 130 über ein Halteelement 132, den inneren Rahmen 120 und einem Verbindungsstück 122 zu dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 mit gekrümmter Hauptfläche 212 gezeigt. Dabei sind zur deutlicheren Darstellung der unterschiedlichen Teile (äußerer Rahmen, Halteelement, innerer Rahmen, Verbindungsstück, plattenförmiges, mikromechanisches Funktionselement) des mikromechanischen Elements 200 das Halteelement 132 und das Verbindungsstück 122 mit strichlierten Linien dargestellt, obwohl der äußere Rahmen 130, das Halteelement 132, der innere Rahmen 120, das Verbindungsstück 122 und das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 auch eine durchgehende homogene Materialschicht aufweisen können (können z. B. basierend auf einer gemeinsamen Siliziumschicht hergestellt sein). Passend zu der in 2a gezeigten Querschnittsdarstellung zeigt 2b die Winkelverhältnisse zwischen dem äußeren Rahmen 130, dem inneren Rahmen 120 und dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110. Das Halteelement 132 und das Verbindungsstück 122 wurden zur Verdeutlichung der Winkelverhältnisse nicht dargestellt. Wie gezeigt, ist der erste Winkel 228 zwischen der Hauptfläche 212 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 an dem Rand 214 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 und einer Hauptfläche 222 des inneren Rahmens 120 an einem dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 zugewandten Rand 224 des inneren Rahmens 120 definiert. Der zweite Winkel 238 ist zwischen einer Hauptfläche 232 des äußeren Rahmens 130 und der Hauptfläche 222 des inneren Rahmens 120 an einem dem äußeren Rahmen 130 zugewandten Rand 226 des inneren Rahmens 120 definiert. Wie dargestellt, ist der Betrag des ersten Winkels 228 kleiner als der Betrag des zweiten Winkels 238, wenn die Hauptfläche 212 in einem gekrümmten Zustand ist. Dies trifft nicht nur zu, wenn das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 schüsselförmig (nach unten) gekrümmt ist, sondern auch wenn es helmförmig (nach oben) gekrümmt ist. Das Winkelverhältnis bezieht sich auf einen gekrümmten Zustand des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110, da das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 in einem Ruhezustand oder auch in einem Betriebszustand eben (ohne Krümmung) sein kann.
Diese Winkelverhältnisse lassen sich z. B. sehr einfach in einem Querschnitt des mikromechanischen Elements feststellen, dessen Schnittebene in einem Mittelpunkt oder Schwerpunkt des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 orthogonal zu der Hauptfläche 212 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 ist.
In welchem Größenverhältnis der erste Winkel 228 zu dem zweiten Winkel 238 steht, ist beispielsweise abhängig von der rückstellenden Kraft, die die Verbindungsstücke auf das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 auswirken, und die rückstellende Kraft, die die Halteelemente 132 auf den inneren Rahmen 120 auswirken. Durch eine gezielte Wahl der Form des inneren Rahmens 120, der Form und Anzahl der Halteelemente 132 und der Form und Anzahl der Verbindungsstücke 122 kann erreicht werden, dass der erste Winkel 228 kleiner ist als der zweite Winkel 238, wenn das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 in einem gekrümmten Zustand ist. Dieses Winkelverhältnis ergibt sich beispielsweise, indem der innere Rahmen 120 mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 steifer verbunden ist als mit dem äußere Rahmen 130. Der erste Winkel 228 kann auch Null oder nahezu Null sein, wenn die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 nur leicht verkrümmt ist. Beispielsweise kann dies dadurch erreicht werden, dass die Anzahl der Verbindungsstücke 122 größer ist als die Anzahl von Halteelementen 132. Zum Beispiel können mehr als zweimal, viermal oder zehnmal so viele Verbindungsstücke 122 als Halteelemente 132 vorhanden sein. Dadurch wirken anstelle von mehreren großen rückstellenden Kräften viele kleinere rückstellende Kräfte auf das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110, wodurch eine Reduzierung der Abweichung vom idealen Deformationsprofil der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 ermöglicht werden kann. Auch eine symmetrische Anordnung der Verbindungsstücke um den Umfang des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 kann dazu beitragen, den ersten Winkel 228 deutlich kleiner als den zweiten Winkel 238 zu machen. Die Form des inneren Rahmens 120, die Form und Anzahl der Verbindungsstücke 122 sowie die Form und Anzahl der Halteelemente 132 kann durch Simulation optimiert werden, so dass der erste Winkel 228 im Verhältnis zum zweiten Winkel 238 möglichst klein wird, wodurch eine Abweichung vom idealen Deformationsprofil minimiert werden kann.
Das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 kann beispielsweise eine runde, elliptische, quadratische, rechteckige oder vieleckige Form oder eine polygonartige Freiform aufweisen. Der Begriff plattenförmig des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 bedeutet in diesem Zusammenhang nur, dass das Funktionselement in zwei Dimensionen eine deutlich größere Ausdehnung aufweist als in seiner dritten Dimension. Beispielsweise hat es in zwei Dimensionen mehr als die 5fache, die 10fache oder die 100fache Ausdehnung als in seiner dritten Dimension. In anderen Worten, die Dicke des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 ist deutlich geringer als seine laterale Ausdehnung. Das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 kann beispielsweise rund sein und der innere Rahmen 120 kann einen kreisförmigen Ring um das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 bilden.
Die Halteelemente 132 und die Verbindungsstücke 122 (die auch allgemein als Verbindungselemente bezeichnet werden können) können, wie in 1a und 1b durch die Schnittlinien A-A angedeutet, auf einer Geraden liegen oder zueinander versetzt sein. Durch eine versetzte Anordnung der Halteelemente 132 zu den Verbindungsstücken 122 kann eine weitere Reduktion der Abweichung des idealen Deformationsprofils der Hauptfläche 212 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 vom idealen Deformationsprofil ermöglicht werden, da das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 noch besser vom äußeren Rahmen 130 entkoppelt ist.
Zwischen dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 und dem inneren Rahmen 120 sind an Stellen, an denen keine Verbindungsstücke 122 angeordnet sind, das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 und der innere Rahmen 120 durch offene Gräben voneinander (oder freigeätzte Gräben) getrennt. Durch die Anordnung der offenen Gräben sind das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110 und der innere Rahmen 120 nur durch die Verbindungsstücke 122 miteinander mechanisch gekoppelt. Durch die offenen Gräben wird ein Abstand zwischen dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 und dem inneren Rahmen 120 definiert, der jedoch nicht sehr groß sein muss. Es kann beispielsweise schon ausreichend sein, die offenen Gräben zumindest so breit wie die halbe Dicke, die Dicke, die doppelte Dicke oder die 5fache Dicke des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 zu machen. Die offenen Gräben können aber auch noch breiter sein. Durch die Breite des offenen Grabens wird der Abstand des plattenförmigem, mikromechanischem Funktionselements 110 von dem inneren Rahmen 120 definiert.
Das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement 110, der innere Rahmen 120 und der äußere Rahmen 130 können eine gemeinsame monolithische Schicht oder/und einen gemeinsamen Schichtstapel aufweisen. Die monolithische Schicht kann beispielsweise eine Siliziumschicht sein, die in einem Ätzverfahren strukturiert werden, um dem platten-förmigen, mikromechanischen Funktionselement 110, dem inneren Rahmen 120 und dem äußeren Rahmen 130 ihre Form zu geben. Danach können für die verschiedenen Elemente auf die gemeinsame monolithische Schicht weitere Schichten aufgebracht werden, um beispielsweise eine veränderbare Krümmung der Hauptfläche 212 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 zu ermöglichen. In anderen Worten, die gemeinsame monolithische Schicht kann durch offene Gräben strukturiert sein, um eine Form des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110, des inneren Rahmens 120 und des äußeren Rahmens 130 festzulegen.
Die Halteelemente 132 können ausgelegt sein, um den inneren Rahmen 120 mit dem äußeren Rahmen 130 beweglich zu verbinden. Die Halteelemente 132 können dazu beispielsweise klammerartige Federelemente oder mäanderförmige Elemente sein.
Es ist ausreichend, den äußeren Rahmen 130 mit dem inneren Rahmen 120 mit nur zwei Halteelementen 132 zu verbinden, jedoch kann die Stabilität des mikromechanischen Elements 100, 150 verbessert werden, wenn mehr als zwei Halteelemente 132, z. B. vier oder mehr Halteelemente 132 (wie in 1a und 1b gezeigt), verwendet werden.
Das mikromechanische Element 100, 150 kann beispielsweise in optischen Systemen Anwendung finden. Dazu bildet beispielsweise die Hauptfläche 212 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 eine reflektierende Oberfläche (reflektiert z. B. mehr als 70%, 90% oder 99% des einfallenden Lichts im betrachteten Wellenlängenbereich) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110. Die Reflexionseigenschaften der Oberfläche können an die jeweilige Anwendung (z. B. an die Wellenlänge des verwendeten Lichts) angepasst werden. Das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement kann dann auch als Spiegelplatte bezeichnet werden und das mikromechanische Element wird in diesem Zusammenhang auch Mikrospiegel genannt. Einige der folgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf einen Mikrospiegel mit einer Spiegelplatte. Die Ausführungen in Zusammenhang mit Mikrospiegeln und/oder Spiegelplatten bezüglich Form und Aufbau des mikromechanischen Elements können jedoch, unabhängig von der Anwendung des mikromechanischen Elements, allgemein für erfindungsgemäße mikromechanische Elemente verwendet werden.
Der äußere Rahmen 130, auch als fester Rahmen bezeichnet, gehört beispielsweise zu jenem Teil des mikromechanischen Elements, der fest mit einem Gehäuse des mikromechanischen Elements oder mit einem Gerät, in welchem das mikromechanische Element Verwendung findet, verbunden wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanischen Elements 300 entsprechend eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung. Das mikromechanische Element 300 basiert auf dem zuvor mit Hilfe von 1a, 1b, 2a und 2b beschriebenen Konzept. Die offenen Gräben zwischen dem inneren Rahmen 120 und dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110, nachfolgend auch Spiegelplatte genannt, sind als schwarze Striche dargestellt, da ihre Breite im Vergleich zur Ausdehnung des gesamten mikromechanischen Elements 300 klein ist.
Damit die mechanischen Rückstellkräfte der Federelemente gleichmäßig über den Umfang des Randes der Spiegelplatte 110 verteilt werden können, kann die in 3 gezeigte Rahmenstruktur 120 genutzt werden. Hierbei wird die kreisrunde Spiegelplatte 110 über Verbindungsstücke 122 mit einer ringförmigen Rahmenstruktur 120 verbunden. Die ringförmige Rahmenstruktur 120 ist wiederum an den Federelementen 132 befestigt. Die optimale Anzahl und die Lage der Verbindungsstücke 122 kann mit Hilfe geometrischer Optimierungen bestimmt werden.
Das in 3 gezeigte mikromechanische Element 300 kann beispielsweise die Realisierung eines Mikrospiegels zur aktiven Fokusvariation ermöglichen, bei welchem eine kreisrunde Spiegelplatte 110 (plattenförmiges, mikromechanisches Funktionselement) über eine einfache Rahmenstruktur 120 (innerer Rahmen) mit den Federelementen 132 (Halteelemente) verbunden ist.
Mit der in 3 gezeigten Rahmenstruktur 120 und den Verbindungsstücken 122 kann der Ort der Rückstellkraft festgelegt werden. Die Höhe der Rückstellkraft richtet sich nach dem Ort der Verbindungsstücke 122, der Breite (Ausdehnung orthogonal zu dem Rand des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement) der ringförmigen Rahmenstruktur 120 und der Steifigkeit der Federelemente 132. Je nach Steifigkeit der Federelemente 132 bzw. je nach lateraler Größe der Spiegelplatte (bzw. der Höhe der Kraft der Spiegelplatte) kann die einfache Rahmenstruktur 120 bei optimaler Anordnung der Verbindungsstücke 122 nicht die Abweichung des Deformationsprofils zum idealen Deformationsprofil auf Null oder nahezu Null reduzieren.
In dem in 3 gezeigten Beispiel sind die Halteelemente 132 als Federelemente ausgeführt. Dies wird vor allem durch die mäanderartige Struktur der Halteelemente 132 erreicht. Die rückstellende Kraft der Halteelemente 132 kann dadurch reduziert werden, jedoch wird auf diese Weise auch die Stabilität gegenüber Erschütterungen (Schockfestigkeit) vermindert.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanischen Elements 400 entsprechend eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung. Das mikromechanische Element 400 basiert auf dem in 3 dargestellten Prinzip. Jedoch ist ein Teil der Verbindungsstücke 122 der Mehrzahl von Verbindungsstücken zwischen dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement 110 und dem inneren Rahmen 120 als Federelemente in den inneren Rahmen 110 integriert. Dabei wird ein Teil des Federelements 426 durch einen entlang des Randes des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 verlaufenden Teil des inneren Rahmens 120 gebildet.
Die als Federelemente 426 ausgebildeten Verbindungsstücke verlaufen z. B. zumindest teilweise parallel zum Rand des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110, wie in 4 gezeigt. Dadurch wird der innere Rahmen 120 parallel zum Rand des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 in einen ersten Teil 426, der das Federelement bildet, und einen zweiten Teil 428 geteilt. Dabei ist beispielsweise eine Breite des ersten Teils 426 kleiner als oder gleich groß wie eine Breite des zweiten Teils 428, wobei die Breite z. B. orthogonal zum Rand des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 gemessen wird.
Durch ein mikromechanisches Element 400, wie es in 4 gezeigt ist, kann beispielsweise ein Mikrospiegel zur aktiven Fokusvariation realisiert werden, bei welchem eine kreisrunde Spiegelplatte 110 (plattenförmiges, mikromechanisches Funktionselement) über eine Rahmenstruktur 120 (innerer Rahmen) mit verteilten Federn 426 mit den Federelementen 132 verbunden ist.
4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, welches neben dem Ort auch die Höhe der Rückstellkraft der Verbindungsstücke 122 einstellen kann. Hierbei wird die ringförmige Rahmenstruktur 120 durch einen offenen Graben an geeigneten Stellen aufgeschlitzt. Dadurch entstehen in Teilbereichen der Rahmenstruktur 120 zwei Rahmenstücke 426 und 428. Durch die Wahl der Länge und Breite (Länge parallel und Breite orthogonal zu dem Rand des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements) dieser Rahmenteilstücke 426 und 428 kann die Höhe der Rückstellkraft unabhängig von der Position der Verbindungsstücke 122 eingestellt werden. Mit Hilfe geometrischer Optimierung (Anzahl und Position der Verbindungsstücke 122, Anzahl, Position, Länge und Breite der Rahmenteilstücke 426 und 428) ist es möglich, die Abweichung des Deformationsprofils, welche durch die nicht ideal weichen Federn hervorgerufen wird, auf nahezu Null zu reduzieren. Die Struktur kann auch als „verteilte Federn” bezeichnet werden.
Die in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele können mehrere Vorteile zur Erreichung eines möglichst idealen Deformationsprofils der Hauptfläche des schreibenförmigen, mikromechanischen Funktionselements 110 haben. Beispielsweise kann mit Hilfe der gezeigten Lösungen (einfache ringförmige Rahmenstruktur und Rahmenstruktur mit verteilten Federn) die aus den Rückstellkräften der Federelemente resultierende Abweichung der Oberflächendeformation vom idealen Deformationsprofil auf nahezu Null reduziert werden. Es können auch steifere Federelemente genutzt werden, was sich wiederum positiv auf die Stabilität gegenüber mechanischen Störeinflüssen (Schockfestigkeit) auswirkt. Das beschriebene Konzept kann ohne einen Mehraufwand im Herstellungsprozess eines solchen Mikrospiegels umgesetzt werden, da lediglich die für die Spiegelplatte ohnehin benötigten Konturen (Trenche/offene Gräben) geätzt werden müssen.
5a und 5b zeigen eine schematische Darstellung eines mikromechanischen Elements 500, 550 entsprechend eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung. Das mikromechanische Element 500, 550 umfasst ein plattenförmiges, mikromechanisches Funktionselement mit einem ersten Teil 510 und einem zweiten Teil 520 und einen äußeren Rahmen 130. Der zweite Teil 520 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements umschließt den ersten Teil 510 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements entlang eines Randes des ersten Teils 510 und ist über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken 122 mit dem ersten Teil 510 verbunden. Der erste Teil 510 und der zweite Teil 520 bilden eine Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements. Dabei ist eine Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements durch eine Veränderung einer Krümmung des ersten Teils 510 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und einer Krümmung des zweiten Teils 520 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements veränderbar. Der äußere Rahmen 130 ist über zumindest zwei Halteelemente 132 mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement verbunden.
Wie zuvor erläutert, ist die durch nichtlineare Verformungen und bei großen Auslenkungen faltenförmige eintretende Abweichung vom idealen Deformationsprofil abhängig vom Verhältnis der Durchbiegung zur Plattendicke (w/t). Die Plattendicke lässt sich aufgrund der obigen Begründungen nicht beliebig vergrößern.
Damit die Abweichung dennoch reduziert werden kann, ist es hilfreich die diesen Effekt bestimmende Durchbiegung zu reduzieren, ohne dass die gesamte für die Zielanwendung notwendige Durchbiegung reduziert wird. Dies kann durch eine Aufteilung der Spiegelplatte in mehrere Teilbereiche gelöst werden. In 6 wird dies anhand eines Kurvenverlaufs 600 der normierten Durchbiegung w(r) in Abhängigkeit vom radialen Abstand r von der Spiegelmitte verdeutlicht. Die für den zuvor beschriebenen Effekt bestimmende Durchbiegung wurde hier halbiert, indem die gesamte Spiegelplatte in eine innere Spiegelplatte 510 (erster Teil des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement) und äußere Spiegelplatte 520 (zweiter Teil des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement) aufgeteilt wurde. Sofern beide Teilbereiche elastisch miteinander verbunden sind, resultiert hieraus ein optimales Verhältnis der Durchmesser der inneren Spiegelplatte 510 zum Durchmesser der äußeren Spiegelplatte 520 von
In anderen Worten, ist ein normierter Kurvenverlauf der Durchbiegung w einer ideal sphärisch gekrümmten Spiegelplatte in Abhängigkeit von dessen Radius r gezeigt, wobei d der gesamte Durchmesser der Spiegelplatte und d₁ der Durchmesser der inneren Spiegelplatte 510 (erster Teil des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements) ist.
Das optimale Verhältnis des Durchmessers des ganzen plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements d₁ zu dem Durchmesser des ersten Teils 510 des mikromechanischen, plattenförmigen Funktionselements kann beispielsweise in Abhängigkeit der Ausgestaltung der Halteelemente variieren. Ein optimales Verhältnis der Durchmesser kann z. B. durch Simulation gefunden werden.
An Stellen, an denen zwischen dem ersten Teil 510 und dem zweiten Teil 520 keine Verbindungsstücke 122 angeordnet sind, sind der erste Teil 510 und der zweite Teil 520 durch offene Gräben voneinander getrennt. Die offenen Gräben bilden einen Abstand zwischen dem ersten Teil 510 und dem zweiten Teil 520. Um beispielsweise störende Beugungseffekte an den von den Gräben für zu reflektierendes Licht zu vermeiden, kann der Abstand an die Wellenlänge des zu reflektierenden Lichts angepasst werden. Zum Beispiel kann der Abstand größer gewählt werden als eine Wellenlänge von Licht, für die die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements reflektierende Eigenschaften aufweist.
Der erste Teil 510 und der zweite Teil 520 können ausgelegt sein, um eine Abweichung eines Deformationsprofils der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements von einem idealen Deformationsprofil der Hauptfläche zu reduzieren.
Beispielsweise kann der erste Teil 510 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements kreisförmig sein und der zweite Teil 520 einen runden Ring um den ersten Teil 510 bilden. Dabei kann beispielsweise ein Durchmesser des ersten Teils 510 zu einem Außendurchmesser des zweiten Teils 520 ein Verhältnis von 1 zu √2 mit einer Toleranz von 20% (oder 0,1%, 1%, 5%, 10% oder 50%) des Durchmessers des ersten Teils 510 aufweisen.
Das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement kann auch mehr als zwei Teile aufweisen. Beispielsweise weist das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement einen dritten Teil auf, wobei der dritte Teil den zweiten Teil 520 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements entlang eines Randes des zweiten Teils 520 umschließt und über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken mit dem zweiten Teil 520 verbunden ist. Dann bilden der dritte Teil gemeinsam mit dem ersten Teil 510 und dem zweiten Teil 520 die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements. Des Weiteren ist die Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements durch eine Veränderung einer Krümmung des ersten Teils 510 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements, einer Krümmung des zweiten Teils 520 des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und einer Krümmung des dritten Teils des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements veränderbar.
Der dritte Teil kann dabei beispielsweise einen rund Ring um den zweiten Teil 520 bilden. Zur Reduzierung einer Abweichung des Deformationsprofils der Hauptfläche von einem idealen Oberflächenprofil kann beispielsweise der Außendurchmesser des zweiten Teils 520 zu einem Außendurchmesser des dritten Teils ein Verhältnis von √2 zu √3 mit einer Toleranz von 20% (oder 0,1%, 1%, 5%, 10% oder 50%) des Außendurchmessers des zweiten Teils 520 aufweisen sowie ein Durchmesser des ersten Teils 510 zu einem Außendurchmesser des dritten Teils ein Verhältnis von 1 zu √3 mit einer Toleranz von 20% (oder 0,1%, 1%, 5%, 10% oder 50%) aufweisen.
Weitere mögliche Ausgestaltungsmöglichkeiten z. B. bezüglich der Form und des Aufbaus des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements, der Anordnung und Anzahl von Halteelementen 132 sowie Verbindungsstücken 122 (oder auch Verbindungselemente genannt) oder anderen zusätzlichen oder optionalen Merkmalen für die mikromechanischen Elemente 500, 550, wie sie in 5a und 5b gezeigt sind, können in entsprechender Weise der Beschreibung für die in 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele entnommen werden.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein mikromechanisches Element mit einem inneren Rahmen, wie er beispielsweise in den 1 bis 4 gezeigt und beschrieben ist, und einem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil, wie es in 5a und 5b gezeigt ist.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer Draufsicht eines mikromechanischen Elements 700 entsprechend eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung. Das mikromechanische Element 700 stellt beispielsweise eine Kombination des in 1 bis 4 dargestellten und beschriebenen Konzepts mit dem in 5 beschriebenen Konzept dar.
Der äußere Rahmen ist dann über die Halteelemente, den inneren Rahmen und die Verbindungsstücke mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement verbunden.
Das in 7 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel 700 kann mit Hilfe des beschriebenen Lösungsansatzes erfolgreich die aus der nichtlinearen Beanspruchung der Gesamtplatte (plattenförmiges, mikromechanisches Funktionselement) entstehende Abweichung vom idealen Deformationsprofil reduzieren. Die Auftrennung der gesamten Spiegelplatte in die zwei Teilplatten 510, 520 wurde durch offene Gräben 722 realisiert.
Beide Teilplatten sind durch mehrere Verbindungsstücke 122 miteinander verbunden. Die Anzahl und die Lage dieser Verbindungsstücke 122 kann wiederum mit Hilfe geometrischer Optimierungen bestimmt werden.
Durch das in 7 gezeigte Ausführungsbeispiel kann beispielsweise ein Mikrospiegel zur aktiven Fokusvariation realisiert werden, bei welchem eine kreisrunde Spiegelplatte durch einen kreisrunden offenen Graben 722 (mit Unterbrechung durch die Verbindungsstücke 122) und zwei Spiegelplatten 510 und 520 (erster und zweiter Teil des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements) aufgeteilt wird.
Wie bereits zuvor beschrieben kann eine weitere Reduzierung der Abweichung des Oberflächenprofils durch eine Aufteilung in mehrere Spiegelplatten ermöglicht werden. Dies ist beispielhaft an dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel 800 in 8 gezeigt. Hier wurde die Spiegelplatte in drei Teilplatten 510, 520 und 830 mit Hilfe offener Gräben 722 aufgeteilt. Die Teilstücke der Spiegelplatte sind wiederum durch die Verbindungsstücke 122 miteinander verbunden.
Theoretisch müssten die optimalen Durchmesser der Teilplatten:
betragen. Da jedoch die Teilplatten nicht ideal elastisch über die Verbindungsstücke 122 miteinander verbunden sind und sich somit gegenseitig beeinflussen, weichen die durch geometrische Optimierung herausgefundenen Verhältnisse d₁/d und d₂/d hiervon ab. Die Größe der Teilplatten und die Anzahl und Lage der Verbindungsstücke kann wiederum durch geometrische Optimierung herausgefunden werden.
Das mikromechanische Element 800 ermöglicht ebenso z. B. eine Realisierung eines Mikrospiegels zur aktiven Fokusvariation, bei welchem eine kreisrunde Spiegelplatte durch zwei kreisrunde offene Gräben 722 (unterbrochen durch Verbindungsstücke 122) in drei Spiegelplatten 510, 520 und 830 aufgeteilt wird.
Durch das Einfügen von offenen Gräben (Spalte) in der optisch aktiv genutzten Fläche des Bauelementes (Spiegelplatte) kann es zu Beugungseffekten des reflektierten Lichtes kommen. Die Beugungseffekte können je nach Zielanwendung dadurch minimiert werden, dass die Gräben wesentlich breiter als die Wellenlänge des einfallenden Lichtes ausgeführt werden.
Die in den 5 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele können mehrere Vorteile haben.
Es kann z. B. eine Minimierung der Abweichung vom idealen Deformationsprofil durch das Aufteilen in Teilspiegelplatten unabhängig von der aktiv einstellbaren Spiegelkrümmung und demnach für alle aktiv einstellbaren Fokuslängen des Mikrospiegels (die Verhältnisse d/d₁ und d/d₂ ... ist keine Funktion von der Durchbiegung w) ermöglichen. Des Weiteren kann die Abweichung vom idealen Deformationsprofil bei großen Auslenkungen des Fokussierspiegels auch dann verringert werden, wenn die Durchbiegung größer als die gesamte Plattendicke ist. Demnach können auch dünne Platten verwendet werden, welche mit geringeren aktiv eingekoppelten Dehnungen verkrümmt werden können. Daraus kann sich im Fall eines thermomechanischen Antriebsprinzips aber auch bei der Verwendung magnetoaktiven Materialien eine Reduzierung der Leistungsaufnahme und im Fall der Verwendung von elektroaktiven Materialien eine Verringerung der elektrischen Antriebsspannung des Bauelements ergeben. Ferner kann die Lösungsidee ohne Mehraufwand bei der Herstellung des Bauelements realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Konzept bezieht sich allgemein auf ein plattenförmiges, mikromechanisches Funktionselement, das eine Hauptfläche mit veränderbarer Krümmung aufweist. Die gemachten Ausführungen gelten dabei unabhängig von dem (zur Veränderung der Krümmung) genutzten Antriebsprinzip und dem exakten vertikalen Schichtaufbau (Schichtanzahl, Schichtdicken, Materialien, ...), sofern die Spiegelplatte (oder allgemein das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement) z. B. durch eine aktiv einstellbare, laterale Dehnung innerhalb irgendeiner Schicht verkrümmt werden kann. Daher kann allgemein von einem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement mit veränderbarer Krümmung oder, in Bezug auf Spiegelplatten, von aktiv krümmbaren Spiegelplatten gesprochen werden.
Ist das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement als Spiegelplatte ausgelegt, so kann die Spiegelplatte eine für die Zielanwendung geeignete Verspiegelungsschicht aufweisen. Dies kann, aber muss nicht, ein mechanisch aktives Material (z. B. eine metallische Elektrode) eines Monomorphs oder Bimorphs sein.
In einigen Ausführungsbeispielen gemäß der Erfindung weist das mikromechanische Element eine Krümmungssteuerungsvorrichtung auf. Die Krümmungssteuerungsvorrichtung kann eine Veränderung der Krümmung des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements basierend auf einer steuerbaren Anregung steuern. Die steuerbare Anregung kann beispielsweise eine elektrische, thermische oder magnetische Anregung sein.
Um die aktiv veränderbare Krümmung der Hauptfläche zu ermöglichen, kann das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement beispielsweise zumindest eine Schicht mit einer bezüglich der Hauptfläche lateral veränderbaren Ausdehnung aufweisen, um eine Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements basierend auf der steuerbaren Anregung zu verändern. Die Schicht mit veränderbarer Ausdehnung kann dabei beispielsweise eine piezoelektrische Schicht, eine elektrostriktive Schicht, eine thermomechanische Schicht, eine piezomagnetische Schicht oder eine magnetostriktive Schicht sein.
Das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement kann dazu beispielsweise eine Mehrzahl von zur Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements parallelen Schichten umfassen. Dabei weisen zumindest zwei Schichten unterschiedliche Materialien auf (z. B. eine Trägerschicht und eine Schicht mit veränderbarer Ausdehnung oder eine Elektrode und eine Schicht mit veränderbarer Ausdehnung).
Beispielsweise kann das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement beispielsweise fünf zur Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements parallele Schichten aufweisen. Die fünf Schichten setzen sich dabei aus drei Elektrodenschichten und zwei piezoelektrischen Schichten in abwechselnder Reihenfolge zusammen. Durch das Anlegen einer Spannung an die Elektrodenschichten verändern die piezoelektrischen Schichten basierend auf dem piezoelektrischen Effekt ihre laterale Ausdehnung und führen zu einer Veränderung der Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements.
Dadurch kann beispielsweise ein vertikal symmetrisch aufgebauter piezoelektrischer Bimorph, der zumindest diese fünf Schichten aufweist, realisiert werden.
Die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements kann in einem gekrümmten Zustand ein parabolisches oder sphärisches Deformationsprofil aufweisen. Dies bezieht sich insoweit auf ein parabolisches oder sphärisches Deformationsprofil als diese in Rahmen von verbleibenden Abweichungen vom idealen parabolischen oder sphärischen Deformationsprofil erreichbar sind.
Die Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements kann statisch, quasi statisch oder resonant verkrümmbar sein. Durch eine resonante Verkrümmung kann meistens eine größere maximale Krümmung erreicht werden als im quasi statischen oder stationären Zustand, jedoch wird diese maximale Krümmung immer nur für kurze Zeit erreicht.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf einen krümmbaren Mikrospiegel für die aktive Fokusvariation und eine Reduzierung des Fehlers des Oberflächendeformationsprofils eines Mikrospiegels für die aktive Fokusvariation. Die Fokusvariation wird dabei durch eine Veränderung der Krümmung einer Spiegelplatte (oder allgemein eines plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements) erreicht.
Solche Mikrospiegel können beispielsweise allgemein für die Fokussierung von Laserstrahlen, wie z. B. für die Einstellung der Tiefenschärfe bei der Materialbearbeitung (Schneiden, Markieren, ...) oder für die Nachführung der Fokuslänge bei Strichcodelasern oder der Laser-basierten Objektvermessung verwendet werden. Genauso können solche Mikrospiegel für Fokus- und Zoomanwendungen in bildgebenden und bildaufnehmenden Systemen, wie z. B. in Projektoren, in Photokameras, in Konfokalmikroskopen oder in der optischen Kohärenztomographie (OCT) verwendet werden. Des Weiteren können solche Mikrospiegel beim Auslesen mehrlagiger optischer Datenträger (z. B. Mehrschicht-DVDs) eingesetzt werden.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine mikromechanisch gefertigte und aktiv krümmbare Spiegelplatte 110, die über einen kreisförmigen Ring 120 (innerer Rahmen) oder mit Hilfe von verteilten Federn 426, 428 über Verbindungsstücke 122 und Federelemente 132 mit dem festen Rahmen 130 (äußerer Rahmen) des Bauelements (mikromechanisches Element) verbunden ist.
Alternative Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf eine mikromechanisch gefertigte und aktiv krümmbare Spiegelplatte 110, die durch einen oder mehrere offene Gräben 722 in mindestens zwei Teilplattenstücke 510 520, 830 voneinander getrennt und über mehrere Verbindungsstücke 122 miteinander verbunden ist.
Die zwei zuvor genannten Alternativen können auch miteinander kombiniert werden.
Die Spiegelplatte kann dabei zumindest zwei Materialschichten umfassen. Des Weiteren kann die Spiegelplatte eine kreisrunde, elliptische oder rechteckige Form besitzen oder in einer polygonartigen Freiform ausgeführt sein. Ferner kann die Spiegelplatte durch klammerartige Federelemente 132 oder über mäanderförmige Federelemente mit einem festen Rahmen 130 verbunden sein. Zusätzlich kann die Spiegelplatte beispielsweise durch den thermomechanischen, piezoelektrischen, elektrostriktiven, piezomagnetischen oder magnetostriktiven Effekt innerhalb mindestens einer Festkörperschicht aktiv verkrümmt werden.
Des Weiteren kann die Spiegelplatte beispielsweise so verkrümmt werden, dass diese das reflektierte Licht in einem Brennpunkt sammelt. In anderen Worten, die Spiegelplatte kann ausgelegt sein, um so verkrümmt zu werden, dass einfallendes Licht reflektiert und in einem Brennpunkt fokussiert wird. Dazu kann die Spiegelplatte beispielsweise so verkrümmt werden, dass die Krümmung der Spiegelplatte ein parabolisches oder sphärisches Deformationsprofil aufweist.
Ferner kann die Spiegelplatte z. B quasi-statisch oder resonant aktiv verkrümmt werden.
Das erfindungsgemäße Konzept kann beispielsweise dazu verwendet werden, ein Strahlprofil (eines einfallenden Lichtstrahls) gezielt zu korrigieren und/oder beliebig zu verformen (beeinflussen).
Das erfindungsgemäße Konzept kann ferner z. B. für die Fokussierung von Laserstrahlen beim Schneiden, Markieren und/oder Schweißen von Materialien, für die Nachführung der Fokuslänge bei laserbasierten Strichcodescannern, für Zoom- und Fokusanwendungen in bildaufnehmenden und bildgebenden Systemen, wie z. B. Projektoren, Photokameras, Konfokalmikroskopen und in der optischen Kohärenztomographie, oder für das Auslesen mehrlagiger optischer Datenträger verwendet werden.
Einige Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung beziehen sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Elements gemäß dem zuvor beschriebenen Konzept. Das Verfahren umfasst ein Ätzen von offenen Gräben, um die Form des mikromechanischen Elements festzulegen. Durch die offenen Gräben kann die Form des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und des äußeren Rahmens als auch die Form des inneren Rahmens sowie die Form des ersten Teils und/oder die Form des zweiten Teils des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements definiert werden.

Claims

Mikromechanisches Element (100, 150, 300, 400) mit folgenden Merkmalen: einem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110), wobei eine Krümmung einer Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) veränderbar ist, einem inneren Rahmen (120), der das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement (110) entlang eines Randes der Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) umschließt und über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken (122) mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110) verbunden ist; und einem äußeren Rahmen (130), der über zumindest zwei Halteelemente (132) mit dem inneren Rahmen (120) verbunden ist, wobei der innere Rahmen (120) mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110) und dem äußeren Rahmen (130) verbunden ist, so dass ein Betrag eines ersten Winkels (228) zwischen der Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) an dem Rand (214) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) und einer Hauptfläche (222) des inneren Rahmens (120) an einem dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110) zugewandten Rand (224) des inneren Rahmens (120) kleiner ist als ein Betrag eines zweiten Winkels (238) zwischen einer Hauptfläche (232) des äußeren Rahmens (130) und der Hauptfläche (222) des inneren Rahmens (120) an einem dem äußeren Rahmen (130) zugewandten Rand (226) des inneren Rahmens (120), wenn die Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) in einem gekrümmten Zustand ist.
Mikromechanisches Element gemäß Anspruch 1, wobei zwischen dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110) und dem inneren Rahmen (120) an Stellen, an denen keine Verbindungsstücke (122) angeordnet sind, offene Gräben das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement (110) und den inneren Rahmen (120) voneinander trennen.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement (110), der innere Rahmen (120) und der äußere Rahmen (130) eine gemeinsame monolithische Schicht oder einen gemeinsamen Schichtstapel aufweisen.
Mikromechanisches Element gemäß Anspruch 3, wobei die gemeinsame monolithische Schicht oder der gemeinsame Schichtstapel durch offene Gräben strukturiert ist, um eine Form des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110), eine Form des inneren Rahmens (120) und eine Form des äußeren Rahmens (130) festzulegen.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Halteelemente (132) ausgelegt sind, um den inneren Rahmen (110) gegenüber dem äußeren Rahmen (130) beweglich zu verbinden.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement (110) rund ist und der innere Rahmen (120) einen kreisförmigen Ring um das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement (110) bildet.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest ein Verbindungsstück (122) der Mehrzahl von Verbindungsstücken (122) zwischen dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement (110) und dem inneren Rahmen (120) als Federelement in den inneren Rahmen (120) integriert ist, wobei ein Teil des Federelements durch einen entlang des Randes des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) verlaufenden Teil des inneren Rahmens (120) gebildet wird.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der innere Rahmen (120) ausgelegt ist, um eine Abweichung eines Deformationsprofils der Hauptfläche (312) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) von einem idealen Deformationsprofil der Hauptfläche (212) zu reduzieren.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement (110) einen ersten Teil (510) und einen zweiten Teil (520) aufweist, wobei der zweite Teil (520) den ersten Teil (510) entlang eines Randes des ersten Teils umschließt und über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken (122) mit dem ersten Teil (510) verbunden ist, wobei der erste Teil (510) und der zweite Teil (520) die Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements bilden, und wobei eine Krümmung der Hauptfläche (212) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) durch eine Veränderung einer Krümmung des ersten Teils (510) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) und einer Krümmung des zweiten Teils (520) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements (110) veränderbar ist.
Mikromechanisches Element (500, 550) mit folgenden Merkmalen: einem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement mit einem ersten Teil (510) und einem zweiten Teil (520), wobei der zweite Teil (520) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements den ersten Teil (510) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements entlang eines Randes des ersten Teils (510) umschließt und über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken (122) mit dem ersten Teil (510) verbunden ist, wobei der erste Teil (510) und der zweite Teil (520) eine Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements bilden, und wobei eine Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements durch eine Veränderung einer Krümmung des ersten Teils (510) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und einer Krümmung des zweiten Teils (520) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements veränderbar ist, wobei das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement zumindest eine weitere Schicht mit einer bezüglich der Hauptfläche lateral veränderbaren Ausdehnung aufweist, die ausgelegt ist, um eine Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements basierend auf einer steuerbaren Anregung zu verändern; und einem äußeren Rahmen (130), der über zumindest zwei Halteelemente (132) mit dem plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselement verbunden ist.
Mikromechanisches Element gemäß Anspruch 10, wobei der erste Teil (510) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements kreisförmig ist und der zweite Teil (520) einen runden Ring um den ersten Teil (510) bildet.
Mikromechanisches Element gemäß Anspruch 11, wobei ein Durchmesser des ersten Teils (510) zu einem Außendurchmesser des zweiten Teils (520) ein Verhältnis von 1 zu √2 mit einer Toleranz von 20% des Durchmessers des ersten Teils (510) aufweist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement einen dritten Teil (830) aufweist, wobei der dritte Teil (830) den zweiten Teil (520) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements entlang eines Randes des zweiten Teils (520) umschließt und über eine Mehrzahl von Verbindungsstücken (122) mit dem zweiten Teil (520) verbunden ist, wobei der dritte Teil (830) gemeinsam mit dem ersten Teil (510) und dem zweiten Teil (520) die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements bildet, und wobei die Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements durch eine Veränderung einer Krümmung des ersten Teils (510) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements, einer Krümmung des zweiten Teils (520) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und einer Krümmung des dritten Teils (830) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements veränderbar ist.
mikromechanisches Element gemäß Anspruch 13, wobei der dritte Teil (830) einen runden Ring um den zweiten Teil (520) bildet.
Mikromechanisches Element gemäß Anspruch 14, wobei ein Außendurchmesser des zweiten Teils (520) zu einem Außendurchmesser des dritten Teils (830) ein Verhältnis von √2 zu √3 mit einer Toleranz von 20% des Außendurchmessers des zweiten Teils (520) aufweist, und wobei ein Durchmesser des ersten Teils (510) zu einem Außendurchmesser des dritten Teils (830) ein Verhältnis von 1 zu √3 mit einer Toleranz von 20% des Durchmessers des ersten Teils (510) aufweist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die Krümmung der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements durch eine aktive Veränderung einer Krümmung des ersten Teils (510) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements und eine aktive Veränderung einer Krümmung des zweiten Teils (520) des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements veränderbar ist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement eine runde, ovale, quadratische, rechteckige oder vieleckige Form oder eine polygonartige Freiform aufweist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, das eine Krümmungssteuerungsvorrichtung aufweist, die ausgelegt ist, um eine Veränderung der Krümmung des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements basierend auf einer steuerbaren Anregung zu steuern.
Mikromechanisches Element gemäß Anspruch 18, wobei die steuerbare Anregung eine elektrische, thermische oder magnetische Anregung ist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 10 bis 19, wobei die Schicht mit veränderbarer lateraler Ausdehnung eine piezoelektrische Schicht, eine elektrostriktive Schicht, eine thermomechanische Schicht, eine piezomagnetische Schicht oder eine magnetostriktive Schicht ist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement eine Mehrzahl von zu der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements parallelen Schichten umfasst, wobei zumindest zwei Schichten unterschiedliche Materialien aufweisen.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei das plattenförmige, mikromechanische Funktionselement fünf zu der Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements parallele Schichten aufweist, wobei eine zweite Elektrodenschicht zwischen einer ersten Elektrodenschicht und einer dritten Elektrodenschicht angeordnet ist, eine erste piezoelektrische Schicht zwischen der ersten Elektrodenschicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist und eine zweite piezoelektrische Schicht zwischen der zweiten Elektrodenschicht und der dritten Elektrodenschicht angeordnet ist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements eine reflektierende Oberfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements bildet.
Mikromechanisches Element gemäß Anspruch 23, wobei die Krümmung der Hauptfläche veränderbar ist, so dass von der Hauptfläche reflektiertes Licht in einem Brennpunkt fokussiert wird.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Hauptfläche krümmbar ist, so dass die Hauptfläche ein parabolisches oder sphärisches Deformationsprofil aufweist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25, wobei die Krümmung der Hauptfläche statisch, quasi statisch oder resonant verkrümmbar ist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 26, wobei die Halteelemente als Federelemente ausgeführt sind.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die Halteelemente klammerartige Federelemente oder mäanderförmige Elemente sind.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 28, wobei zwischen dem ersten Teil (510) und dem zweiten Teil (520) an Stellen, an denen keine Verbindungsstücke (122) angeordnet sind, offene Gräben den ersten Teil (510) und den zweiten Teil (520) voneinander trennen.
Mikromechanisches Element gemäß Anspruch 29, wobei die offenen Gräben einen Abstand zwischen dem ersten Teil (510) und dem zweiten Teil (520) bilden, wobei der Abstand größer ist als eine Wellenlänge von Licht für die die Hauptfläche des plattenförmigen, mikromechanischen Funktionselements reflektierende Eigenschaften aufweist.
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei eine Anzahl von Verbindungsstücken (122) größer ist als eine Anzahl von Halteelementen (132).
Mikromechanisches Element gemäß einem der Ansprüche 1 bis 31, das ausgelegt ist, um ein Strahlprofil gezielt zu korrigieren oder beliebig zu verformen, um Laserstrahlen beim Schneiden, Markieren oder Schweißen von Materialien zu fokussieren, um eine Fokuslänge bei Strichcodescannern nachzuführen, um bei Zoom- und Fokusanwendungen in Bild aufnehmenden und Bild gebenden Systemen durchzuführen oder um mehrlagige optische Datenträger auszulesen.