DE102016200595A1

DE102016200595A1 - Mikromechanisches Bauteil und Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil

Info

Publication number: DE102016200595A1
Application number: DE102016200595.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Pinter; Johannes Baader; Frederic Njikam Njimonzie; Joerg Muchow; Helmut Grutzeck; Stefan Mark; Nicolas Schorr; Daniel Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-07-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einer Halterung (10), und einem über zumindest eine Feder (12) mit der Halterung (10) verbundenen verstellbaren Teil (14), wobei die mindestens eine Feder (12) so ausgebildet ist, dass das verstellbare Teil (14) in Bezug zu der Halterung (10) um eine Drehachse (16) verstellbar ist, und wobei das mikromechanische Bauteil mindestens einen an dem verstellbaren Teil (14) angeordneten Kühlkamm (18) aufweist. Ebenso betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Bilden einer Halterung (10) und eines über zumindest eine Feder (12) mit der Halterung (10) verbundenen verstellbaren Teils (14), wobei die mindestens eine Feder (12) so ausgebildet wird, dass das verstellbare Teil (14) bei einem späteren Betrieb des mikromechanischen Bauteils in Bezug zu der Halterung (10) um eine Drehachse (16) verstellt wird, und wobei das verstellbare Teil (14) mit mindestens einem daran angeordneten Kühlkamm (18) gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der DE 10 2010 064 218 A1 ist ein magnetisch antreibbarer Mikrospiegel beschrieben. Der magnetisch antreibbare Mikrospiegel weist als Teil seines Gehäuses einen äußeren Rahmen auf, an welchem ein Spulenkörper mit einem daran befestigten Spiegelelement zwischen zwei Torsionsfedern aufgehängt ist. In dem Gehäuse des magnetisch antreibbaren Mikrospiegels ist auch ein Magnet so angeordnet, dass Feldlinien eines Magnetfelds des Magneten durch mindestens eine auf dem Spulenkörper angeordnete Spule verlaufen. Durch ein Bestromen der mindestens einen Spule soll das Spiegelelement um eine sich entlang der Torsionsfeder erstreckenden Drehachse verstellbar sein.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft eine mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft mikromechanische Bauteile mit einem um die vorgegebene Drehachse verstellbaren Teil, welches aufgrund seiner Ausstattung zumindest mit dem einen Kühlkamm einen guten Überhitzungsschutz aufweist. Beispielsweise kann eine vergleichsweise hohe optische Leistung (z.B. eine relativ hohe Laserleistung) auf zumindest eine Untereinheit des verstellbaren Teils gerichtet werden, wobei die an dem verstellbaren Teil freigesetzte Wärmeenergie mittels zumindest des einen Kühlkamms vergleichsweise schnell in eine äußere Umgebung des verstellbaren Teils abführbar ist. Entsprechend kann auch eine relativ hohe Stromstärke durch zumindest eine Untereinheit des verstellbaren Teils geleitet werden, wobei gleichzeitig eine gute Wärmeabführung über zumindest den einen Kühlkamm in die äußere Umgebung des verstellbaren Teils gewährleistet ist. Ein Auftreten von Beeinträchtigungen oder Beschädigungen an dem verstellbaren Teil aufgrund von dessen Überhitzung muss somit während eines Betriebs des mittels der vorliegenden Erfindung realisierten mikromechanischen Bauteils nicht befürchtet werden.
Der mindestens eine Kühlkamm eignet sich gegenüber der zumindest einen Feder, über welche das verstellbare Teil mit der Halterung verbunden ist, weitaus besser zur Wärmeabführung. Federn zum Anbinden/Aufhängen einer verstellbaren Komponente an der zugeordneten Halterung weisen im Allgemeinen einen vergleichsweise geringen Querschnitt und eine relativ große Länge auf, um eine gute rotatorische Beweglichkeit der verstellbaren Komponente gegenüber ihrer Halterung zu gewährleisten. Dadurch besitzen diese Federn allerdings auch einen relativ hohen Wärmeübergangswiderstand und eignen sich somit kaum zur Wärmeabführung von der verstellbaren Komponente über die mindestens eine daran angebundene Feder zu deren Halterung. Zusätzlich kann eine Temperaturerhöhung in der mindestens einen (häufig aus Silizium geformten) Feder zu einer Erhöhung ihres Wärmeübergangwiderstands führen. Ebenso wird darauf hingewiesen, dass eine das verstellbare Teil umgebende Luft eine Wärmeleitfähigkeit aufweist, welche um vier Größenordnungen geringer als die des Siliziums ist. Eine Konvektion tritt in der Regel während eines normalen Verstellens der verstellbaren Komponente kaum auf. Die vorliegende Erfindung trägt somit durch die Ausstattung des verstellbaren Teils mit dem mindestens einen Kühlkamm erheblich zur Verbesserung/Steigerung eines Wärmeabtransports von dem verstellbaren Teil zu der Halterung bei.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist mindestens ein an der Halterung angeordneter Gegenkamm so benachbart zu dem einzigen Kühlkamm des mikromechanischen Bauteils oder einem der Kühlkämme des mikromechanischen Bauteils angeordnet, dass je ein Kühlzinken des jeweiligen Kühlkamms in ein von zwei benachbarten Kühlzinken des zugeordneten Gegenkamms aufgespanntes Zwischenvolumen hineinragt. Der mindestens eine Kühlkamm und der ihm jeweils zugeordnete Gegenkamm können somit als verzahnte Kämme umschrieben werden. Durch die mittels dieser Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils realisierte Verwendung von mindestens einem Paar verzahnter Kämme, von denen der Kühlkamm an dem verstellbaren Teil und der Gegenkamm an der Halterung fest angeordnet sind, können ein Abstand zwischen dem verstellbaren Teil und der Halterung deutlich reduziert und/oder eine Wärmeaustauschfläche zwischen dem verstellbaren Teil und der Halterung signifikant gesteigert werden. Dies verbessert/steigert den Wärmeabfluss von dem verstellbaren Teil zu der Halterung.
Beispielsweise kann bei einem Vorliegen des verstellbaren Teils in seiner Ausgangsstellung mindestens 30 % eines Volumens des jeweils zugeordneten Kühlzinkens in jedes von zwei benachbarten Kühlzinken des zugeordneten Gegenkamms aufgespannte Zwischenvolumen hineinragen. Insbesondere können bei einem Vorliegen des verstellbaren Teils in seiner Ausgangsstellung mindestens 50 % des Volumens des jeweils zugeordneten Kühlzinkens, speziell mindestens 65 % des Volumens des jeweils zugeordneten Kühlzinkens, bei einem Vorliegen des verstellbaren Teils in seiner Ausgangsstellung in jedes von zwei benachbarten Kühlzinken des zugeordneten Gegenkamms aufgespannte Zwischenvolumen hineinragen. Dies schafft eine schnelle und verlässliche Wärmeabführung von dem verstellbaren Teil zu der Halterung über das mindestens eine Paar verzahnter Kämme.
Bevorzugter Weise liegt während eines gesamten Betriebs des mikromechanischen Bauteils zum Verstellen des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung um die Drehachse ein gleiches elektrisches Potential an dem mindestens einen an dem verstellbaren Teil angeordneten Kühlkamm und an dem mindestens einen ihm zugeordneten Gegenkamm an. Der mindestens eine an dem verstellbaren Teil angeordnete Kühlkamm und der mindestens eine ihm zugeordnete Gegenkamm sind damit nicht zum Anlegen einer Spannung zwischen ihnen während des Betriebs des mikromechanischen Bauteils ausgelegt. Das Verstellen des verstellbaren Teils um die Drehachse (oder eine eventuell zusätzlich dazu ausführbare Verstellbewegung des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung) wird somit nicht über ein Anlegen von unterschiedlichen Potentialen an dem mindestens einen Kühlkamm und dem mindestens einen ihm zugeordneten Gegenkamm bewirkt.
In einer einfachen und kostengünstig herstellbaren Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils ist der mindestens eine Gegenkamm an einem Verkappungsteil des mikromechanischen Bauteils als Untereinheit der Halterung angeordnet. In diesem Fall können leicht und billig ausführbare Verfahren zum Herausstrukturieren des Verkappungsteils mit dem mindestens einen Gegenkamm aus einem Halbleitersubstrat, z.B. einem Siliziumsubstrat, zur Herstellung des mikromechanischen Bauteils genutzt werden.
Vorzugsweise sind der mindestens eine an dem verstellbaren Teil angeordnete Kühlkamm und/oder der mindestens eine zugeordnete Gegenkamm jeweils metalllos, kontaktlos und leiterbahnlos ausgebildet. Der mindestens eine Kühlkamm und/oder der mindestens eine ihm zugeordnete Gegenkamm sind somit selbst bereichsweise nicht aus einem Metall gebildet. Stattdessen können der mindestens eine an dem verstellbaren Teil angeordnete Kühlkamm und/oder der mindestens eine zugeordnete Gegenkamm jeweils vollständig aus undotiertem Silizium ausgebildet sein. Außerdem weisen der mindestens eine Kühlkamm und/oder der mindestens eine zugeordnete Gegenkamm weder einen Kontakt noch eine Leiterbahn zum Anlegen einer Spannung auf.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils umfasst das verstellbare Teil einen Spulenkörper mit mindestens einer daran angeordneten Spule, wobei der mindestens eine Kühlkamm an dem Spulenkörper angeordnet ist. Da ein Bestromen der mindestens einen Spule häufig mit einer Wärmeenergieumwandlung verbunden ist, kann bei der hier beschriebenen Ausführungsform die durch das Bestromen der mindestens einen Spule entstehende Wärmeenergie gezielt mittels des mindestens einen Kühlkamms des Spulenkörpers zu der Halterung weitergeleitet werden. Selbst ein Bestromen der mindestens einen Spule mit einer vergleichsweise hohen Stromstärke führt somit nicht zu einer Überhitzung des Spulenkörpers/des verstellbaren Teils.
Insbesondere kann das mikromechanische Bauteil als Mikrospiegelvorrichtung mit einer Spiegelplatte ausgebildet sein, wobei ein Teil des Spulenkörpers zwischen zwei darin ausgebildeten durchgehenden Öffnungen als Verankerungsbereich der Spiegelplatte ausgebildet ist und der mindestens eine Kühlkamm an dem Verankerungsbereich der Spiegelplatte verankert ist. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform ist die Ausstattung des Spulenkörpers mit dem mindestens einen Kühlkamm ohne eine Zunahme eines Bauraumbedarfs des mikromechanischen Bauteils realisiert.
Die vorausgehend beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen des korrespondierenden Herstellungsverfahrens gewährleistet. Es wird darauf hingewiesen, dass das Herstellungsverfahren gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils weiterbildbar ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
3a und 3b schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 1 schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist eine Halterung 10 und ein über zumindest eine Feder 12 mit der Halterung 10 verbundenes verstellbares Teil 14 auf. Die Halterung 10 kann insbesondere als ein das verstellbare Teil 14 teilweise oder vollständig umgebendes Gehäuse ausgebildet sein. Die mindestens eine Feder 12 ist so ausgebildet, dass das verstellbare Teil 14 (mittels einer bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils auf das verstellbare Teil 14 bewirkbaren Kraft) in Bezug zu der Halterung 10 um eine Drehachse 16 verstellbar ist. Es wird darauf hingewiesen, dass unter einer (mittels der beim Betrieb des mikromechanischen Bauteils bewirkbaren Kraft ausgelösten) Verstellbewegung des verstellbaren Teils 14 in Bezug zu der Halterung 10 um die Drehachse 16 eine Verstellbewegung des verstellbaren Teils 14 in seiner Gesamtheit zu verstehen ist.
Die Verstellbewegung des verstellbaren Teils 14 in Bezug zu der Halterung 10 um die Drehachse 16 wird vorzugsweise von einer Aktoreinrichtung bewirkt, welche zumindest teilweise an dem mikromechanischen Bauteil ausgebildet ist. Die Aktoreinrichtung kann z.B. eine piezoelektrische, elektrostatische und/oder magnetische Aktoreinrichtung sein. Eine Ausbildbarkeit der Aktoreinrichtung ist jedoch nicht auf die hier genannten Beispiele beschränkt. Die Aktoreinrichtung kann auch nur teilweise an dem mikromechanischen Bauteil ausgebildet sein. Beispielsweise kann zum Bewirken der Verstellbewegung des verstellbaren Teils 14 in Bezug zu der Halterung 10 um die Drehachse 16 auch mindestens ein externer Magnet mitbenutzt werden.
Die Halterung 10, die zumindest eine Feder 12 und das verstellbare Teil 14 können zumindest teilweise aus einem Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, gebildet sein. Insbesondere können die Halterung 10, die zumindest eine Feder 12 und das verstellbare Teil 14 zumindest teilweise aus einem Halbleitersubstrat, insbesondere einem Siliziumsubstrat, herausstrukturiert sein. Vor allem ein Herausstrukturieren der zumindest einen Feder 12 zusammen mit einem Teilbereich der Halterung 10 und einem Teilbereich des verstellbaren Teils 14 erleichtert ein Realisieren einer Aufhängung/Anbindung des verstellbaren Teils 14 an der Halterung 10 über die zumindest eine Feder 12.
Lediglich beispielhaft ist in der hier beschriebenen Ausführungsform das verstellbare Teil 14 zwischen einer ersten Feder 12 und einer zweiten Feder 12 (als der zumindest einen Feder 12) an der Halterung 10 aufgehängt, wobei sich die erste Feder 12 und die zweite Feder 12 (als Torsionsfedern 12) jeweils entlang der Drehachse 16 erstrecken. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Ausbildbarkeit des mikromechanischen Bauteils nicht auf eine bestimmte Federanzahl, eine spezielle Federanordnung oder nur einen Federtyp limitiert ist. Insbesondere ist eine Vielzahl verschiedener Federtypen an dem mikromechanischen Bauteil einsetzbar.
Die zumindest eine Feder 12 hat für einen Abtransport von Wärme von dem verstellbaren Teil 14 zu der Halterung 10 eine thermische Leitfähigkeit σ₁₂, welche sich nach Gleichung (Gl. 1) ergibt mit: σ₁₂ = k₁₂ A / l (Gl. 1) wobei k₁₂ eine spezifische Wärmeleitfähigkeit eines Materials der zumindest einen Feder 12, A eine Querschnittsfläche der zumindest einen Feder 12 und l eine Länge der zumindest einen Feder 12 sind. Um eine gute rotatorische Beweglichkeit des verstellbaren Teils 14 um die Drehachse 16 zu gewährleisten, ist es häufig wünschenswert, die zumindest eine Feder 12 mit einem möglichst kleinen Querschnitt A und einer möglichst großen Länge l auszubilden. Die zumindest eine Feder 12 weist deshalb häufig nur eine thermische Leitfähigkeit σ₁₂ von etwa 2,5 × 10^–4 W/K (Watt/Kelvin) auf, und eignet sich deshalb kaum für einen verlässlichen/raschen Abtransport von Wärme von dem verstellbaren Teil 14 zu der Halterung 10.
Eine thermische Leitfähigkeit der zwischen dem verstellbaren Teil 14 und der Halterung 10 vorliegenden Luft wird durch die zum Gewährleisten einer Bewegungsfreiheit des verstellbaren Teils 14 gewünschten vergleichsweise großen Abstände zwischen dem verstellbaren Teil 14 und der Halterung 10 und der relativ niedrigen spezifischen Wärmeleitfähigkeit von Luft stark beeinträchtigt. (Während eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von Kupfer bei etwa 400 W/mK (Watt/Meter mal Kelvin) und von Silizium bei etwa 150 W/mK (Watt/Meter mal Kelvin) liegt, beträgt die spezifische Wärmeleitfähigkeit von Luft lediglich 0,03 W/mK (Watt/Meter mal Kelvin).) Außerdem findet eine Konvektion im Inneren eines mikromechanischen Bauteils in der Regel kaum statt. Somit ist auch über die das verstellbare Teil 14 umgebende Luft kaum ein verlässlicher/rascher Wärmeabtransport von dem verstellbaren Teil 14 zu der Halterung 10 gewährleistet.
Allerdings weist das mikromechanische Bauteil mindestens einen an dem verstellbaren Teil 14 angeordneten/ausgebildeten Kühlkamm 18 auf. Über den mindestens einen an dem verstellbaren Teil 14 angeordneten Kühlkamm 18 kann Wärmeenergie relativ schnell und verlässlich von dem verstellbaren Teil 14 auf die Halterung 10 übertragen werden. Insbesondere kann der mindestens eine Kühlkamm 18 so ausgebildet sein, dass er mindestens einen Zwischenspalt zwischen einem Kühlkamm-losen Rest des verstellbaren Teils 14 und der Halterung 10 zumindest teilweise überbrückt. Wärmeenergie kann somit leicht über den mindestens einen Kühlkamm 18 von dem verstellbaren Teil 14 auf die Halterung 10 übertragen werden, ohne dass eine Drehbarkeit des verstellbaren Teils 14 um die Drehachse 16 durch die Ausstattung des verstellbaren Teils 14 mit dem mindestens einen Kühlkamm 18 beeinträchtigt wird. Der mindestens eine Kühlkamm 18 trägt somit drastisch zur Reduzierung eines dem Abtransport von Wärme von dem verstellbaren Teil 14 zu der Halterung 10 entgegenwirkenden thermischen (Gesamt-)Widerstands bei. Ein weiterer Wärmeabtransport von der Halterung 10 in deren äußere Umgebung ist anschließend leicht sicherstellbar. (Da Möglichkeiten zur Gewährleistung eines Wärmeabtransports von der Halterung 10 in deren äußere Umgebung bekannt sind, wird hier nicht genauer darauf eingegangen.)
Unter dem mindestens einen Kühlkamm 18 kann jeweils eine Vielzahl sich parallel zueinander erstreckender Kühlzinken (Kühlfinger) 18a verstanden werden, welche das verstellbare Teil 14 (direkt) kontaktieren, bzw. an dem verstellbaren Teil ausgebildet oder (direkt) befestigt sind. Die Kühlzinken/Kühlfinger 18a können in Quaderform, ellipsoider Form und/oder Dreieckstafelform ausgebildet sein.
Aufgrund der Ausstattung des verstellbaren Teils 14 mit dem mindestens einen Kühlkamm 18 kann eine vergleichsweise hohe optische Leistung auf mindestens eine Untereinheit des verstellbaren Teils 14, wie beispielsweise eine reflektierende Fläche 20 einer Spiegelplatte 22 (als Untereinheit des verstellbaren Teils 14), gerichtet werden, ohne dass eine Überhitzung des verstellbaren Teils 14 zu befürchten ist. Ein signifikantes/ starkes Erwärmen des verstellbaren Teils 14 aufgrund der Umwandlung von optischer Energie in Wärmeenergie ist aufgrund des Abtransports von Wärme über den mindestens einen Kühlkamm 18 verhindert. Ebenso kann zumindest eine Untereinheit des verstellbaren Teils 14, wie z.B. mindestens eine (schematisch wiedergegebene) Spule 24 an/auf dem verstellbaren Teil 14, mit einer relativ hohen Stromstärke bestromt werden, ohne dass deswegen eine signifikante Erwärmung/Überhitzung des verstellbaren Teils 14 in Kauf zu nehmen ist. Aufgrund des verlässlichen Abtransports von Wärme über den mindestens einen Kühlkamm 18 bleibt auch bei einer Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie eine annehmbare Temperatur des verstellbaren Teils 14 gewährleistet. Das verstellbare Teil 14 ist somit vielseitig einsetzbar und dennoch verlässlich vor einer signifikanten Erwärmung/Überhitzung geschützt.
Eine Beeinträchtigung/Beschädigung des verstellbaren Teils 14 aufgrund von dessen signifikanter Erwärmung/Überhitzung muss somit während des Betriebs des mikromechanischen Bauteils nicht befürchtet werden. Zusätzlich sind die vorausgehend beschriebenen Vorteile gewährleistet, ohne dass dazu auf die gewünschte Flexibilität der zumindest einen Feder 12 (aufgrund von deren relativ großer Länge l oder ihrer vergleichsweise kleinen Querschnittsfläche) oder auf einen vorteilhaft großen Freiraum zum Verstellen des verstellbaren Teils 14 um die Drehachse 16 verzichtet werden muss.
Der mindestens eine Kühlkamm 18 kann außerdem vergleichsweise einfach zusammen mit mindestens einem Teilbereich des verstellbaren Teils 14 aus einem Halbleitersubstrat, wie beispielsweise einem Siliziumsubstrat, herausstrukturiert werden. Da Silizium, bzw. ein anderes Halbleitermaterial, eine im Vergleich zur thermischen Leitfähigkeit von Luft um vier Größenordnungen höhere thermische Leitfähigkeit aufweist, kann somit ein für Halbleiterprozesse häufig genutztes Material zum Ausbilden des mindestens einen Kühlkamms 18 mitverwendet werden. Insbesondere kann der mindestens eine Kühlkamm 18 zusammen mit der zumindest einen Feder 12, zumindest einem Teilbereich der Halterung 10 und zumindest einem Teilbereich des Kühlkamm-losen Rests des verstellbaren Teils 14 aus dem Halbleitersubstrat herausstrukturiert sein. Die Ausstattung des verstellbaren Teils 14 mit dem mindestens einen Kühlkamm 18 trägt somit kaum zur Steigerung von Herstellungskosten des jeweiligen mikromechanischen Bauteils oder zur Vermehrung eines zu dessen Herstellung zu leistenden Arbeitsaufwands bei.
In der Ausführungsform der 1 ist auf jeder Seite der Drehachse 16 an dem verstellbaren Teil 14 mindestens ein Kühlkamm 18 verankert. Die Kühlkämme 18 können bezüglich der Drehachse 16 spiegelsymmetrisch ausgebildet sein. Außerdem erstrecken sich die Kühlzinken/Kühlfinger 18a des mindestens einen Kühlkamms 18 in der Ausführungsform der 1 senkrecht zu der Drehachse 16. Ein Trägheitsmoment des verstellbaren Teils 14 wird deshalb durch dessen Ausstattung mit den Kühlkämmen 18 kaum beeinträchtigt.
Das mikromechanische Bauteil der 1 ist beispielhaft als Mikrospiegelvorrichtung mit der Spiegelplatte 22 ausgebildet. Außerdem ist das mikromechanische Bauteil mit einer magnetischen Aktoreinrichtung ausgestattet. Das verstellbare Teil 14 umfasst deshalb einen Spulenkörper 26 mit der mindestens einen daran angeordneten Spule 24 (der magnetischen Aktoreinrichtung). Ein Teil des Spulenkörpers 26 zwischen zwei darin ausgebildeten durchgehenden Öffnungen 30 ist als Verankerungsbereich 28 der Spiegelplatte 22 ausgebildet. (Die Spiegelplatte 22 kann somit außerhalb einer Schicht des mindestens einen Kühlkamms 18, des Spulenkörpers 26 und/oder des Verankerungsbereichs 28 liegen und aus einem anderen Material als der mindestens eine Kühlkamm 18, der Spulenkörper 26 und/oder der Verankerungsbereich 28 gebildet sein.) Der mindestens eine Kühlkamm 18 ist an dem Verankerungsbereich 28 der Spiegelplatte 22, speziell an dessen parallel zu der Drehachse 16 ausgerichteten Flächen 32, verankert und erstreckt sich von der Drehachse 16 weg in die zugeordnete Öffnung 30. Die Ausstattung des verstellbaren Teils 14 mit dem mindestens einen Kühlkamm 18 steigert damit nicht dessen Ausdehnungen.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Als einziger Unterschied zu der zuvor beschriebenen Ausführungsform sind die Kühlkamme 18 des mikromechanischen Bauteils der 2 an den dem Verankerungsbereich 28 gegenüber liegenden Innenflächen 34 des Spulenkörpers 26, welche die zwei darin ausgebildeten durchgehenden Öffnungen 30 begrenzen und parallel zu der Drehachse 16 ausgerichtet sind, angeordnet/verankert und erstrecken sich von der zugeordneten Innenfläche 34 zu der Drehachse 16 hin in die zugeordnete Öffnung 30. Auch dies gewährleistet ein niedriges Trägheitsmoment des verstellbaren Teils 14 und einen verlässlichen Abtransport von Wärme über den mindestens einen Kühlkamm 18, insbesondere bei einer Umwandlung von elektrischer Energie in Wärmeenergie während eines Bestromens der mindestens einen Spule 24.
3a und 3b zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in 3a schematisch dargestellte mikromechanische Bauteil weist als Weiterbildung zu der Ausführungsform der 1 noch mindestens einen an der Halterung/dem Gehäuse 10 angeordneten Gegenkamm 40 auf. Der mindestens eine Gegenkamm 40 ist so benachbart zu dem einzigen Kühlkamm 18 des mikromechanischen Bauteils oder einem der Kühlkämme 18 des mikromechanischen Bauteils angeordnet, dass je ein Kühlzinken 18a des jeweiligen Kühlkamms 18 in ein von zwei benachbarten Kühlzinken 40a des zugeordneten Gegenkamms 40 aufgespanntes Zwischenvolumen hineinragt. Man kann den mindestens einen Kühlkamm 18 und den mindestens einen ihm zugeordneten Gegenkamm 40 auch als mindestens ein Paar verzahnter Kämme 18 und 40 umschreiben. Eine Wärmeleitfähigkeit σ₁₈₊₄₀ zwischen zwei verzahnten Kämmen 18 und 40 ergibt sich nach Gleichung (Gl. 2) mit:
wobei N eine Anzahl von Kühlzinken der verzahnten Kämme 18 und 40, k_air die spezifische Leitfähigkeit von Luft, h₁₈₊₄₀ eine Überlapphöhe der verzahnten Kämme 18 und 40, l₁₈₊₄₀ eine Überlapplänge der verzahnten Kämme 18 und 40 und d ein Abstand zwischen einem Kühlzinken 18a und einem Kühlzinken 40a der verzahnten Kämme 18 und 40 sind. Man erhält somit für die Wärmeleitfähigkeit σ₁₈₊₄₀ eines Paars verzahnter Kämme 18 und 40 beispielsweise einen Wert von 2,1 × 10^–2 W/K (Watt/Kelvin), was deutlich über einer thermischen Leitfähigkeit σ₁₂ der zumindest einen Feder 12 liegt.
Beispielsweise kann das mindestens eine Paar verzahnter Kämme 18 und 40 so ausgebildet sein, dass (bereits) bei einem Vorliegen des verstellbaren Teils 14 in seiner Ausgangsstellung mindestens 30 % eines Volumens des jeweils zugeordneten Kühlzinkens 18a in jedes von zwei benachbarten Kühlzinken 40a des zugeordneten Gegenkamms 40 aufgespannte Zwischenvolumen hineinragen. Insbesondere können(bereits) bei einem Vorliegen des verstellbaren Teils 14 in seiner Ausgangsstellung mindestens 50 % des Volumens des jeweils zugeordneten Kühlzinkens 18a, speziell mindestens 65 % des Volumens des jeweils zugeordneten Kühlzinkens 18a, in jedes von zwei benachbarten Kühlzinken 40a des zugeordneten Gegenkamms 40 aufgespannte Zwischenvolumen hineinragen. Ein (kurzzeitiges) Überlappen/Verzahnen /Ineinandergreifen von zwei zugeordneten Kämmen 18 und 40 kann sich jedoch auch erst durch die Verstellbewegung des verstellbaren Teils 14 in Bezug zu der Halterung 10 um die Drehachse 16 ergeben.
3b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A’ der 3a (senkrecht zur Drehachse 16) durch einen Kühlzinken 40a mindestens eines Gegenkamms 40. In der Ausführungsform der 3a und 3b umfasst die Halterung 10 ein Verkappungsteil 10a, ein Sockelteil 10b mit einem optischen Fenster 42 und ein Rahmenteil 10c, welches zwischen dem Verkappungsteil 10a und dem Sockelteil 10b angeordnet ist. Das Rahmenteil 10c ist zusammen mit dem mindestens einen Kühlkamm 18, der zumindest einen Feder 12 und zumindest einem Teilbereich des Kühlkamm-losen Rests des verstellbaren Teils 14 aus einem Halbleitersubstrat herausstrukturiert. Der mindestens eine Gegenkamm 40 ist an dem Verkappungsteil 10a (als Untereinheit der Halterung 10) angeordnet/ausgebildet. Somit kann der mindestens eine Gegenkamm 40 zusammen mit dem Verkappungsteil 10a aus einem weiteren Halbleitersubstrat herausstrukturiert werden. Damit ist auch der mindestens eine Gegenkamm 40 kostengünstig und ohne eine signifikante Steigerung eines zum Herstellen des mikromechanischen Bauteils auszuführenden Arbeitsaufwands herstellbar. Außerdem kann der mindestens eine Gegenkamm 40 beim Zusammenfügen des Verkappungsteils 10a und des Rahmenteils 10c als Justagehilfe mitgenutzt werden.
Als Alternative oder Ergänzung zu einer Ausbildung/Anbringung des mindestens einen Gegenkamms 40 an dem Verkappungsteil 10a kann auch das Sockelteil 10b mit mindestens einem (weiteren) Gegenkamm 40 ausgebildet werden.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Wie in 4 erkennbar ist, kann der mindestens eine Kühlkamm 18 auch an einer parallel zu einer Fläche der Haltung 10 ausgebildeten Fläche des verstellbaren Teils 14 hervorstehen.
In allen oben beschriebenen Ausführungsformen ähneln die Kühlkämme 18 und/oder Gegenkämme 40 zwar jeweils einem Elektrodenkamm (eines elektrostatischen Aktors), die Kühlkämme 18 und/oder Gegenkämme 40 haben jedoch ausschließlich eine thermische Funktion. Vorzugsweise sind der mindestens eine an dem verstellbaren Teil 14 angeordnete Kühlkamm 18 und/oder der mindestens eine zugeordnete Gegenkamm 40 jeweils metalllos. Insbesondere können der mindestens eine an dem verstellbaren Teil 14 angeordnete Kühlkamm 18 und/oder der mindestens eine zugeordnete Gegenkamm 40 jeweils vollständig aus mindestens einem undotiertem Halbleitermaterials, vorzugsweise vollständig aus undotiertem Silizium, ausgebildet sein. (Eine Ausbildung des mindestens einen Kühlkamms 18 und/oder des mindestens einen Gegenkamms 40 aus einem elektrisch leitfähigen Material ist nicht notwendig.)
Außerdem wird eine kontaktlose und leiterbahnlose Ausbildung des mindestens einen Kühlkamms 18 und/oder des mindestens einen Gegenkamms 40 bevorzugt. Unter der kontaktlosen und leiterbahnlosen Ausbildung des mindestens einen Kühlkamms 18 und/oder des mindestens einen Gegenkamms 40 kann verstanden werden, dass der jeweilige Kamm 18 oder 40 von keinem Kontakt und keiner Leiterbahn kontaktiert wird. Da ein Anlegen einer Spannung an den mindestens einen Kühlkamm 18 und/oder Gegenkamm 40 zur Ausführung von dessen Funktion zur Kühlung des verstellbaren Teils 14 nicht notwendig ist, ist die Ausbildung eines Kontakts oder einer Leiterbahn (unmittelbar) auf/an ihm überflüssig.
Zusätzlich wird es bevorzugt, wenn während des gesamten Betriebs des mikromechanischen Bauteils zum Verstellen des verstellbaren Teils 14 um die Drehachse 16 ein gleiches elektrisches Potential an dem mindestens einen an dem verstellbaren Teil 14 angeordneten Kühlkamm 18 und an dem mindestens einen ihm zugeordneten Gegenkamm 40 anliegt. Es wird hier noch einmal darauf hingewiesen, dass bei einer Ausstattung des mikromechanischen Bauteils mit mindestens einem Paar verzahnter Kämme 18 und 40 ein Anlegen von Spannung zwischen diesen nicht gewünscht ist.
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils können als Mikrospiegelvorrichtungen eingesetzt werden. Ein Laserstrahl, welcher auf die reflektierende Fläche 20 gerichtet wird, kann zumindest eindimensional abgelenkt werden. Es wird außerdem darauf hingewiesen, dass in einer Weiterbildung zumindest ein Teil des verstellbaren Teils 14 oder das verstellbare Teil 14 zusammen mit einem Teil der Halterung 10 noch um eine weitere Drehachse, welche geneigt zu der Drehachse 16 ausgelegt ist, verstellbar sein kann. Außerdem kann jedes der mikromechanischen Bauteile hermetisch verkapselt sein, um es vor Umwelteinflüssen zu schützen.
Alle oben beschriebenen Ausführungsformen des mikromechanischen Bauteils sind mittels eines Herstellungsverfahrens herstellbar, bei welchem die folgenden Schritte ausgeführt werden: Bilden einer Halterung und eines über zumindest eine Feder mit der Halterung verbundenen verstellbaren Teils, wobei die mindestens eine Feder so ausgebildet wird, dass das verstellbare Teil bei einem späteren Betrieb des mikromechanischen Bauteils in Bezug zu der Halterung um eine Drehachse verstellt wird, und wobei das verstellbare Teil mit mindestens einem daran angeordneten Kühlkamm gebildet wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass eine Nutzbarkeit des Herstellungsverfahrens nicht auf ein Herstellen eines bestimmten Typs der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile limitiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010064218 A1 [0002]

Claims

Mikromechanisches Bauteil mit: einer Halterung (10); und einem über zumindest eine Feder (12) mit der Halterung (10) verbundenen verstellbaren Teil (14); wobei die mindestens eine Feder (12) so ausgebildet ist, dass das verstellbare Teil (14) in Bezug zu der Halterung (10) um eine Drehachse (16) verstellbar ist; gekennzeichnet durch mindestens einen an dem verstellbaren Teil (14) angeordneten Kühlkamm (18).
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1, wobei mindestens ein an der Halterung (10) angeordneter Gegenkamm (40) so benachbart zu dem einzigen Kühlkamm des mikromechanischen Bauteils oder einem der Kühlkämme (18) des mikromechanischen Bauteils angeordnet ist, dass je ein Kühlzinken (18a) des jeweiligen Kühlkamms (18) in ein von zwei benachbarten Kühlzinken (40a) des zugeordneten Gegenkamms (40) aufgespanntes Zwischenvolumen hineinragt.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei bei einem Vorliegen des verstellbaren Teils (14) in seiner Ausgangsstellung mindestens 30 % eines Volumens des jeweils zugeordneten Kühlzinkens (18a) des einzigen Kühlkamms oder eines der Kühlkämme (18) in jedes von zwei benachbarten Kühlzinken (40a) des zugeordneten Gegenkamms (40) aufgespannte Zwischenvolumen hineinragt.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, wobei während eines gesamten Betriebs des mikromechanischen Bauteils zum Verstellen des verstellbaren Teils (14) in Bezug zu der Halterung (10) um die Drehachse (16) ein gleiches elektrisches Potential an dem mindestens einen an dem verstellbaren Teil (14) angeordneten Kühlkamm (18) und an dem mindestens einen ihm zugeordneten Gegenkamm (40) anliegt.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der mindestens eine Gegenkamm (40) an einem Verkappungsteil (10a) des mikromechanischen Bauteils als Untereinheit der Halterung (10) angeordnet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine an dem verstellbaren Teil (14) angeordnete Kühlkamm (18) und/oder der mindestens eine zugeordnete Gegenkamm (40) jeweils metalllos, kontaktlos und leiterbahnlos ausgebildet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine an dem verstellbaren Teil (14) angeordnete Kühlkamm (18) und/oder der mindestens eine zugeordnete Gegenkamm (40) jeweils vollständig aus undotiertem Silizium ausgebildet sind.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verstellbare Teil (14) einen Spulenkörper (26) mit mindestens einer daran angeordneten Spule (24) umfasst, und wobei der mindestens eine Kühlkamm (18) an dem Spulenkörper (26) angeordnet ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 8, wobei das mikromechanische Bauteil als Mikrospiegelvorrichtung mit einer Spiegelplatte (22) ausgebildet ist, wobei ein Teil des Spulenkörpers (26) zwischen zwei darin ausgebildeten durchgehenden Öffnungen (30) als Verankerungsbereich (28) der Spiegelplatte (22) ausgebildet ist und der mindestens eine Kühlkamm (18) an dem Verankerungsbereich (28) der Spiegelplatte (22) verankert ist.
Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten: Bilden einer Halterung (10) und eines über zumindest eine Feder (12) mit der Halterung (10) verbundenen verstellbaren Teils (14), wobei die mindestens eine Feder (12) so ausgebildet wird, dass das verstellbare Teil (14) bei einem späteren Betrieb des mikromechanischen Bauteils in Bezug zu der Halterung (10) um eine Drehachse (16) verstellt wird; dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Teil (14) mit mindestens einem daran angeordneten Kühlkamm (18) gebildet wird.