DE102017205047B4

DE102017205047B4 - Mikromechanische Aktuatorvorrichtung und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102017205047B4
Application number: DE102017205047.0A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Hofmann; Hans-Joachim Quenzer; Florian Niekiel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2017-03-24
Filing date: 2017-03-24
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2037-03-25
Also published as: DE102017205047A1

Abstract

Mikromechanische Aktuatorvorrichtung mit einem feststehenden Trägerteil und einem um zumindest eine Achse bewegbaren Funktionselement (2) und einer Antriebseinheit zum Bewegen des Funktionselements (2) relativ zum Trägerteil, wobei das Trägerteil einen dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) mit einer Körperoberfläche aufweist, an der eine Oberfläche des Funktionselements (2) an zumindest einer Kontaktstelle anliegt, wobei bei der Bewegung des beweglichen Funktionselements (2) relativ zum Trägerteil die Kontaktstelle an verschiedenen Orten auf der Körperoberfläche des dreidimensionalen Körpers (7, 22; 8) und/oder an verschiedenen Orten auf der Oberfläche des Funktionselements (2) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Funktionselement (2) über mindestens ein Federelement (3) elastisch mit einem Rahmen (4) verbunden ist, der Bestandteil des Trägerteils ist und dass der dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) als Kuppel (7) mit einer die Kuppel umgebenden flanschartigen Umrandung (8) ausgebildet ist, wobei die Kuppel eine gekrümmte Oberfläche aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine mikromechanische Aktuatorvorrichtung zum Bewegen eines Funktionselements um zumindest eine Achse und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Aus dem Stand der Technik sind mikromechanische Aktuatoren mit einem feststehenden Trägerteil, einem um zumindest eine Achse bewegbaren Funktionselement und einer Antriebseinheit zum Bewegen des Funktionselements relativ zum Trägerteil bekannt. Ein derartig bewegbares Funktionselement kann zum Beispiel Teil einer Mikrospiegelvorrichtung sein, die in Form eines Plattenkondensators ein als Mikrospiegel ausgebildetes Funktionselement mittels elektrostatischer Kräfte bewegt. Die US 6 671 078 B2 zeigt beispielsweise einen Reißverschlussaktuator mit einem eine erste Elektrode aufweisenden beweglichen Balkenelement und einem eine zweite Elektrode aufweisenden fixierten Trägerteil. Durch Anlegen einer Spannung wird zwischen den Elektroden eine elektrostatische Anziehungskraft erzeugt und das bewegliche Balkenelement bewegt sich auf das fixierte Trägerteil zu. Die Höhe der Anziehungskraft ist dabei abhängig von dem Elektrodenabstand und der Höhe der angelegten Spannung. Da die Anziehungskraft nicht proportional von dem Elektrodenabstand und der angelegten Spannung abhängt, kann das Balkenelement nur um etwa ein Drittel des Elektrodenabstands ausgelenkt werden, um zu verhindern, dass bedingt durch eine überproportionale Zunahme der Anziehungskräfte das Balkenelement derart ausgelenkt wird, dass es die Elektrode des fixierten Trägerteils berührt. Ein Kontakt der zwei Elektroden führte zu einem elektrostatischen Kollaps, bei dem die beiden Elektroden ihren Abstand zueinander maximal verringern und in Kontakt geraten. Dies hat meist einen elektrischen Kurzschluss und einen durch die hohen Kräfte verursachten Bruch der Aufhängestruktur zur Folge. Der Aktuator wird also üblicherweise dabei zerstört. Zum Realisieren größerer Bewegungen, beziehungsweise größere Auslenkungen um eine Achse, müssen deshalb große Elektrodenabstände vorgesehen werden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass hohe Spannungen an den Aktuator angelegt werden müssen, um die erforderlichen Anziehungskräfte zum Bewegen eines Funktionselements zu erhalten. Dies ist hinsichtlich Kosten der Ansteuerelektronik und hinsichtlich einer Handhabung, beispielsweise aufgrund einer Gefahr von Überschlägen, nicht vorteilhaft. Eine analoge Problematik ergibt sich auch bei Anordnungen mit elektromagnetischen Antrieben, bei denen sich bei einem angelegten Strom ein beweglich aufgehängter Permanentmagnet auf einen korrespondierenden fixierten Elektromagnet zu bewegt.
US 6 738 177 B1 offenbart eine mikromechanische Aktorvorrichtung mit einem Trägerteil, das eine Grundplatte und ein Stufenpyramidenteil mit aufeinander gestapelten Scheiben oder Plattformen aufweist, wobei mittig in dem Stufenpyramidenteil eine Säule angeordnet ist. Auf den gestapelten Scheiben und der Säule sind „kinematische“ Abstützelemente vorgesehen, an denen sich ein Spiegelelement abstützen kann, wobei der Winkel des Spiegelelements bei seiner Bewegung jeweils durch die Abstützelemente auf der Säule und den Scheiben definiert ist.
In der US 2008/0100899 A1 ist eine Spiegelvorrichtung beschrieben, die eine Stufenpyramide mit mehreren „Terrassen“ aufweist, auf denen Elektroden aufgebracht sind. Auf der obersten Terrasse ist ein Auflagepunkt für ein Spiegelelement vorgesehen.
US 2005/0248862 A1 betrifft eine lichtreflektierende Vorrichtung, die ein plattenförmiges Substrat mit Elektroden aufweist, auf dem mittig in einer Richtung aus der Substratebene herausragende Stützpunktsegmente angeordnet sind. Die Stützpunktsegmente weisen einen halbrunden Querschnitt auf und ein Plattenelement mit einem lichtreflektierenden Bereich ist auf den Stützpunktsegmenten gelagert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mikromechanische Aktuatoranordnung zu schaffen, die vergleichsweise große Bewegungen eines beweglichen Funktionsbauteils um eine Achse ermöglicht und eine Zerstörung der Aktuatoranordnung durch Beschleunigung und Aufschlagen des beweglichen Funktionselements vermeidet. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Bewegung des Funktionselements mittels deutlich niedrigerer Antriebsspannungen bzw. niedrigerer Ströme zu ermöglichen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, dass die mikromechanische Aktuatorvorrichtung eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Schock und Vibration aufweist. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung einer mikromechanischen Aktuatoranordnung zu schaffen, das eine Realisierung in relativ einfacher und kostengünstiger Weise gestattet, bei der auch eine Herstellung einer Vielzahl von Aktuatoranordnungen mit vergleichsweise wenigen Schritten möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine mikromechanische Aktuatorvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine mikromechanische Aktuatorvorrichtung zum Bewegen eines Funktionselements um zumindest eine Achse. Die mikromechanische Aktuatorvorrichtung umfasst dabei einen feststehendes Trägerteil, ein um zumindest eine Achse bewegbares Funktionselement und eine Antriebseinheit zum Bewegen des Funktionselements relativ zum Trägerteil. Ferner weist das Trägerteil einen dreidimensionalen Körper mit einer Körperoberfläche auf, an der eine Oberfläche des Funktionselements an zumindest einer Kontaktstelle anliegt. Bei der Bewegung des beweglichen Funktionselements relativ zum Trägerteil liegt die Kontaktstelle an verschiedenen Orten auf der Körperoberfläche des dreidimensionalen Körpers und/oder an verschiedenen Orten auf der Oberfläche des Funktionselements.
Das bewegbare Funktionselement und das feststehende Trägerteil stehen also vorzugsweise unmittelbar oder zumindest mittelbar über eine oder mehrere Zwischenschichten miteinander in Kontakt. Dies hat den Vorteil, dass das Funktionselement durch das feststehende Trägerteil an der Körperoberfläche des dreidimensionalen Körpers abgestützt wird. Da dieser Kontakt typischerweise zu jedem Zeitpunkt einer Bewegung des Funktionselementes um eine Achse besteht, können auf das Funktionselement wirkende Kräfte direkt in das Trägerteil eingeleitet werden. So kann eine Zerstörung des Aktuators durch einen Aufschlag und/oder eine Beschleunigung des Funktionselements gegenüber dem feststehenden Trägerteil vermieden werden. Weiter kann eine hohe Unempfindlichkeit gegenüber Schock und Vibration erreicht werden, da das Federelement stets durch den dreidimensionalen Körper abgestützt wird.
In einem Ausführungsbeispiel ist der dreidimensionale Körper aus einem ersten eine Waferebene aufweisenden Wafer, vorzugsweise einem Glaswafer, gebildet. Eine Wandstärke des dreidimensionalen Körpers kann durch eine Substrat-Dicke des Glaswafers eingestellt werden, die wenige Millimeter bis wenige Mikrometer betragen kann. Bevorzugt wäre für die Wandstärke ein Intervall von 10 µm bis 100 um für Durchmesser des aus der Waferebene herausragenden Teils des dreidimensionalen Körpers bis zu 4 mm. Für Durchmesser des Körpers von 4 mm bis 10 mm wären Wandstärken von 100 µm bis 300 µm bevorzugt. Für Durchmesser des Körpers von 10 mm bis 100 mm wären Wandstärken von 300 µm bis 2 mm bevorzugt. Der dreidimensionale Körper ist dabei typischerweise aus der Waferebene, vorzugsweise senkrecht, ausgeformt. Dies ermöglicht, dass der dreidimensionale Körper nahezu frei geformt und eine nahezu beliebige Oberflächengeometrie gefertigt werden kann, auf der das flexible Funktionselement abgestützt ist, wobei das bewegbare Funktionselement dabei aus einem zweiten Wafer gebildet sein kann.
Bei einer Bewegung des Funktionselements bewegt sich dieses wie bereits beschrieben entlang der Körperoberfläche des dreidimensionalen Körpers. Mit der freiformbaren Körperoberflächengeometrie kann so eine Bewegungsbahn oder diskrete Positionen für das Funktionselement definiert werden. Anhand einer derartigen Bewegungsbahn kann nahezu jede geforderte Bewegung des Funktionselements umgesetzt werden. Dies ermöglicht die Nutzung des mikromechanischen Aktuators für zahlreiche Anwendungsgebiete, beispielsweise zum Schließen und Öffnen eines elektrischen oder mechanischen Kontaktes, zur räumlichen Justage einer Komponente, oder auch zur Strömungsbeeinflussung in fluidischen Anwendungen.
Bevorzugt können die Oberflächengeometrien des Funktionselements und des dreidimensionalen Körpers derart ausgebildet sein, dass die sich berührenden Oberflächen des Funktionselements und des dreidimensionalen Körpers nicht planparallel sind. Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Orte auf einer der beiden Oberflächen unterschiedliche Abstände zur Folge haben und beispielsweise ein Reißverschluss-Aktuator gebildet werden kann. Insbesondere kann dabei vorteilhaft sein, dass der dreidimensionale Körper und das bewegbare Funktionselement derart ausgebildet sind, dass ein Abstand zwischen dem bewegbaren Funktionselement und dem dreidimensionalen Körper ausgehend von der Kontaktstelle in Richtung einer Außenkante des beweglichen Funktionselements zur Bildung einer ortsabhängigen Kraft zunimmt. Die ortsabhängige Kraft kann bei einer elektrostatischen Antriebsweise beispielsweise eine elektrostatische Anziehungskraft sein. Der Abstand beschreibt dabei typischerweise den Elektrodenspalt, der am Ort des Auflagepunktes des Funktionselementes auf dem dreidimensionalen Körpers minimal ist und vorzugsweise wenige Mikrometer aufweist, sodass an dieser Kontaktstelle die elektrostatische Anziehungskraft maximal ist. Analoges gilt für eine elektromagnetische Anordnung, bei dem beispielsweise am Funktionselement ein Permanent-Magnet und am dreidimensionalen Körper ein Elektromagnet in Form einer Spule angeordnet ist. Durch die örtliche Nähe zwischen den beiden Elektroden bzw. den magnetischen Schichten und Elektromagneten, kann eine geringe angelegte Spannung von wenigen 10 Volt bzw. ein geringer angelegter Strom bereits eine ausreichende elektrostatische bzw. magnetische Anziehungskraft veranlassen, die das Funktionselement um zumindest eine Achse bewegt. Entsprechend einem Reißverschluss-Aktuator können somit große Auslenkungen des Funktionselements um eine Achse aus einer Ruhelage von bis zu +/- 10°, vorzugsweise +/- 15°, besonders bevorzugt +/- 20° erreicht werden. Eine Elektrodenfläche kann am Ort des Kontaktes zwischen dem Funktionselement und dem dreidimensionalen Körper im Ruhezustand minimal sein. Die Elektrodenfläche kann sich von dort ausgehend erhöhen, so dass trotz eines nach allen Seiten zunehmenden Elektrodenabstandes beim Anlegen einer Antriebsspannung ein Drehmoment resultiert, das das Funktionselement aus der Ruhelage auslenkt.
Gemäß der Erfindung weist der dreidimensionale Körper eine gekrümmte Körperoberflächenämlich eine Kuppelform auf. Eine solche Form kann ein Abrollen oder Abkippen des Funktionselementes auf dem dreidimensionalen Körper ermöglichen. So kann beispielsweise erreicht werden, dass eine kontinuierliche, ruckelfreie Bewegung des Funktionselements auf der Körperoberfläche des dreidimensionalen Körpers generiert wird. Dies kann den Vorteil haben, dass das Funktionselement zum Schwingen angeregt werden kann und auch ein resonanter Betrieb der mikromechanischen Aktuatorvorrichtung möglich ist, was beispielsweise in verschiedenen optischen Systemen zum Abtasten eines Raumes mit einem Laserstrahl gefordert sein kann Das Funktionselement weist typischerweise eine planare Oberfläche auf, an der es die Körperoberfläche des dreidimensionalen Körpers kontaktiert. Dennoch ist auch eine komplexe, z:B. gewölbte Oberflächenform des Funktionselements, beispielsweise in Form einer Hemisphäre, möglich.
Erfindungsgemäß ist das bewegbare Funktionselement über mindestens ein Federelement elastisch mit einem Rahmen verbunden. Der Rahmen, das zumindest eine Federelement und das Funktionselement sind vorzugsweise aus einem Wafer gebildet. Der Rahmen ist dabei typischerweise mit dem Trägerteil über Kleben, Bonden, oder Schmelzverfahren verbunden. Somit kann der Rahmen Bestandteil des Trägerteils und feststehend sein, während das Funktionselement relativ zum Trägerteil bewegbar ist.
Das Funktionselement und der dreidimensionale Körper können zusätzlich oder alternativ über ein Magnetlager verbunden werden. Dabei können das bewegbare Funktionselement und der dreidimensionalen Körper jeweils einen Bereich einer weich- und/oder hartmagnetischen Schicht aufweisen, dessen Fläche abhängig vom gewählten Anschlag des Funktionselements gewählt wird. Damit eine Anziehungskraft gewährleistet ist, können das bewegbare Funktionselement und der dreidimensionale Körper jeweils eine hartmagnetische Schicht aufweisen oder entweder das Funktionselement oder der dreidimensionale Körper weist eine weichmagnetische Schicht auf und das entsprechend andere Bauteil weist einen Permanentmagneten auf. So können sich die jeweils korrespondierenden Schichten durch magnetische Kräfte anziehen und das bewegbare Funktionselement kann mit dem dreidimensionalen Körper verbunden sein. Die Bereiche der aufgebrachten magnetischen und/oder magnetisierbaren Schichten sind dabei typischerweise derart ausgebildet, dass bei einer Bewegung des Funktionselements mittels der Antriebseinheit die Kontaktstelle auf der Oberfläche des dreidimensionalen Körpers und/oder auf der Oberfläche des Funktionselements an verschiedenen
Orten liegt. Durch die permanente Anziehungskraft des Magnetlagers kann sich das Funktionselement jedoch selbstzentrieren oder selbstjustieren, also in eine Ruheposition zurück bewegen, sobald die Antriebseinheit keine Bewegung des Funktionselements mehr veranlasst. Diese Selbstzentrierung kann insbesondere bei einer Montage der mikromechanischen Vorrichtung, insbesondere beim Ausrichten des Funktionselements gegenüber dem dreidimensionalen Körper, vorteilhaft sein. Ferner kann eine Stoß- und Vibrationsunempfindlichkeit der Vorrichtung durch ein Magnetlager weiter verbessert werden.
In einer typischen Ausführungsform weist die Antriebseinheit zumindest zwei korrespondierende Antriebselemente auf. Dabei können mindestens ein erstes Antriebselement an dem Funktionselement und mindestens ein zweites Antriebselement an dem dreidimensionalen Körper angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Antriebselement auch an dem Rahmen angeordnet sein, an dem das Funktionselement wie oben beschrieben mittels Federelementen angelenkt sein kann. Eine derartig ausgeführte Antriebseinheit mit zumindest zwei Antriebselementen ist insbesondere vorteilhaft für eine Ausführung der mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit einem elektrostatischen Antrieb und/oder magnetischen Antrieb. Eine Antriebseinheit, die als elektrostatischen Antrieb und/oder magnetischer Antrieb ausgeführt ist, kann das Funktionselement präzise bewegen und eignet sich damit besonders für Mikrovorrichtungen. Auch kann der Antrieb als piezoelektrische Antrieb ausgebildet sein, der ein oder mehrere piezoelektrische Aktuatoren aufweisen kann, der bzw. die an dem Funktionselement oder in dessen Nähe, z.B. an der oder den elastischen Achsverbindungen angeordnet sein können
In einer Ausführungsform kann das erste Antriebselement als Elektrode oder magnetische Schicht ausgebildet sein. Ferner kann das zweite Antriebselement ebenfalls als Elektrode oder als ein eine Spule aufweisender Elektromagnet ausgebildet sein. Sind beide Antriebselemente Elektroden, kann ein elektrostatischer Antrieb realisiert werden. Ist das erste Antriebselement als magnetische und/oder magnetisierbare Schicht ausgeführt und das zweite Antriebselement als Elektromagnet, beispielsweise in Form einer Spule, z.B. einer Planarspule, kann ein magnetischer Antrieb realisiert werden.
Das erste und/oder das zweite Antriebselement können direkt mit dem Funktionselement und/oder dem dreidimensionalen Körper verbunden sein. Ist die Antriebseinheit als elektrostatischer Antrieb realisiert, sind auf dem Funktionselement und/oder auf dem dreidimensionalen Körper Elektroden, vorzugsweise in Form von Metallschichten, aufgebracht. In einer magnetischen Antriebsausführung können dazu beispielsweise Elektromagnete in Form von Spulen, insbesondere in Form von Planarspulen mikrotechnisch durch lithographische Strukturübertragung und Schichtabscheidung (z.B. Galvanik) oder mikrotechnisch durch Schichtabscheidung, Lithographie oder Ätztechnik auf das Funktionselement und/oder den dreidimensionalen Körper aufgebracht sein. Das erste und/oder das zweite Antriebselement können auch auf einem flexiblem Träger oder einer Platine aufgebracht sein, der bzw. die mit dem dreidimensionalen Körper und/oder dem Funktionselement verbunden ist. In der magnetischen Antriebsausführung können dabei zum Beispiel separat gefertigte flexible Mikrospulen - also Metallspulen, die auf Kunststofffolie durch Drucktechnik oder eine andere Dickschichttechnik aufgebracht sind - verwendet werden. Ein flexibler Träger hat den Vorteil, dass das Antriebselement separat von den Wafern gefertigt werden kann, und der Herstellprozess vereinfacht wird. Zudem kann das zumindest eine als Spule ausgebildete Antriebselement eine vorverzerrte Form zum Aufbringen der Spule auf die vorzugsweise gekrümmte Körperoberfläche aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die Spulengeometrie optimal an die Geometrie der Oberfläche des Funktionselements oder des dreidimensionalen Körpers angepasst werden kann, auf die sie aufgebracht wird. Vorzugsweise werden die als Spule ausgebildeten Antriebselemente an einer Innenseite des dreidimensionalen Körpers angebracht.
Das erste und/oder zweite Antriebselement kann bei einer Ausführung mit elektromagnetischen Antriebselementen als magnetische Schicht ausgebildet sein. Die magnetische Schicht kann dabei mittels verschiedener Fertigungsverfahren aufgebracht werden, zum Beispiel durch

a) Aufkleben oder Bonden von separat hergestellten Permanentmagneten, gegebenenfalls mit späterer Aufmagnetisierung,
b) Abscheidung hartmagnetischer Dünn-Schichten, gegebenenfalls mit späterer Aufmagnetisierung,
c) Abscheidung weichmagnetischer Dünn-Schichten, gegebenenfalls mit späterer Aufmagnetisierung, und/oder
d) Verfüllen und Verfestigen von weichmagnetischen Pulvern in speziell vorgesehenen Kavitäten (Sacklöchern), die vorzugsweise an einer dem dreidimensionalen Körper zugewandten Seite des Funktionselements liegen,
e) Verfüllen und Verfestigen von hartmagnetischen Pulvern, vorzugsweise in den unter d) beschriebenen Kavitäten mit anschließender Aufmagnetisierung.

In einer Ausführung kann zwischen zumindest zwei korrespondierenden Antriebselementen eine elektrisch- und/oder magnetisch-isolierende Isolationsschicht angeordnet sein. Diese Isolationsschicht kann dabei durch einen Wafer, beispielsweise durch den Glaswafer gebildet sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn zumindest ein Antriebselement an einer dem Funktionselement abgewandten Seite des dreidimensionalen Körpers angeordnet ist. Eine Isolationsschicht kann jedoch auch zusätzlich aufgetragen werden, beispielsweise auf zumindest einem auf der dem Funktionselement zugewandten Seite des dreidimensionalen Körpers angeordneten Antriebselement. Ein Antriebselement, das auf dem Funktionselement angeordnet ist, kann selbstverständlich ebenso mit einer Isolationsschicht beschichtet sein. Auch kann das Funktionselement zumindest teilweise als Isolationsschicht agieren, insbesondere wenn ein Antriebselement an einer dem dreidimensionalen Körper abgewandten Seite des Funktionselements angebracht oder in das Funktionselement eingelassen ist. Eine Isolationsschicht hat den Vorteil, dass bei einer elektrostatischen Antriebsausführung kein Kurzschluss zwischen den Antriebselementen, also den Elektroden, stattfinden kann. Die Isolationsschicht hat insbesondere den Vorteil, dass das Funktionselement mit dem dreidimensionalen Körper in direktem Kontakt stehen kann und somit der Abstand zwischen den Antriebselementen minimal gehalten werden kann. Entsprechendes gilt auch für eine Ausführungsform mit elektromagnetischem Antrieb.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform kann dadurch gegeben sein, dass ein Antriebselement in Bezug auf das korrespondierende Antriebselement verschiebbar angeordnet ist. Das kann mittels eines weiteren Mikroaktuator-Wafers realisiert werden, der einen starren Rahmen und eine an diesem über Federelemente aufgehängte Platte mit mindestens einem Magnetelement aufweist. Der Rahmen kann mit dem dreidimensionalen Körper verbunden sein und die Platte kann durch einen weiteren Aktuator ein-, zwei- oder dreidimensional verschoben werden. Eine solche Ausführungsform bringt eine weitere Flexibilität in Bezug auf die Realisierung der erfindungsgemäßen mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit sich.
Das Funktionselement kann in einer bevorzugten Ausführung ein Mikrospiegel sein. Dabei kann das Funktionselement eine spiegelnde Oberfläche und/oder zur Erhöhung einer Reflektivität eine zusätzliche Verspiegelungsschicht aufweisen. Die bevorzugten Abmessungen des Funktionselements, insbesondere der Durchmesser des Mikrospiegels, betragen dabei mindestens 100 Mikrometer, vorzugsweise mindestens 150 Mikrometer und/oder maximal 20 Zentimeter, vorzugsweise maximal 15 Zentimeter. Besonders wahrscheinlich ist die Realisierung des Funktionselements in Form eines Mikrospiegels im Bereich von minimal 500 um bis maximal 2 cm.
Die Ausführung des Funktionselements kann ferner zahlreiche Anwendungen der mikromechanischen Aktuatorvorrichtung ermöglichen. So sind auch Anwendungen wie ein Schließen eines elektrischen oder mechanischen Kontaktes, eine räumlichen Justage einer weiteren Komponente, eine Strömungsbeeinflussung in einer fluidischen Anwendung, oder eine Beeinflussung der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, wie z.B. durch Positionieren einer Sende- oder Empfangsantenne oder ein Positionieren eines Reflektors denkbar.
Um eine maximale Bewegung, insbesondere in Form eines maximalen Ausschlags des Funktionselements bei der Bewegung um zumindest eine Achse zu begrenzen, kann an dem Trägerteil ein Anschlag angeordnet sein. Das Funktionselement hat typischerweise eine Ruhelage, die durch die Lagerung, also beispielsweise durch Federelemente, die das Funktionselement an dem feststehenden Rahmen elastisch lagern, definiert ist. Die Ruhelage kann sich demnach einstellen, wenn ein Kräftegleichgewicht vorliegt und auf das Funktionselement keine Anziehungskräfte durch die Antriebselemente oder äußere Kräfte wirken. Eine Ruhelage kann auch vorliegen, wenn die Federelemente konstruktionsbedingt vorgespannt sind, obwohl keine elektrostatischen und/oder elektromagnetischen Anziehungskräfte der Antriebseinheit auf das Funktionselement wirken. Aus einer solchen Ruhelage kann das Funktionselement durch Anziehungskräfte zwischen den Antriebselementen ausgelenkt werden. Um diese Bewegung einschränken zu können, kann beispielsweise oberhalb des Funktionselements ein Anschlag angeordnet sein. Dieser kann beispielsweise in Form einer Glasplatte, eines Vorsprungs oder auch in Form eines kuppelförmigen optischen Fensters vorliegen. Der Anschlag kann die Auslenkung des Funktionselements aus einer Ruhelage um zumindest eine Achse auf maximal + 60 °, vorzugsweise maximal + 40°, besonders bevorzugt maximal + 20° und/oder auf minimal - 60 °, vorzugsweise minimal - 40°, besonders bevorzugt minimal - 20° beschränken.
Grundsätzlich gilt, dass dem Fachmann aus dem Stand der Technik Methoden bekannt sind, um die Elektrodenanordnungen bei einer elektrostatischen Antriebseinheit nicht nur zum Antreiben und Verkippen des Funktionselements zu nutzen, sondern um gleichzeitig, die Position des Funktionselements kapazitiv auszuwerten, etwa durch eine Verwendung der jeweils momentan gerade nicht zur Krafterzeugung verwendeten Elektroden. Eine zusätzlich vorgesehene, nicht zur Krafterzeugung verwendete statische Elektrode, oder aber eine statische Elektrode, die durch zeitliches Multiplexing nur zeitweise zur Krafterzeugung verwendet wird, kann durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Funktionselement, also einer bewegliche Elektrode, und der statischen Elektrode zur kapazitiven Positions-Erkennung verwendet werden.
Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer oben beschriebenen mikromechanischen Aktuatorvorrichtung. Dabei wird ein dreidimensionaler Körper aus einem ersten Wafer mit einer Waferebene geformt. Die Ausformung des dreidimensionalen Körpers wird im wesentlichen senkrecht zur Waferebene gebildet. Dabei verbleibt in der Waferebene eine flanschartige Umrandung. Aus einem zweiten Wafer wird ein Rahmen mit einem um mindestens eine Achse bewegbaren, über Federelemente mit dem Rahmen verbundenen Funktionselement, erzeugt. Der Rahmen des ersten Wafers wird anschließend mit der flanschartigen Umrandung des zweiten Wafers verbunden. Mindestens ein erstes Antriebselement wird auf das Funktionselement oder auf den Rahmen aufgebracht, wobei dies zeitlich vor oder nach einem Verbinden des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer geschehen kann. Das zweite Antriebselement wird auf den dreidimensionalen Körper und/oder einen mit diesem verbundenen flexiblen Träger oder eine Platine aufgebracht. Auch das Aufbringen des zweiten Antriebselements kann sowohl zeitlich vor als auch nach einem Verbinden des ersten Wafers mit dem zweiten Wafer geschehen. Der erste Wafer kann mit dem zweiten Wafer beispielsweise durch eutektisches oder anodisches Bonden, Glasfritbonden, Kleben, Löten, Aufschmelzen oder auch nur mechanisches Klemmen über zusätzliche Elemente oder auch über Verbinden mittels elektrostatischen oder magnetischen Kräften verbunden werden. Diese Anordnung kann zusätzlich durch hermetische oder nicht-hermetische Wafer-Level-Verkapselungs-Verfahren ergänzt werden.
In vorteilhafter Weise kann auf einem Wafer eine Vielzahl von dreidimensionalen Körpern und Funktionselementen geformt werden, die jeweils Arrays bilden. Die Zuordnung bzw. Justierung der dreidimensionalen Körper zu den Funktionselementen kann dann für die jeweiligen Arrays vorgenommen werden und die entstehenden Aktuatoren können nach dem Verbinden der Bauteile vereinzelt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Abbildungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Querschnitt einer mikromechanischen Vorrichtung in einer Explosionsanordnung,
2 einen Querschnitt einer mikromechanischen Aktuatorvorrichtung in Explosionsanordnung mit elektrostatischen Antriebselementen,
3 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit elektrostatischen Antriebselementen,
4 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit elektrostatischen Antriebselementen,
5 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit elektrostatischen Antriebselementen und einem Anschlag,
6 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit elektrostatischen Antriebselementen und einem Anschlag in Form einer Glasplatte,
7 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit elektrostatischen Antriebselementen und einem kuppelförmigen optischen Fenster,
8 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit elektrostatischen Antriebselementen und einem kuppelförmigen optischen Fenster,
9 eine Aufsicht auf einen kuppelförmigen dreidimensionalen Körper mit Elektroden,
10 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit elektrostatischen Antriebselementen und einem kuppelförmigen optischen Fenster,
11 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit magnetischen Antriebselementen,
12 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit magnetischen Antriebselementen,
13 eine Aufsicht auf einen kuppelförmigen dreidimensionalen Körpers mit Spulen,
14 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit magnetischen Antriebselementen und einer Platine,
15 einen Querschnitt einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem Magnetlager
16 einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit magnetischen Antriebselementen, einer Platine und einem Magnetlager,
17 einen Querschnitt einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem
18 eine Aufsicht auf einen kuppelförmigen dreidimensionalen Körper mit vier Elektroden,
19 eine Aufsicht auf einen kuppelförmigen dreidimensionalen Körper mit drei Elektroden,
20 einen Schnitt durch ein Beispiel zur Erläuterung einer Aktuatorvorrichtung,
21 eine Ansicht im Querschnitt auf ein Beispiel unter Verwendung eines längs verschiebbaren Antriebselements und
22 eine Aufsicht auf das in 21 verwendete verschiebbare Antriebselement.

1 zeigt eine Ausführungsform einer mikromechanischen Vorrichtung mit einem ersten Wafer 1 und einem zweiten Wafer 6. Der erste Wafer weist ein Funktionselement in Form eines Mikrospiegels 2, Federelemente 3 sowie einen Chiprahmen 4 auf, wobei das Funktionselement bzw. der Mikrospiegel ein- oder mehrachsig über die Federelemente 3 mit dem Rahmen verbunden ist. Die genannten Bauteile sind aus einem Ausgangswafer hergestellt, wobei das Funktionselement 2 eine geringere Dicke als eine Ausgangsdicke des ersten Wafers 1 aufweist. Dies wird durch eine Ausnehmung 5 erreicht, die bei der Bearbeitung des ersten Wafers geformt wird.
Der zweite Wafer 6 ist als dreidimensional geformter Wafer, vorzugsweise aus Glas, ausgestaltet und weist eine Kuppel 7 auf, die sich aus einer in der Ausgangswaferebene liegenden und die Kuppel 7 umgebenden flanschartigen Umrandung 8 heraus wölbt. Die Kuppel 7 und die flanschartige Umrandung 8 bilden einen dreidimensionalen Körper. Der erste Wafer 1 und der zweite Wafer 6 sind separat in einer Explosionsanordnung, d.h. in einem nicht zusammengebauten Zustand dargestellt.
In 2 ist eine weitere mikromechanische Aktuatorvorrichtung, deren Aufbau dem der mikromechanischen Vorrichtung aus 1 entspricht, dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen. Auch 2 zeigt die mikromechanische Aktuatorvorrichtung separat in einer Explosionsanordnung, d.h. in einem nicht zusammengebauten Zustand. An einer dem dreidimensionalen Körper bzw. der Kuppel 7 abgewandten Seite weist der Mikrospiegel 2 eine Verspiegelungsschicht 9 auf. Auf der der Kuppel 7 zugewandten Seite ist eine Metallschicht auf dem Mikrospiegel 2 angeordnet, um einen Bereich mit erhöhter elektrischer Leitfähigkeit auf dem Funktionselement und somit ein erstes Antriebselement in Form einer Elektrode 10 zu bilden. Auf die Kuppel 7 und gegebenenfalls auf der Umrandung 8 sind auf einer dem Mikrospiegel 2 zugewandten Seite zwei starre Ansteuer-Elektroden 11 in Form von elektrisch leitenden Schichten, beispielsweise Metallschichten, aufgebracht. Die Elektroden 10, 11 können beispielsweise aus Aluminium, Silber, Gold, Titan, Kupfer, Platin usw. bestehen.
Auf den Ansteuer-Elektroden 11 ist jeweils eine Isolationsschicht 12 aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Silizium-Oxinitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid und dgl. aufgebracht. Die jeweilige Isolationsschicht 12 umschließt die Ansteuer-Elektroden 11 dabei insbesondere an einer Oberfläche der Ansteuer-Elektroden 11, die in einem montierten Zustand der Aktuatorvorrichtung mit dem Mikrospiegel 2 in Kontakt geraten kann. Zum Bewegen des Funktionselements bzw. des Spiegels 2 wird den Ansteuer-Elektroden 11 und/oder der Elektrode 10 ein elektrisches Steuersignal zugeführt. Durch die Isolationsschichten 12 wird vermieden, dass ein Kontakt zwischen dem Funktionselement und der Kuppel 7 bei einer Bewegung des Funktionselements oder auch in der Ruhelage zu einem Kurzschluss führt.
In 3 ist eine mikromechanische Aktuatorvorrichtung entsprechend der 2 in einem zusammengebauten Zustand dargestellt. Der Chiprahmen 4 ist auf der flanschartigen Umrandung 8 bzw. auf der abgeschiedenen Isolationsschicht z.B. durch Kleben oder anderen Verbindungstechniken befestigt und fest mit dem dreidimensionalen Körper verbunden. Somit wird ein feststehendes Trägerteil, umfassend den Rahmen 4 und den dreidimensionalen Körper 7, 8 gebildet, zu dem sich das Funktionselement in Form des Mikrospiegels 2 relativ bewegt. Der Mikrospiegel 2 kontaktiert die Isolationsschicht 12 und ist damit mittelbar mit einer Oberfläche des dreidimensionalen Körpers in Kontakt. Ein Abstand zwischen der Elektrode 10 und der Ansteuer-Elektrode 11 ist damit minimal und entspricht der Dicke der Isolationsschicht 12. Diese Dicke der Isolationsschicht 12 wird so angepasst, dass bei der Ansteuerung der Elektroden 11 die resultierende Feldstärke nicht zu Überschlägen oder zu dauerhaft eingetragenen Ladungen führt. Typische Schichtdicken sind beispielsweise 100 nm bis 4 µm. Der Mikrospiegel 2 weist dabei eine plattenförmige Geometrie mit einer Unterseite mit einer im Wesentlichen planen Oberfläche auf. Die Oberfläche der Kuppel 7 ist hingegen gekrümmt. Der Abstand, also im gezeigten Beispiel der 3 der Elektrodenspalt, zwischen dem bewegbaren Funktionselement in Form des Mikrospiegels 2 und der Kuppel 7 des dreidimensionalen Körpers ausgehend von der Kontaktstelle in Richtung einer Außenkante des beweglichen Mikrospiegels 2 nimmt zur Bildung einer ortsabhängigen Kraft zu. Dieser Aufbau kann sich somit das Prinzip eines Reißverschluss-Aktuators zunutze machen, wobei der Elektrodenspalt hier aufgrund des direkten Kontaktes minimal ist und somit nur sehr geringe Spannungen von wenigen 10 Volt angelegt werden müssen, um eine Bewegung des Mikrospiegels zu erreichen.
4 zeigt einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung, die im wesentlichen der in 3 gezeigten Anordnung entspricht. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Anordnung der Ansteuer-Elektroden 11 auf einer Oberseite der Glaskuppel 7 sind die Ansteuer-Elektroden 11 in 4 auf einer Innenseite der Kuppel 7 angeordnet. Ferner sind die Elektroden auf einem flexiblen Träger 13, beispielsweise einer Folie, aufgebracht. Der flexible Träger 13 mit den Ansteuer-Elektroden 11 ist dabei segmentiert auf der Kuppelinnenseite aufgebracht und nicht durchgehend gestaltet, um eine bessere Anpassung an die Form der Kuppelinnenseite zu erreichen.
5 zeigt einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung, die im wesentlichen der in 4 gezeigten Anordnung entspricht. Zusätzlich umfasst die Aktuatorvorrichtung in 5 einen Abstandshalter 14, der auf den Chiprahmen 4 montiert ist. Auf diesem Abstandshalter ist ein Anschlag 15 angeordnet und mit dem Chiprahmen 4 verbunden. Der Anschlag 15 begrenzt durch einen Kontakt zwischen dem Anschlag 15 und dem Mikrospiegel 2 die maximale Auslenkung auf z.B. +/- 20°. In 5 bilden der Anschlag 15 und der Abstandshalter 14 einen geschlossen Rahmen um den Mikrospiegel 2 herum. Der Abstandhalter 14 und der Anschlag 15 können aus Glas bestehen und sind im gezeigten Ausführungsbeispiel zwei separate Elemente, sie können aber auch einstückig ausgebildet sein. Der Anschlag 15 kann auch plattenförmig ausgebildet sein, beispielsweise als Glasplatte, wie in 6 gezeigt ist. So kann ein geschlossener Raum zwischen dem Trägerteil und dem Abstandhalter 15 gebildet werden, in dem das Funktionselement, hier der Mikrospiegel 2, liegt. Dies kann beispielsweise dahingehend vorteilhaft sein, dass das Funktionselement gegenüber Verschmutzung oder Feuchtigkeit geschützt wird. Die Glasplatte ist den optischen Anforderungen hinsichtlich Transmission, Reflektion, Absorption, Ebenheit und Rauheit angepasst.
7 zeigt die mikromechanischen Aktuatorvorrichtung ähnlich der der 6, wobei der Anschlag 15 nicht plattenförmig sondern in Form eines kuppelförmigen optischen Fensters 16 ausgebildet ist. Das optische Fenster 16 ist vorzugsweise durch Glasformung eines umgeschmolzenen Glaswafers gefertigt. Auch das optische Fenster 16 ist den optischen Anforderungen hinsichtlich Transmission, Reflektion, Absorption, Ebenheit und Rauheit angepasst. Das optische Fenster 16 kann auch direkt auf dem Chiprahmen 4 montiert sein, wie 8 zeigt. Der weitere Aufbau der in 8 gezeigten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung entspricht der in 7 gezeigten Ausführung. In der Ausführungsform der 8 ist kein Abstandshalter 14 vorgesehen. Dadurch eignet sich diese Anordnung besonders für optische Anwendungen, bei denen ein Laserstrahl, der senkrecht von oben auf den Spiegel trifft, in einem großen Strahlablenkbereich von bis zu +/- 90° aus der Optik heraustreten kann, ohne dass das Trägerteil den Austritt des Laserstrahls aus dem optischen Fenster verhindert oder stört.
9 zeigt schematisch eine Aufsicht auf den kuppelförmigen dreidimensionalen Körper, der aus einem Wafer geformt ist. Auf der Innenseite der Kuppel 7 und der flanschartigen Umrandung 8 sind zwei Ansteuer- Elektroden 11 als strukturierte Metallschicht aufgebracht. Mit einer derartigen Elektrodenanordnung kann das Funktionselement bzw. der Mikrospiegel 2 um eine Achse bewegt werden.
Auch andere Elektrodenanordnungen sind denkbar, um weitere Bewegungen um eine oder mehrere Achsen zu ermöglichen. 18 zeigt beispielsweise eine Anordnung mit vier Elektrodensegmenten 11. An die vier Elektroden 11 kann jeweils eine Spannung angelegt werden, sodass das Funktionselement zweiachsig verkippt werden kann. In 19 ist eine weitere Elektrodengeometrie dargestellt, bei der drei gleiche, um jeweils 120° gegeneinander rotierte Elektroden 11 angeordnet sind. Dies kann insbesondere von Vorteil sein, wenn das Funktionselement, d.h. der Mikrospiegel über drei identische, ebenfalls um 120° gegeneinander verdrehte Federelemente 3 mit dem Chiprahmen 4 verbunden ist.
10 zeigt einen Querschnitt einer montierten mikromechanischen Aktuatorvorrichtung entsprechend der 8, wobei der Chiprahmen 4 eine geringere Höhe aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, der Chiprahmen 4, die Federelemente 3 und das Funktionselement, hier ein Mikrospiegel 2, aus einem Ausgangswafer mit einer geringeren Dicke gefertigt werden. Der Mikrospiegel 2 wird im gezeigten Ausführungsbeispiel der 10 beim Zusammensetzen des ersten und zweiten Wafers 1, 6 durch ein Verbinden des Chiprahmens 4 mit der flanschartigen Umrandung auf die Kuppel 7 gedrückt. Dabei wird der Mikrospiegel 2 aus einer Ebene, in der die Federelemente 3 liegen nach oben herausgedrückt, sodass die Federelemente 3 vorgespannt werden. In einer Ruhelage des Mikrospiegels 2 sind die Federelemente 3 in diesem Ausführungsbeispiel also vorgespannt. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass der Mikrospiegel 2 in der Ruhelage weiter in das optische Fenster 16 hineinragt als in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der 8. So kann ein größerer optischer Ablenkbereich erzielt werden, in dem ein Laserstrahl, der senkrecht auf den Mikrospiegel 2 trifft aus dem optischen Fenster abgelenkt werden kann. Ein derartiger Aufbau kann auch mit anderen Antrieben realisiert werden.
11 zeigt eine mikromechanischen Vorrichtung entsprechend der 1, wobei der erste und der zweite Wafer 1, 6, wie bereits im Ausführungsbeispiel der 4 erläutert, zwischen dem Chiprahmen 4 und der flanschartigen Umrandung 8 verbunden sind. Im Ausführungsbeispiel der 11 ist ein magnetischer Antrieb dargestellt. Die Antriebseinheit umfasst Segmente weich- oder hartmagnetischer Schichten 17, die an der Unterseite des Mikrospiegels 2 angeordnet sind. Der Mikrospiegel liegt auf der Kuppel 7 direkt auf und an der Unterseite der Kuppel 7 sind Elektromagnete 18 angeordnet. Die Elektromagnete 18 sind Planarspulen, die auf der Unterseite der Kuppel durch ein Metallabscheidungs- und Lithographie-Verfahren aufgebracht sind. Bei Anlegen eines Strom an die Elektromagneten 18 wirken magnetische Kräfte auf die weich-und/oder hartmagnetischen Schichten 17, sodass diese an- oder abgestoßen werden. Dadurch kann der Mikrospiegel 2 analog zur oben beschriebenen elektrostatischen Ausführungsform bewegt werden. Die Segmente weich- oder hartmagnetischer Schichten 17 können auch in Sacklöchern versenkt werden, wie 12 zeigt. Dies kann entsprechend dem Stand der Technik beispielsweise durch Deposition magnetisierbarer Partikel und anschließende Verfestigung geschehen. Diese Methode entwickelt wenig Schichtstress und hat daher geringe Verbiegung des Mikrospiegels 2 zur Folge. Dies hat den Vorteil, das die der Kuppel zugewandte Oberfläche des Funktionselements im wesentlichen planar ist und verbessert auf der Körperoberfläche der Kuppel 7 abrollen kann.
In 13 ist wiederum schematisch eine Aufsicht auf einen Glaswafer 6 mit einem kuppelförmigen dreidimensionalen Körper gezeigt. Auf der Innenseite der Kuppel 7 sind Elektromagnete in Form von Planarspulen 18 aufgebracht. Die Planarspulen 18 sind mikrotechnisch durch Schichtabscheidung, Lithographie und Ätzung erzeugt, können aber neben anderen bekannten Verfahren auch mikrotechnisch durch Abscheidung einer Galvanikstartschicht, lithographische Strukturierung einer Fotolackmaske, Galvanisieren und Entfernen der Galvanikstartschicht erzeugt werden. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, die Planarspulen 18 auf einem flexiblen Träger separat zu fertigen und auf eine Oberseite der Kuppel 7 oder auf eine Innenseite der Kuppel 7 aufzulaminieren.
In 14 ist eine mikromechanische Aktuatorvorrichtung mit magnetischen Antriebselementen entsprechend der 12 dargestellt, wobei die Elektromagnete 18 nicht direkt auf der Innenseite der Kuppel 7 sondern auf einer Platine 19 aufgebracht sind. Das elektromagnetische Feld der Elektromagnete 18 wirkt durch die Kuppel hindurch auf die weich- oder hartmagnetischen Segmente 17.
Selbstverständlich können die Antriebselemente des magnetischen Antriebs in unterschiedlichster Weise angeordnet werden, die eine Übertragung der Kräfte auf den Mikrospiegel gestattet. So kann beispielsweise auch eine planare Spule oder Spulenanordnung auf dem beweglichen Funktionselement, d.h. in den Ausführungsbeispielen dem Spiegel 2 vorgesehen sein, während auf oder unter der Kuppel 7 Permanentmagnete platziert sind.
15 zeigt einen Querschnitt einer mikromechanischen Vorrichtung ähnlich der nach 1 mit einem Magnetlager 21, wobei die elektrostatischen oder magnetischen Antriebselemente ebenfalls weggelassen sind. Zudem ist die mikromechanische Vorrichtung der 15 bereits justiert und der erste Wafer 1 ist mit dem zweiten Wafer 6 an der flanschartigen Umrandung 8 durch Kleben verbunden. Das Magnetlager 21 ist gebildet durch eine weich- oder hartmagnetische Schicht 17, die zentral an einer Unterseite des Mikrospiegels 2 angeordnet und in diesem versenkt ist. An einer Unterseite der Kuppel 7 ist eine hartmagnetische Schicht 20 aufgebracht, die mit der weich- oder hartmagnetischen Schicht 17 korrespondiert. Die magnetischen Schichten 17 und 20, die eine größere Ausdehnung haben können als in der Figur gezeigt, ziehen einander an und zentrieren dadurch den Mikrospiegel 2 auf der Kuppel 7. Mit dieser Anordnung kann erreicht werden, dass der Mikrospiegel 2 sich auch dann nicht von der Kuppel 7 entfernt, wenn durch einen von außen einwirkenden Stoß zusätzliche Kräfte auf ihn ausgeübt werden. Das Magnetlager 21 kann auf diese Weise die Stoßunempfindlichkeit des Bauelements erhöhen. Ein weiterer Vorteil des Magnetlagers 21 kann in einer selbstjustierenden und selbstzentrierenden Wirkung bestehen, die das Ausrichten des ersten Wafers zum zweiten Wafer 6 beim Montieren vereinfacht. Der Übersichtlichkeit halber ist in 15 keine Antriebseinheit zum Bewegen des Mikrospiegels dargestellt. Es können natürlich elektrostatische Antriebe oder elektromagnetische Antriebe verwendet werden. Beispielhaft ist dafür in 16 die mikromechanische Aktuatorvorrichtung der 14 mit dem Magnetlager aus 15 dargestellt.
Wenn bei den oben beschriebenen mikromechanischen Aktuatorvorrichtungen der jeweilige elektrostatische oder elektromagnetische Antrieb aktiviert wird und dabei den Mikrospiegel 2 aus seiner Ruhelage bewegt wird, bildet die Kuppel 7 des dreidimensionalen Körpers für die verschiedenen Auslenkpositionen einen Anschlag, d.h. die Kontaktstellen zwischen dem Mikrospiegel 2 und der Kuppel 7 „wandern“ an der Oberfläche der Kuppel 7 und an dem Mikrospiegel 2 entlang. Der Spiegel 2 bzw. seine Unterseite rollt somit auf der Oberfläche der Kuppel 7, wobei der Ort der jeweiligen Kontaktstellen abhängig von der Art der Aufhängung des Spiegels 2 in ein- oder mehrachsiger Weise ist.
17 zeigt eine weitere Ausführungsform einer mikromechanischen Vorrichtung, in der ein Funktionselement in Form eines Mikrospiegels 2 ausschließlich durch ein Magnetlager 21 entsprechend dem Magnetlager 21 der 15 fixiert ist. Auch in diesem Ausführungsbeispiel sind die Antriebselemente weggelassen, sie können wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen ausgebildet und angeordnet sein. Nachdem der Spiegel 2 einmal in einer Richtung ausgelenkt wurde, ist ein aktives Zurückziehen in die Ausgangsposition nur durch einen entsprechend ausgelegten Antagonisten möglich, vorzugsweise handelt es sich also wieder um eine symmetrische Anordnung von Elektroden oder magnetischen Aktuatoren, die das Rückstellen ermöglichen. Der Vorteil einer solchen Anordnung liegt darin, dass der Aktuator nicht noch die Rückstelldrehmomente oder Kräfte einer Federaufhängung überwinden muss.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen dient die Kuppel 7 bzw. der dreidimensionale Körper als Auflage und zur Anordnung von Antriebselementen. Es ist jedoch auch möglich, dass die Kuppel bzw. der dreidimensionale Körper nur als Auflage dient und die Antriebselemente zur Erzeugung der Kräfte zur Auslenkung des Spiegels 2 lediglich durch Antriebselemente an oder auf dem Spiegelwafer 1 untergebracht sind beispielsweise in Form von piezoelektrischen Aktuatoren, die auf den Federelementen des Spiegels 2 realisiert werden.
Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel kann zur Auslenkung des magnetisch angetriebenen Spiegels 2 ein Permanent- oder auch Elektromagnet lateral unterhalb des Spiegels 2 und auch unterhalb der Kuppel 2 verschoben werden. Dadurch wird die Symmetrie gebrochen und es entstehen asymmetrische Drehmomente und damit eine Auslenkung des Spiegels 2.
In 20 ist ein nicht unter die Erfindung fallen- des Beispiel dargestellt, bei dem der dreidimensionale Körper auf eine andere Weise geformt ist. Der dreidimensionale Körper weist einen im Querschnitt kegelstumpfförmigen oder pyramidenförmigen Körper 22 auf, der sich an die Umrandung anschließt. Ansonsten entspricht der Aufbau dem, der in Zusammenhang mit den 1 bis 8 beschrieben wurde. Bei dieser Ausführungsform kontaktiert der Mikrospiegel 2 großflächiger an dem Körper 22 bzw. der darauf aufgebrachten Isolierschicht auf. Durch eine entsprechende Ansteuerung durch die Antriebseinheit können verschiedene diskrete Positionen des Spiegels 2 oder eines anderen Funktionselementes eingenommen werden.
21 zeigt eine Ausführungsform der mikromechanischen Aktuatorvorrichtung mit einem magnetischen Antrieb, wobei der MEMS-Wafer 1 mit dem beweglichen Funktionselement in Form des an Federn 3 im starren Chiprahmen 4 beweglich aufgehängten Spiegels 2 im wesentlichen dem nach den 11 und 12 entspricht. MEMS-Wafer 1 und Gegenwafer 6 stellen wie vorher getrennt voneinander gefertigte Wafer dar. Der hier dargestellte Gegenwafer 6 ist in dem gezeigten Fall mit einer dreidimensional vorzugsweise aus Glas gefertigten pyramidenförmigen Oberfläche versehen, die nicht unter die Erfindung fällt. Die beiden Wafer 1, 6 sind in dieser Darstellung bereits zueinander justiert aufeinander montiert worden. Dazu besitzt Gegenwafer 6 um den Bereich der pyramidenförmigen Kuppel 22 herum die planare Auflagefläche (Bondfläche) bzw. Umrandung 8. Unter der Spiegelplatte sind Hartmagnete 17 angebracht. Auf einem weiteren Mikroaktuator-Wafer 24, der unterhalb des Gegenwafers 6 platziert ist, befindet sich ein weiterer Hartmagnet 23, der auf bzw. in einer lateral beweglich an Federn 28 aufgehängten Platte 29 angebracht ist (siehe 22). Die laterale Verschiebung kann, wie hier dargestellt, in einer Dimension realisiert sei, oder aber auch in zwei oder drei Dimensionen ermöglicht sein. Befindet sich der lateral verschiebbare Magnet 23 in der kräftefreien Grundposition, dann wirken auf die unter der Spiegelplatte 2 angebrachten Magnete 17 gleich große Kräfte. Es resultiert daher kein Netto-Drehmoment auf den Spiegel 2. Wird der Magnet 23 jedoch, wie hier dargestellt, nach links lateral verschoben, dann wird der Abstand zwischen den Magneten 17 und 23 verringert. Bei entsprechend aufeinander zu gerichteten ungleichnamigen Polen der beiden Magnete kommt es durch die Abstandsverringerung zu einer Erhöhung der magnetischen Anziehungs-Kräfte und somit zu einem Netto-Drehmoment, das den Spiegel, wie hier dargestellt, so verkippt, dass die Spiegelplatte einseitig auf den Gegenwafer 6 heruntergezogen wird. Durch Verfahren des lateral beweglichen Magneten 23 in seine Ausgangsposition (siehe hellen Pfeil) verringern sich die Anziehungskräfte wieder und die Spiegelplatte 2 kann dadurch in ihre Ausgangsstellung zurückkehren.
In ist ein Ausschnitt des zusätzlichen MEMS-Wafers 24 mit der lateral beweglich an Federn 28 aufgehängten Platte 29 dargestellt. Auf der Platte 29 oder in der Platte 29 ist ein Magnet 23 angebracht. Als Beispiel für einen lateral beweglichen Aktuator besitzt die hier dargestellte Anordnung statische Elektrodenfinger 27, die am starren Rahmen 25 angebracht sind und Elektrodenfinger 26, die an der beweglichen Platte 29 angebracht sind. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die kammförmig ineinander greifenden Elektroden 26 und 27 links der beweglichen Platte 29 kommt es zu einer lateral wirkenden Kraft, die die beweglichen Finderelektroden 26 in die statischen Fingerelektroden 27 hineinzieht. Dadurch wird gleichzeitig der Magnet 23 lateral verschoben. Das gleiche Aktuatorprinzip ließe sich auch auf einen Aktuator übertragen, der in zwei zueinander senkrechten Dimensionen lateral verschiebbar wäre. Dazu wären ein weiterer umgebender Rahmen, sowie weitere Federn und weitere Elektrodenfinger senkrecht zur Ausrichtung der bereits bestehenden anzubringen.

Claims

Mikromechanische Aktuatorvorrichtung mit einem feststehenden Trägerteil und einem um zumindest eine Achse bewegbaren Funktionselement (2) und einer Antriebseinheit zum Bewegen des Funktionselements (2) relativ zum Trägerteil, wobei das Trägerteil einen dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) mit einer Körperoberfläche aufweist, an der eine Oberfläche des Funktionselements (2) an zumindest einer Kontaktstelle anliegt, wobei bei der Bewegung des beweglichen Funktionselements (2) relativ zum Trägerteil die Kontaktstelle an verschiedenen Orten auf der Körperoberfläche des dreidimensionalen Körpers (7, 22; 8) und/oder an verschiedenen Orten auf der Oberfläche des Funktionselements (2) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Funktionselement (2) über mindestens ein Federelement (3) elastisch mit einem Rahmen (4) verbunden ist, der Bestandteil des Trägerteils ist und dass der dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) als Kuppel (7) mit einer die Kuppel umgebenden flanschartigen Umrandung (8) ausgebildet ist, wobei die Kuppel eine gekrümmte Oberfläche aufweist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Körper (7, 22; 8) aus einem ersten eine Waferebene aufweisenden Wafer (1), vorzugsweise einem Glaswafer, und/oder das bewegbare Funktionselement (2) aus einem zweiten Wafer (6) gebildet ist, wobei der dreidimensionale Körper (7, 22; 8) aus der Waferebene, vorzugsweise senkrecht, ausgeformt ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Körper (7, 22; 8) und das bewegbare Funktionselement (2) derart ausgebildet sind, dass ein Abstand zwischen dem bewegbaren Funktionselement (2) und dem dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) ausgehend von der Kontaktstelle in Richtung einer Außenkante des beweglichen Funktionselements (2) zur Bildung einer ortsabhängigen Kraft zunimmt.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegbare Funktionselement (2) und der dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) zur Bildung eines Magnetlagers jeweils einen Bereich einer weich- und/oder hartmagnetischen Schicht (17) aufweisen, die sich anziehen und über die das bewegbare Funktionselement (2) mit dem dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) verbunden ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit zumindest zwei korrespondierende Antriebselemente (10, 11) aufweist, wobei mindestens ein erstes Antriebselement vorzugsweise an dem Funktionselement (2) und mindestens ein zweites Antriebselement an dem dreidimensionalen Körper (7, 22, 8) angeordnet ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Antriebselemente aufweisende Antriebseinheit als ein elektrostatischer Antrieb und/oder magnetischer Antrieb realisiert ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest zwei korrespondierenden Antriebselementen (10, 11) eine elektrisch- und/oder magnetisch-isolierende Isolationsschicht (12) angeordnet ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Antriebselement als Elektrode (10, 11) oder magnetische Schicht (17) und das zweite Antriebselement als Elektrode (10,11) oder als eine Spule aufweisender Elektromagnet (18) ausgebildet sind.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Antriebselement direkt oder auf einem flexiblem Träger (13) oder einer Platine (19) aufgebracht sind, und der flexible Träger (13) oder die Platine (19) mit dem Funktionselement (2) und/oder dem dreidimensionalen Körper (7, 8; 22) verbunden ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine als Spule ausgebildete Antriebselement eine vorverzerrte Form zum Aufbringen der Spule auf die vorzugsweise gekrümmte Körperoberfläche aufweist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zweite Antriebselement zu dem mindestens einen ersten Antriebselement verschiebbar angeordnet ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Mikroaktuator-Wafer mit einem starren Rahmen (24) und einer an Federn (28) aufgehängten Platte (29) mit mindestens einem Permanentmagneten (23) unter dem dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) mit diesem verbunden ist, wobei die Verschiebebewegung der Platte (29) durch einen weiteren Aktuator, vorzugsweise über kammförmig ineinandergreifende Elektroden (26, 27), realisiert ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb als piezoelektrischer Antrieb ausgebildet ist, wobei mindestens ein piezoelektrischer Aktuator an oder in der Nähe des Funktionselements (2) derart angeordnet ist, dass eine von dem piezoelektrischen Aktuator erzeugt Kraft auf das Funktionselement (2) zu dessen Auslenkung wirkt.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (2) ein Mikrospiegel ist.
Mikromechanische Aktuatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Trägerteil ein Anschlag (14) zur Begrenzung eines maximalen Ausschlages des Funktionselements (2) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen einer mikromechanischen Aktuatorvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 15, wobei - ein dreidimensionaler Körper (7, 22; 8) als Kuppel mit einer gekrümmten Oberfläche aus einem ersten Wafer (1) mit einer Waferebene geformt wird, wobei die Ausformung der sich aus der Waferebene heraus wölbenden Kuppel (7) im wesentlichen senkrecht zur Waferebene gebildet wird und in der Waferebene eine flanschartige Umrandung (8) verbleibt, - aus einem zweiten Wafer (6) ein Rahmen (4) mit einem um mindestens eine Achse bewegbaren, über Federelemente (3) mit dem Rahmen (4) verbundenen Funktionselement (2) erzeugt wird, - das mindestens eine erste Antriebselement auf das Funktionselement (2) oder auf den Rahmen (4) aufgebracht wird, - das mindestens eine zweite Antriebselement auf den dreidimensionalen Körper (7, 22; 8) und/oder einen mit diesem verbundenen flexiblen Träger (13) oder eine Platine (19) aufgebracht wird und - der Rahmen (4) des ersten Wafers (1) mit der flanschartigen Umrandung (8) des zweiten Wafers (6) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wafer und ein zweiter Wafer bereitgestellt werden, die jeweils entsprechend den Schritten des vorhergehenden Anspruchs zu einer Vielzahl von Aktuatorvorrichtungen bearbeitet werden und nach der Bearbeitung der erste Wafer mit dem zweiten Wafer verbunden wird, wobei die jeweiligen Rahmen (4) des ersten Wafers mit den jeweiligen flanschartigen Umrandungen (8) des zweiten Wafers verbunden werden und die verbundenen Wafer in eine Vielzahl von mikromechanischen Aktuatorvorrichtungen durch Trennen aufgeteilt werden.