WO2015188986A1 - Mikromechanisches bauteil mit zwei schwingachsen und herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauteil - Google Patents

Mikromechanisches bauteil mit zwei schwingachsen und herstellungsverfahren für ein mikromechanisches bauteil Download PDF

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axis
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bending beam
spring
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Stefan Pinter
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Robert Bosch Gmbh
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    • B81B2203/058—Rotation out of a plane parallel to the substrate

Definitions

  • the invention relates to a micromechanical component. Furthermore, the invention relates to a production method for a micromechanical component.
  • DE 10 201 1 006 598 A1 are components with an adjustable part and method for operating a component with an adjustable part
  • the invention provides a micromechanical component having the features of claim 1 and a manufacturing method for a micromechanical component having the features of claim 10.
  • the present invention provides micromechanical components with an adjustable part, which is adjustable in relation to a mounting of the micromechanical component by means of a resonant oscillatory motion by a comparatively large "resonant" rotation angle and at the same time by means of a quasi-static oscillatory movement to a large "static” rotation angle.
  • micromechanical components can be realized by means of the present invention, in which the adjustable part is adjustable by means of two resonant oscillatory movements.
  • micromechanical components are in particular so formable that large amplitudes for the resonant oscillatory movement of the adjustable part can be achieved and at the same time counteracts the smallest possible restoring force / spring restoring force of a constant deflection of the adjustable part by means of quasi-static oscillatory motion.
  • an advantageous coupling / connection of the adjustable part to the respective suspension structure of the micromechanical component is a
  • the adjustable part can therefore be adjusted by comparatively large "resonant” and “static” rotation angle about the two axes of rotation, whereby an increase of a maximum possible rotation angle for the micromechanical component is achieved.
  • the micromechanical components realized according to the invention can have a comparatively simple construction.
  • the micromechanical components realized according to the invention are therefore comparatively easy to produce.
  • comparatively simple operating electronics can be used to operate the micromechanical components realized according to the invention.
  • the present invention also provides micromechanical components in which three rotational degrees of freedom for adjusting the adjustable part with respect to the holder are realized. For all three rotational degrees of freedom also relatively large "resonant" and / or “static” rotation angle of the adjustable part with respect to the support executable.
  • the suspension structure comprises at least one bending beam. The at least one bending beam is reliably displaceable by means of the at least one actuator device in natural oscillations, wherein a bearing of the at least one vibration point of the excited
  • Natural oscillations can be easily determined.
  • natural oscillations can be easily determined.
  • Vibration nodes of multiple natural oscillations are in the same place.
  • the only bending beam of the suspension structure or at least one of the bending beams of the suspension structure can run without interruption along a predetermined beam longitudinal axis.
  • Bending beam is thus relatively easy to train.
  • such a bending beam can be structured out of a semiconductor layer by means of easily executable etching processes.
  • Suspension structure a lying between a first beam portion and a second beam portion inner frame, on which the adjustable
  • first beam section and the second beam section can extend along a first spatial direction, wherein the adjustable part is suspended on the inner frame via the at least one spring, which extends along a second spatial direction perpendicular to the first spatial direction. Also such a trained
  • Suspension structure is easy to prepare / etch and ensures good adjustability of the adjustable part with respect to the holder, for example, around the first spatial direction and the second spatial direction.
  • the only bending beam of the suspension structure or at least one of the bending beam of the suspension structure may be formed meander-shaped.
  • a meander-shaped bending beam can also be set in natural oscillations, whereby the natural oscillations (due to the long formability of the meander-shaped bending beam) counteract a comparatively small restoring force.
  • the meandering bending beam to reduce the Restoring force is comparatively long formable, a space-saving design can be easily realized on the micromechanical component.
  • the only bending beam of the suspension structure or at least one of the bending beam of the suspension structure can contact the bracket with an anchoring area.
  • the single bending beam of the suspension structure or at least one of the bending beams of the suspension structure can also be connected to the support at least via at least one external spring.
  • the at least one outer spring may e.g. at least one torsion spring, at least one meander-shaped spring, at least one U-spring and / or at least one double U-spring.
  • Bending beam can be used on the bracket.
  • deviating forms for the at least one outer spring are also possible from the examples listed here.
  • 1 a and 1 b is a schematic representation of a first embodiment of the micromechanical component and a schematic representation of natural oscillations of the latter
  • suspension structure 2a to 2c are schematic representations of a second embodiment of the micromechanical component
  • 3a and 3b are schematic representations of a third embodiment of the micromechanical component
  • 4 shows a schematic illustration of a fourth embodiment of the micromechanical component
  • 5a and 5b is a schematic representation of a fifth embodiment of the micromechanical component and a schematic representation of natural oscillations of the latter
  • suspension structure 6 is a schematic representation of a sixth embodiment of the micromechanical component
  • FIG. 7 is a schematic representation of a seventh embodiment of the micromechanical component
  • FIG. 8 is a schematic representation of an eighth embodiment of the micromechanical component
  • FIG. 9 is a schematic representation of a ninth embodiment of the micromechanical component
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a tenth embodiment of the micromechanical component
  • 1 1 a to 1 1 d are schematic representations of different types of spring which can be used as outer springs for the micromechanical component
  • FIG. 12 shows a schematic representation of an eleventh embodiment of the micromechanical component
  • FIG. 13 is a schematic representation of a twelfth embodiment of the micromechanical component
  • Fig. 14 is a schematic representation of a thirteenth
  • Fig. 15 is a schematic representation of a fourteenth
  • Fig. 16 is a schematic representation of a fifteenth
  • FIG. 17 is a flowchart for explaining an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 a and 1 b show a schematic representation of a first
  • Embodiment of the micromechanical component and a schematic representation of natural vibrations of the suspension structure Embodiment of the micromechanical component and a schematic representation of natural vibrations of the suspension structure.
  • the micromechanical component shown schematically in FIG. 1 a has a holder 10 (only partially shown) and a part 12 that can be adjusted in relation to the holder 10.
  • the adjustable part 12 is a micromirror equipped with a mirror surface 14.
  • the adjustable part 12 may also have another optically active surface or be formed in at least one spatial direction continuously from an optically active material.
  • the adjustable part 12 may be formed, for example, as an optical grating, a beam splitter, a filter and / or a prism.
  • the adjustable part 12 is suspended on the holder 10 at least via a suspension structure 16.
  • a suspension structure 16 In the embodiment of Fig. 1 a is the
  • Suspension structure 16 a bending beam 16, which one lying between a first beam portion 16a and a second beam portion 16b
  • Inner frame 18 includes.
  • the first (bar-shaped) bar section 16a and the second (bar-shaped) bar section 16b run along a first spatial direction x (straight / deviating).
  • the adjustable part 12 is suspended by means of at least one spring 20 on the inner frame 18.
  • the at least one spring 20 extends along a second spatial direction y 'running perpendicular to the first spatial direction x.
  • the adjustable part 12 is suspended between two springs 20 in an inner space spanned by the inner frame 18.
  • Fig. 1 a contacted the bending beam 16 with a
  • a length L is defined, which extends along the first spatial direction x of the anchoring portion 30 to an end portion 32 directed away therefrom.
  • the illustrated in Fig. 1 a bending beam 16 may thus be referred to as cantilevered bending beam 16.
  • the one-sided suspension of the bending beam 16 / suspension structure 16 on the support 10 reduces a restoring force which results in a deformation, bending or torsion of the bending beam 16 / suspension structure 16, e.g. a Torsionsauslenkung the bending beam 16 / the suspension structure 16, counteracts.
  • the micromechanical component also comprises at least one actuator device 22a, 22b and 24.
  • the at least one actuator device 22a, 22b and 24 is designed such that by means of an operation of the at least one actuator device 22a, 22b and 24 at least a first subsection 26a of the suspension structure 16 in a first harmonic oscillatory motion along a first
  • Swing axle 28a is displaceable.
  • at least one actuator device 22a, 22b and 24 by means of the operation of the at least one actuator device 22a, 22b and 24, at least one second subsection 26b of the suspension structure 16 is in a second harmonic
  • the swing axles 28a and 28b are preferably aligned perpendicular to each other.
  • the oscillating axes 28 a and 28 b extend perpendicular to the first spatial direction x, wherein the first oscillating axis 28 a is aligned parallel to the second spatial direction y 'and the second
  • Actuator 22 a, 22 b and 24 is preferred, in which the first
  • Swinging motion is.
  • the first oscillatory motion is 90 ° out of phase with the second oscillatory motion.
  • the actuator device 22a, 22b and 24 at least one vibration of the bending beam 16 in at least one
  • Actuator 22a, 22b and 24 also generates further vibration modes in a plane perpendicular to the image plane of Fig. 1 b extending rocking plane.
  • Subsections 26a and 26b are generated, which are preferably aligned perpendicular to each other. As will be explained in more detail below, these movements / oscillatory movements of the subsections 26a and 26b can be used to adjust the adjustable part 12.
  • Suspension structure 16 / the bending beam 16 excitable.
  • both natural oscillations of the suspension structure 16 / of the bending beam 16 in a first plane spanned by the first spatial direction x and the first oscillation axis 28a and also natural oscillations S1 to S3 of the suspension structure 16 / of the bending beam 16 are in one of the first spatial direction x and the second oscillation axis 28b constitutespbar second plane stimulable.
  • the actual oscillation behavior of the suspension structure 16 / of the bending beam 16 corresponds to a superimposition of the different excited natural vibrations.
  • Fig. 1 b are a first natural vibration S1 of the bending beam 16 / the
  • the first natural vibration S1 has no vibration node.
  • the second natural vibration S2 has a vibration node P2 (which is about% L).
  • For the third self-oscillation S3 are a first
  • Vibration node P31 (at about Vi L) and a second
  • Vibration node P32 (at about 21/24 L) can be determined. (The positions of nodes P2, P31, and P32 can shift as soon as there are deviations from an ideal bar.)
  • the length L of the bending beam 16 (or its width and / or its height) may in particular be selected such that vibration nodes P2, P31 and P32 of natural vibrations S1 to S3 in the second plane (from the first
  • Vibration nodes of natural oscillations in the first plane coincide. This is e.g. for the oscillation node P2 of the second natural oscillation S2 at% L or for the two oscillation nodes P31 and P32 of the third natural oscillation S3 at! L and 21/24 L feasible.
  • the adjustable part 12 is connected via the at least one spring 20 to at least one vibration node P2, P31 and P32 of at least one of the excited natural oscillations S1 to S3 of the suspension structure 16. (The at least one spring 20 thus contacts the at least one
  • the adjustable part 12 via the at least one spring 20 to at least one
  • Vibration node P2, P31 and P32 at least one of the excited natural oscillations S1 to S3 of the suspension structure 16 in the (perpendicular to the second spatial direction y ') aligned second plane connected.
  • the adjustable part 12 is connected via the at least one spring 20 to the vibration node P2 of the second
  • Natural vibration of the suspension structure 16 / the bending beam 16 is usually influenced by the connection of the adjustable part 12.
  • Bending beam / the suspension structure 16 can be reliably ensured that the adjustable part 12 by means of the suspended in the natural oscillations S1 to S3 suspension structure 16 in a resonant oscillatory motion about the second
  • Suspension structure 16 in the first plane spanned by the first spatial direction x and the first oscillating axis 28a nor a force F on the in the resonant oscillatory motion (about a first axis of rotation 34a) adjustable part 12.
  • the force F is proportional to the product of a first Auslenkamplitude of
  • the adjustable part 12 is therefore during its resonant oscillatory movement (about the first axis of rotation 34a / the second spatial direction y ') also (with respect to the holder 10) in a (preferably quasi-static) oscillating motion / rotational movement about the first spatial direction x (inclined to the first axis of rotation 34a) as a second Rotatable axis 34b displaceable.
  • the two axes of rotation 34 a and 34 b (or the two
  • Spatial directions x and y ') are aligned perpendicular to each other.
  • the adjustable part 12 is dimensioned so that its
  • Natural frequency with respect to the resonant oscillatory motion about the first axis of rotation 34a (or a multiple of this natural frequency) with at least one
  • Suspension structure 16 (or a multiple of such natural frequency) matches.
  • adjustable part 12 (or a multiple of this natural frequency) with at least one natural frequency of a natural vibration of the bending beam 16 / the
  • Plotted angle a16 indicates a sinusoidal inclination of the bending beam 16, which is offset in its second natural vibration S2 in the second plane, at the vibration node P2.
  • an angle a12 is drawn, which simultaneously caused tilting of the adjustable part about the first axis of rotation 34a with respect to its rest position / the holder 10th reproduces. It can be seen that by means of a suitable determination of the
  • the micromechanical component has
  • Piezo elements 22a, 22b and 24 as the at least one actuator means 22a, 22b and 24 on.
  • two (strip-shaped) piezo elements 22a and 22b are parallel to the first one
  • the two piezo elements 22a and 22b are driven by 180 ° out of phase.
  • the curvature that can be realized in this way on each side of the surface of the first subsection 26a aligned parallel to the first oscillating axis 28a leads to the first harmonic oscillating movement of the first subsection 26a (or of the bending beam 16).
  • the second harmonic oscillating movement of the second subsection 26b along the second oscillating axis 28b can be effected by means of a (strip-shaped) piezoelement 24 which is applied to a surface of the second subsection 26b aligned perpendicular to the second oscillating axis 28b.
  • the piezoelectric element 24 is periodically compressible, causing periodic compression of the surface of the second subsection 26b oriented perpendicular to the second oscillatory axis 28b. This triggers the second harmonic oscillatory movement of the second sub-section 26b (or the bending beam 16).
  • Actuator 22a, 22b and 24 as (strip-shaped) piezo elements 22a, 22b and 24 is to be interpreted by way of example only.
  • at least one electrostatically acting interdigital electrode, at least one Plate electrode and / or at least one electromagnetic actuator for exciting the oscillatory movements of the subsections 26a and 26b are used.
  • Fig. 2a to 2c show schematic representations of a second
  • Embodiment of the micromechanical component Embodiment of the micromechanical component.
  • Component has four as the at least one actuator device 40a to 40d
  • Piezo elements 40a to 40d are each arranged on a (first) subsection 26 a of the bending beam 16 such that each outer side of the (first)
  • Subsection 26a carries exactly one piezoelectric element 40a to 40d.
  • a first pair of two piezo elements 40a and 40b of the four piezo elements 40a to 40d lie on outer sides of the (first) lower section 26a aligned perpendicular to the first oscillating axis 28a.
  • a second pair of two piezo elements 40c and 40d of the four piezo elements 40a to 40d are arranged on outer sides of the (first) subsection 26a which run perpendicular to the second oscillation axis 28b.
  • the four piezo elements 40a to 40d are connected such that, if a first piezo element 40a and 40c of the same pair is compressed, a second piezo element 40b and 40d of the same pair expands. Accordingly, if the first piezo element 40a and 40c of the same pair expand, the second piezo element 40b and 40d of the same pair will be
  • Subsection 26a (or the bending beam 16), which is represented by the arrow 42.
  • the points of a central axis running centrally between the surfaces with the piezoelements 40a to 40d perform an elliptical movement (preferably a circular movement) during the "hula-hoop" movement, which can also be described as meaning that the (first) subsection 26a in the first harmonic oscillatory motion along the first
  • Oscillating axis 28a and in the second oscillatory movement along the inclined inclined to the first oscillating axis 28a second oscillating axis 28b is offset. Also in this way the natural oscillations of the
  • 3a and 3b show schematic representations of a third embodiment of the micromechanical component.
  • the bending beam 16 of the embodiment of FIGS. 3 a and 3 b has a locally tapered section 44 formed adjacent to the mounting 10.
  • Torsional rigidity of the bending beam 16, in particular in a rotational movement of the bending beam 16 about the first spatial direction x, reducible is reduced.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of the micromechanical component.
  • the micromechanical component shown schematically in FIG. 4 has, as suspension structure 50, a (cantilevered) bending beam 50, which runs without interruption (without deviation) along the first spatial direction x as a predetermined beam longitudinal axis.
  • the bending beam 50 may also be referred to as a straight (frameless) bending beam 50.
  • a rod-shaped bending beam 50 can be understood.
  • the adjustable part 12 is directly at at least one vibration node P2 at least one of (at least one of the (not shown)
  • the adjustable part 12 may be attached directly to an outer side of the bending beam 50.
  • the adjustable part 12 is fastened directly to a connection point on an outside of the bending beam 50 oriented parallel to the first spatial direction x (and perpendicular to the second oscillation axis 28b).
  • the joint between the adjustable part and the bending beam 50 is preferably designed so small area that the vibration behavior of the bending beam 50 is hardly / not affected.
  • Bending beam 50 is taken into account that the position of the at least one vibration node P2 of the at least one excitable
  • the adjustable part 12 may also comprise a connection post which abuts on the at least one on the outside of the bending beam 50 / the
  • Suspension structure 50 underlying vibration node P2 is based.
  • Natural oscillations in the first plane and in its natural oscillations S1 to S3 used in the second level With a constant phase shift between the excited oscillating motions, preferably of 90 °, a torque results in the temporal mean around the first spatial direction x. Also in the embodiment of FIG. 4, therefore, the adjustable member 12 in the resonant oscillatory movement about the first axis of rotation 34 a (with a
  • Oscillation movement / rotation about the second axis of rotation 34 b (at a much slower frequency) with respect to the holder 10 are added. Also in this case, large oscillation amplitudes for the adjustable part 12 can be achieved, which is why a deflected by means of the adjustable part 12 light beam is widely deflected.
  • Fig. 5a and 5b show a schematic representation of a fifth
  • Embodiment of the micromechanical component and a schematic representation of natural vibrations of the suspension structure Embodiment of the micromechanical component and a schematic representation of natural vibrations of the suspension structure.
  • the schematically illustrated by means of FIGS. 5a and 5b bending beam 16 is without a clamping on the holder 10 before. Instead, the bending beam 16 is connected as a suspension structure 16 at least over at least one (not shown) outer spring with the holder 10. A distance of the two most spaced end portions 32a and 32b of the bending beam 16 along the first spatial direction x defines the length L of the bending beam 16. In particular, the two end portions 32a and 32b of the bending beam 16 can be free (ie without mechanical contact with the at least one Outer spring) are present.
  • the bending beam 16 shown in FIGS. 5a and 5b can thus be described as a bending beam 16 free on both sides.
  • the bending beam 16 which is free on both sides, can also be transformed into its natural vibrations in the first plane and in its own
  • Natural oscillations are offset in its second plane.
  • the adjustable part 12 is connected via the at least one spring 20 to one of the off-center
  • the adjustable part 12 may also (as shown in FIG. 4) be connected to the bending beam 16 without the at least one spring 20.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a sixth embodiment of the micromechanical component.
  • the adjustable part 12 is connected via the at least one spring 20 to the centrally located oscillation node PH21 of the second hula hoop mode H2 of the bending beam 16.
  • the advantages already described above can be realized.
  • adjustable part 12 can be connected to the bending beam 16 without the at least one spring 20 in this embodiment.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a seventh embodiment of the micromechanical component.
  • the micromechanical component of FIG. 7 is a development of
  • the two end portions 32a and 32b of the bending beam 16 of FIG. 7 are connected via an outer spring 52 with the holder 10. For each outer spring 52 a spring straight line passes through its anchor point on the holder 10 and through her
  • Anchoring point on the bending beam 16 along the first spatial direction x is Anchoring point on the bending beam 16 along the first spatial direction x.
  • each of the outer springs 52 is formed as a double U-spring 52.
  • Each double U-spring 52 has between a along the spring straight extending first spring longitudinal portion and a along the
  • FIG. 8 shows a schematic representation of an eighth embodiment of the micromechanical component.
  • the bending beam 16 is connected via four outer springs 52 to the holder 10.
  • two of the four outer springs 52 are anchored to a respective beam portion 16a and 16b between the end portion 32a or 32b formed thereon and the inner frame 18 such that the respective beam portion 16a or 16b is located between the two outer springs 52 and the spring straight of the two outer springs 52 coincide ,
  • the spring straight lines of all four outer springs 52 are aligned perpendicular to the first spatial direction x.
  • the suspension of the bending beam 16 by means of the spaced apart from the end portions 32 a and 32 b outer springs 52 facilitates the stimulation of hula hoop vibration modes H1 and H2 in addition.
  • H1 and H2 in addition.
  • the outer springs 52 are designed as double U-springs 52. However, such a design of the outer springs 52 is to be interpreted only as an example.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a ninth embodiment of the micromechanical component.
  • the micromechanical component of FIG. 9 is a development of
  • the bending beam 16 is connected to an outer frame 54 via the four outer springs 52.
  • the first spatial direction x extend on both sides on the outer frame 54, two further outer springs 56, which on the
  • Bracket 10 are anchored.
  • a "soft” spring suspension of the bending beam is also feasible in this way to achieve a Torsionsausschung.
  • FIG. 10 shows a schematic representation of a tenth embodiment of the micromechanical component.
  • FIG. 10 has an interruption-free
  • the adjustable part 12 is directly connected to at least one oscillation node PH21 of the hula hoop.
  • Outer spring 52 anchored. About the two outer springs 52 of the bending beam 50 is connected to the bracket 10. Also in the embodiment of FIG. 10, the outer springs 52 are double U-springs 52 whose spring straight lines extend along the first spatial direction x. Such a training of
  • External springs 52 is to be interpreted only as an example.
  • FIG. 10 can also be modified and developed according to the micromechanical components of FIGS. 8 and 9 described above.
  • Fig. 1 1 a to 1 1 d show schematic representations of various than
  • Outer spring for the micromechanical component usable spring types.
  • the at least one outer spring may comprise at least one meander-shaped spring 58 and 60 (FIGS 1 1 d), at least one U spring 62 (FIG. 11 b) and / or at least one double U spring 52 (FIG. 11 c).
  • various types of meandering springs 58 and 60 may be used as the at least one outboard spring.
  • the arcs face away from the spring straight of the meandering spring 58.
  • the arcs of the meandering spring 60 are partly at their anchoring point on the holder 10 and partly at their anchoring point on the bending beam 16.
  • FIG. 12 shows a schematic representation of an eleventh embodiment of the micromechanical component.
  • the micromechanical component shown schematically in FIG. 12 has a suspension structure 70 consisting of two bending beams 72. Each of the two bending beams 72 has an anchoring area 30 which contacts the holder 10.
  • the adjustable member 12 is connected via a respective spring 20 with each of the two bending beams 72, wherein each of the springs 20 associated with the
  • Bending beam 72 at least one vibration node of
  • Bending beam 72 is displaceable, contacted.
  • the adjustable part 12 is thus suspended on two sides by the suspension structure 70 from the two bending beams 72 on the holder 10.
  • the two springs 20 are also in this
  • the two bending beams 72 of the suspension structure 70 are formed meander-shaped.
  • Each of the two bending beams 72 has a first end portion 72 a, whose anchoring region 30 contacts the holder 10.
  • Each of the springs 20 contacts at least one vibration node located at a second end portion 72b of the associated bending beam 72
  • each of the two second end portions 72b (laterally offset from the first end portions 72a) is parallel to the first
  • Each first end portion 72a is above a meandering intermediate portion 72c with the associated second one
  • Bending beam 72 the micromechanical component despite the comparatively large total length of the two meandering bending beam 72 comparatively small auslagbar.
  • the arrows 71 drawn in FIG. 12 represent oscillating movements of the individual elements of the micromechanical component.
  • FIG. 13 shows a schematic representation of a twelfth embodiment of the micromechanical component.
  • the adjustable part 12 is connected via a respective spring 20 to the two second end portions 74b of the two angled bending beams 74 of the micromechanical component.
  • End sections 74b each extend perpendicular to the second spatial direction y ', along which the two springs 20 extend. Each second end portion 74 contacts the first end portion 74a of the same cantilever 74.
  • End portions 74b aligned. For example, an angle of 90 ° between a second end portion 74b and an associated first
  • End portion 74a of the same bending beam 74 are present. Also one
  • Suspension structure 70 of the two angled bending beam 74 ensures the advantages described above.
  • 14 shows a schematic representation of a thirteenth embodiment of the micromechanical component.
  • the two second end portions 76b of each of the two bending beams 76 of the suspension structure 70 are aligned along a second rotation axis 34b oriented perpendicular to the second spatial direction y '.
  • the first end portion 76a of each of the two bending beams 76 of the suspension structure 70 is connected to the associated second end portion 76b via an intermediate portion 76c.
  • the intermediate portion 76c may be aligned perpendicular to the end portions 76a and 76b of the same cantilever 76.
  • the bending beams 76 of the embodiment of FIG. 14 thus also have a meandering (or angled) shape.
  • Fig. 15 shows a schematic representation of a fourteenth embodiment of the micromechanical component.
  • the second end portion 78b of each bending beam 78 of the suspension structure 70 is formed shorter than the first end portion 78a of the same bending beam 78.
  • End portions 78a and 78b of a bending beam 78 are interconnected via an intermediate portion 78c oriented perpendicular thereto.
  • the embodiment of the two bending beams 78 of the micromechanical component reproduced in FIG. 15 permits comparatively large overall lengths of the two bending beams 78 despite a comparatively space-saving design of the micromechanical component.
  • a spring stiffness of the two bending beam 78 is thus without an increase in the space requirement of
  • Micro-mechanical component can be reduced.
  • FIG. 16 shows a schematic representation of a fifteenth embodiment of the micromechanical component. In the embodiment of Fig. 16, between each first end portion 80a and the associated second end portion 80b of the same
  • Bend beam 80 three intermediate portions 80c to 80e, wherein each of the three intermediate portions 80c to 80e is oriented at an angle of 90 ° inclined to the at least one adjacent intermediate portion 80c to 80e.
  • the intermediate portions 80c and 80e contacted by the two end portions 80a and 80b are aligned perpendicular to the contacted end portion 80a or 80b. This can also be described by the fact that the two bending beams 80 of the micromechanical component of FIG. 16
  • each bending beam 80 which almost a sum of the
  • the micromechanical component of FIG. 16 is therefore particularly space-saving and space-saving design.
  • micromechanical components described above can be used for example in a scanner.
  • a light beam such as a laser beam
  • a fast frequency about a first predetermined axis and at a lower constant frequency or static (depending on the excitation frequencies and their
  • Phase relationships are deflected about a predetermined second axis.
  • the micromechanical components described above can also be used in micromirrors, optical switches or optical multiplexers.
  • FIG. 17 shows a flowchart for explaining an embodiment of the manufacturing method for a micromechanical component.
  • micromechanical components described above can be produced by means of at least the method steps St1 and St2 described below.
  • the feasibility of the manufacturing process is not limited to the production of these micromechanical components.
  • an adjustable part is formed with respect to a holder of the micromechanical component, wherein the adjustable part is suspended (at least) via a suspension structure on the holder.
  • at least one actuator device is formed in such a way that at least one first subsection of the suspension structure in a first harmonic oscillatory motion along a first oscillatory axis and the at least one first subsection and / or at least one by means of the at least one actuator device during operation of the micromechanical component second subsection of the suspension structure into a second harmonic oscillatory movement along an inclined to the first
  • Swing axis aligned second swing axis are offset. In this way, natural oscillations of the suspension structure are excited such that the adjustable part offset by means of the natural oscillations
  • Suspension structure is displaced in a resonant oscillatory movement about a first axis of rotation and in a quasi-static oscillatory movement about a second axis of rotation aligned inclined to the first axis of rotation.
  • the adjustable part is connected directly or via at least one spring to at least one oscillation node of at least one of the excited natural oscillations of the suspension structure.
  • the method steps St1 and St2 can be performed in any order or (at least partially) simultaneously.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil mit einem in Bezug zu einer Halterung (10) verstellbaren Teil (12), welches zumindest über eine Aufhängestruktur (16) an der Halterung (10) aufgehängt ist, wobei Eigenschwingungender Aufhängestruktur (16) derart anregbar sind, dass das verstellbare Teil (12) in Bezug zu der Halterung (10) mittels der in die Eigenschwingungen versetzten Aufhängestruktur (16) in eine resonante Schwingbewegung um eine erste Drehachse (34a) und in eine quasi-statische Schwingbewegung um eine geneigt zu der ersten Drehachse (34a) ausgerichtete zweite Drehachse (34b) versetzbar ist, und wobei das verstellbare Teil (12) direkt oder über mindestens eine Feder (20) an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen der Aufhängestruktur (16) angebunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.

Description

Beschreibung
Titel
MIKROMECHANISCHES BAUTEIL MIT ZWEI SCHWINGACHSEN UND HERSTELLUNGSVERFAHREN FÜR EIN MIKROMECHANISCHES BAUTEIL
Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauteil. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil.
Stand der Technik
In der DE 10 201 1 006 598 A1 sind Bauteile mit einem verstellbaren Teil und Verfahren zum Betreiben eines Bauteils mit einem verstellbaren Teil
beschrieben. Zum Verstellen des verstellbaren Teils wird jeweils zumindest eine Untereinheit mindestens einer flexiblen Verbindungskomponente, über welche das verstellbare Teil mit einer Halterung verbunden ist, in eine erste
Schwingbewegung entlang einer ersten Achse und in eine zweite
Schwingbewegung entlang einer zu der ersten Achse geneigt ausgerichteten zweiten Achse versetzt. Dies bewirkt, dass das verstellbare Teil in Bezug zu der Halterung in eine Drehschwingbewegung um eine erste Drehachse versetzbar ist und zusätzlich zu der Drehschwingbewegung auch um eine zweite Drehachse auslenkbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schafft ein 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 verstellbaren Teil, welches in Bezug zu einer Halterung des mikromechanischen Bauteils mittels einer resonanten Schwingbewegung um einen vergleichsweise großen„resonanten" Drehwinkel und gleichzeitig mittels einer quasi-statischen Schwingbewegung um einen großen„statischen" Drehwinkel verstellbar ist. Außerdem sind mittels der vorliegenden Erfindung auch mikromechanische Bauteile realisierbar, bei welchen das verstellbare Teil mittels zweier resonanter Schwingbewegungen verstellbar ist. Mittels der vorliegenden Erfindung sind mikromechanische Bauteile insbesondere so gestaltbar, dass große Amplituden für die resonante Schwingbewegung des verstellbaren Teils erreichbar sind und gleichzeitig auch eine möglichst kleine Rückstellkraft/Feder-Rückstellkraft einer konstanten Auslenkung des verstellbaren Teils mittels der quasi-statischen Schwingbewegung entgegenwirkt. Wie unten genauer ausgeführt wird, ist vor allem durch eine vorteilhafte Ankopplung/Anbindung des verstellbaren Teils an die jeweilige Aufhängestruktur des mikromechanischen Bauteils eine
Resonanzüberhöhung während der resonanten Schwingbewegung des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung erzeugbar. Das verstellbare Teil kann deshalb um vergleichsweise große„resonante" und„statische" Drehwinkel um die beiden Drehachsen verstellt werden, wodurch eine Steigerung eines maximal möglichen Drehwinkels für das mikromechanische Bauteil erreicht ist.
Wie unten genauer ausgeführt wird, können die erfindungsgemäß realisierten mikromechanischen Bauteile einen vergleichsweise einfachen Aufbau haben. Die erfindungsgemäß realisierten mikromechanischen Bauteile sind deshalb vergleichsweise einfach herstellbar. Zusätzlich können zum Betreiben der erfindungsgemäß realisierten mikromechanischen Bauteile vergleichsweise einfache Betreiberelektroniken eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung schafft auch mikromechanische Bauteile, bei welchen drei Rotations-Freiheitsgrade zum Verstellen des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung realisiert sind. Für alle drei Rotations-Freiheitsgrade sind außerdem relativ große„resonante" und/oder„statische" Drehwinkel des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung ausführbar. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Aufhängestruktur mindestens einen Biegebalken. Der mindestens eine Biegebalken ist mittels der mindestens einen Aktoreinrichtung verlässlich in Eigenschwingungen versetzbar, wobei ein Lager des mindestens einen Schwingungspunktes der angeregten
Eigenschwingungen leicht ermittelbar ist. Außerdem können bei einer
Aufhängestruktur mit dem mindestens einen Biegebalken auch
Schwingungsknotenpunkte mehrerer Eigenschwingungen an gleicher Stelle liegen. Beispielsweise kann der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur unterbrechungsfrei entlang einer vorgegebenen Balkenlängsachse verlaufen. Der jeweilige
Biegebalken ist somit vergleichsweise einfach ausbildbar. Z.B. kann ein derartiger Biegebalken mittels einfach ausführbarer Ätzverfahren aus einer Halbleiterschicht herausstrukturiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der
Aufhängestruktur einen zwischen einem ersten Balkenabschnitt und einem zweiten Balkenabschnitt liegenden Innenrahmen, an welchem das verstellbare
Teil aufgehängt ist. Insbesondere können der erste Balkenabschnitt und der zweite Balkenabschnitt entlang einer ersten Raumrichtung verlaufen, wobei das verstellbare Teil über die mindestens eine Feder, welche sich entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung verlaufenden zweiten Raumrichtung erstreckt, an dem Innenrahmen aufgehängt ist. Auch eine derart ausgebildete
Aufhängestruktur ist leicht herstellbar/ätzbar und gewährleistet eine gute Verstellbarkeit des verstellbaren Teils in Bezug zu der Halterung, beispielsweise um die erste Raumrichtung und die zweite Raumrichtung. Ebenso kann der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur mäanderförmig ausgebildet sein. Auch ein mäanderförmiger Biegebalken ist in Eigenschwingungen versetzbar, wobei den Eigenschwingungen (aufgrund der langen Ausbildbarkeit des mäanderförmigen Biegebalkens) eine vergleichsweise kleine Rückstellkraft entgegenwirkt. Obwohl der mäanderförmige Biegebalken zur Reduzierung der Rückstellkraft vergleichsweise lang ausbildbar ist, ist ein platzsparendes Design leicht an dem mikromechanischen Bauteil realisierbar.
Der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur kann mit einem Verankerungsbereich die Halterung kontaktieren. Als Alternative dazu kann der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur auch zumindest über mindestens eine Außenfeder mit der Halterung verbunden sein.
Die mindestens eine Außenfeder kann z.B. mindestens eine Torsionsfeder, mindestens eine mäanderförmige Feder, mindestens eine U-Feder und/oder mindestens eine Doppel-U-Feder sein. Somit kann eine Vielzahl von einfach strukturierbaren Außenfedern zum Aufhängen des mindestens einen
Biegebalkens an der Halterung verwendet werden. Jedoch sind auch von den hier aufgezählten Beispielen abweichende Formen für die mindestens eine Außenfeder möglich.
Die oben beschriebenen Vorteile sind auch bei einem Ausführen des korrespondierenden Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil realisierbar. 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:
Fig. 1 a und 1 b eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine schematische Wiedergabe von Eigenschwingungen von dessen
Aufhängestruktur; Fig. 2a bis 2c schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 3a und 3b schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; Fig. 5a und 5b eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine schematische Wiedergabe von Eigenschwingungen von dessen
Aufhängestruktur; Fig. 6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 7 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 9 eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 10 eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; Fig. 1 1 a bis 1 1 d schematische Darstellungen verschiedener als Außenfeder für das mikromechanische Bauteil verwendbarer Federtypen;
Fig. 12 eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; Fig. 13 eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer dreizehnten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer vierzehnten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils;
Fig. 16 eine schematische Darstellung einer fünfzehnten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils; und
Fig. 17 ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Ausführungsformen der Erfindung
Fig. 1 a und 1 b zeigen eine schematische Darstellung einer ersten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine schematische Wiedergabe von Eigenschwingungen von dessen Aufhängestruktur.
Das in Fig. 1 a schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist eine (nur teilweise dargestellte) Halterung 10 und ein in Bezug zu der Halterung 10 verstellbares Teil 12 auf. In der Ausführungsform der Fig. 1 a ist das verstellbare Teil 12 ein mit einer Spiegelfläche 14 bestückter Mikrospiegel. Das verstellbare Teil 12 kann jedoch auch eine andere optisch aktive Fläche aufweisen oder in mindestens einer Raumrichtung durchgehend aus einem optisch aktiven Material gebildet sein. Somit kann das verstellbare Teil 12 beispielsweise auch als ein optisches Gitter, ein Strahlteiler, ein Filter und/oder ein Prisma ausgebildet sein.
Das verstellbare Teil 12 ist zumindest über eine Aufhängestruktur 16 an der Halterung 10 aufgehängt. In der Ausführungsform der Fig. 1 a ist die
Aufhängestruktur 16 ein Biegebalken 16, welcher einen zwischen einem ersten Balkenabschnitt 16a und einem zweiten Balkenabschnitt 16b liegenden Innenrahmen 18 umfasst. Der erste (stabförmige) Balkenabschnitt 16a und der zweite (stabförmige) Balkenabschnitt 16b verlaufen (gerade/abweichungsfrei) entlang einer ersten Raumrichtung x. Das verstellbare Teil 12 ist mittels mindestens einer Feder 20 an dem Innenrahmen 18 aufgehängt. Die mindestens eine Feder 20 erstreckt sich entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung x verlaufenden zweiten Raumrichtung y'. Speziell ist in der Ausführungsform der Fig. 1 a das verstellbare Teil 12 zwischen zwei Federn 20 in einem von dem Innenrahmen 18 aufgespannten Innenraum aufgehängt. In der Ausführungsform der Fig. 1 a kontaktiert der Biegebalken 16 mit einem
Verankerungsbereich 30 die Halterung 10. Für den Biegebalken 16 ist eine Länge L definierbar, welche sich entlang der ersten Raumrichtung x von dem Verankerungsbereich 30 bis zu einem davon weg gerichteten Endabschnitt 32 erstreckt. Der in Fig. 1 a wiedergegebene Biegebalken 16 kann somit als einseitig eingespannter Biegebalken 16 bezeichnet werden. Die einseitige Aufhängung des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 an der Halterung 10 vermindert eine Rückstellkraft, welche einer Verformung, Verbiegung oder Torsion des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16, wie z.B. einer Torsionsauslenkung des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16, entgegen wirkt.
Das mikromechanische Bauteil umfasst auch mindestens eine Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24. Die mindestens eine Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 ist derart ausgelegt, dass mittels eines Betriebs der mindestens einen Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 mindestens ein erster Unterabschnitt 26a der Aufhängestruktur 16 in eine erste harmonische Schwingbewegung entlang einer ersten
Schwingachse 28a versetzbar ist. Gleichzeitig ist mittels des Betriebs der mindestens einen Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 mindestens ein zweiter Unterabschnitt 26b der Aufhängestruktur 16 in eine zweite harmonische
Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der ersten Schwingachse 28a ausgerichteten zweiten Schwingachse 28b versetzbar. Die Schwingachsen 28a und 28b sind vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet. Insbesondere verlaufen in der Ausführungsform der Fig. 1 a und 1 b die Schwingachsen 28a und 28b senkrecht zu der ersten Raumrichtung x, wobei die erste Schwingachse 28a parallel zu der zweiten Raumrichtung y' ausgerichtet ist und die zweite
Schwingachse 28b senkrecht zu der ersten Raumrichtung x und der zweiten Raumrichtung y' liegt. Außerdem wird ein Betrieb der mindestens einen
Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 bevorzugt, bei welchem die erste
Schwingbewegung in einer festen Phasenbeziehung zu der zweiten
Schwingbewegung liegt. Bevorzugter Weise ist die erste Schwingbewegung um 90° phasenverschoben zu der zweiten Schwingbewegung.
Dies ist auch damit umschreibbar, dass die Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 mindestens eine Schwingung des Biegebalkens 16 in mindestens einer
Schwingebene erzeugt. Die durch die Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 angeregten Schwingungsmodi sind in Fig. 1 b für eine Schwingebene gezeigt. Die
Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 erzeugt jedoch auch weitere Schwingungsmodi in einer senkrecht zu der Bildebene der Fig. 1 b verlaufenden Schwingebene.
Man kann das angewandte Aktorprinzip auch damit umschreiben, dass zwei translatorische sinusoidale Bewegungen/Schwingungsbewegungen der
Unterabschnitte 26a und 26b erzeugt werden, welche vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet sind. Wie unten genauer erläutert wird, können diese Bewegungen/Schwingungsbewegungen der Unterabschnitte 26a und 26b zum Verstellen des verstellbaren Teils 12 genutzt werden.
Mittels der mindestens einen Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 sind auf die vorausgehend beschriebene Weise Eigenschwingungen S1 bis S3 der
Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 anregbar. Insbesondere sind sowohl Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 in einer von der ersten Raumrichtung x und der ersten Schwingachse 28a aufgespannten ersten Ebene als auch Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 in einer von der ersten Raumrichtung x und der zweiten Schwingachse 28b aufgespannten zweiten Ebene anregbar. (Das tatsächliche Schwingverhalten der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 entspricht einer Überlagerung der verschiedenen angeregten Eigenschwingungen.)
In Fig. 1 b sind eine erste Eigenschwingung S1 des Biegebalkens 16/der
Aufhängestruktur 16 in der zweiten Ebene bei einer ersten Eigenfrequenz, eine zweite Eigenschwingung S2 des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der zweiten Ebene bei einer zweiten Eigenfrequenz und eine dritte Eigenschwingung S3 des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der zweiten Ebene bei einer dritten Eigenfrequenz schematisch dargestellt. (Auf ein Einzeichnen des
Innenrahmens 18 ist in Fig. 1 b der besseren Übersichtlichkeit wegen verzichtet.) Die erste Eigenschwingung S1 weist keinen Schwingungsknotenpunkt auf. Die zweite Eigenschwingung S2 hat einen Schwingungsknotenpunkt P2 (welcher bei etwa % L liegt). Für die dritte Eigenschwingung S3 sind ein erster
Schwingungsknotenpunkt P31 (bei etwa Vi L) und ein zweiter
Schwingungsknotenpunkt P32 (bei etwa 21 /24 L) ermittelbar. (Die Positionen der Schwingungsknotenpunkte P2, P31 und P32 können sich verschieben, sobald Abweichungen von einem idealen Balken vorliegen.)
Die Länge L des Biegebalkens 16 (bzw. seine Breite und/oder seine Höhe) kann insbesondere so gewählt sein, dass Schwingungsknotenpunkte P2, P31 und P32 von Eigenschwingungen S1 bis S3 in der zweiten Ebene (von der ersten
Raumrichtung x und der zweiten Schwingachse 28b aufgespannt) mit
Schwingungsknotenpunkten von Eigenschwingungen in der ersten Ebene (von der ersten Raumrichtung x und der ersten Schwingachse 28a aufgespannt) zusammenfallen. Dies ist z.B. für den Schwingungsknotenpunkt P2 der zweiten Eigenschwingung S2 bei % L oder für die beiden Schwingungsknotenpunkte P31 und P32 der dritten Eigenschwingung S3 bei ! L und 21 /24 L realisierbar.
Das verstellbare Teil 12 ist über die mindestens eine Feder 20 an mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2, P31 und P32 mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16 angebunden. (Die mindestens eine Feder 20 kontaktiert damit den mindestens einen
Schwingungsknotenpunkt P2, P31 und P32 der angeregten Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16.) Vorzugsweise ist das verstellbare Teil 12 über die mindestens eine Feder 20 an mindestens einen
Schwingungsknotenpunkt P2, P31 und P32 mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen S1 bis S3 der Aufhängestruktur 16 in der (senkrecht zu der zweiten Raumrichtung y') ausgerichteten zweiten Ebene angebunden. Bevorzugt wird eine Anbindung des verstellbaren Teils 12 über die mindestens eine Feder 20 an mindestens einen Punkt des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16, in welchem die Schwingungsknotenpunkte P2, P31 und P32 von
Eigenschwingungen S1 bis S3 in der zweiten Ebene mit Schwingungsknotenpunkten von Eigenschwingungen in der ersten Ebene zusammenfallen.
In der Ausführungsform der Fig. 1 a ist das verstellbare Teil 12 über die mindestens eine Feder 20 an den Schwingungsknotenpunkt P2 der zweiten
Eigenschwingung S2 des Biegebalkens in der zweiten Ebene angebunden. (Die zweite Raumrichtung y' verlauft durch den in Fig. 1 b eingezeichneten
Schwingungsknotenpunkt P2 der zweiten Eigenschwingung S2 des
Biegebalkens in der zweiten Ebene.) Bei der Anbindung des verstellbaren Teils 12 an den mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2 der mindestens einen anregbaren Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 ist berücksichtigt, dass die Position des mindestens einen
Schwingungsknotenpunkts P2 der mindestens einen anregbaren
Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 16/des Biegebalkens 16 in der Regel von der Anbindung des verstellbaren Teils 12 beeinflusst ist.
Mittels der Anbindung des verstellbaren Teils 12 über die mindestens eine Feder 20 an den mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2, P31 und P32 mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen S1 bis S3 des
Biegebalkens/der Aufhängestruktur 16 ist verlässlich gewährleistbar, dass das verstellbare Teil 12 mittels der in die Eigenschwingungen S1 bis S3 versetzten Aufhängestruktur 16 in eine resonante Schwingbewegung um die zweite
Raumrichtung y' als eine erste Drehachse 34a (in Bezug zu der Halterung 10) versetzbar ist.
Außerdem erzeugen die Eigenschwingungen des Biegebalkens 16/der
Aufhängestruktur 16 in der ersten Ebene (von der ersten Raumrichtung x und der ersten Schwingachse 28a aufgespannt) noch eine Kraft F auf das in die resonante Schwingbewegung (um eine erste Drehachse 34a) verstellbare Teil 12. Die Kraft F ist proportional zum Produkt einer ersten Auslenkamplitude des
Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der ersten Ebene und einer zweiten Auslenkamplitude des Biegebalkens 16/der Aufhängestruktur 16 in der zweiten Ebene. Außerdem ist die Kraft F senkrecht zu der ersten Ebene ausgerichtet. Die Kraft F bewirkt deshalb ein Drehmoment auf das verstellbare Teil 12. Das verstellbare Teil 12 ist deshalb während seiner resonanten Schwingbewegung (um die erste Drehachse 34a/die zweite Raumrichtung y') auch (in Bezug zu der Halterung 10) in eine (vorzugsweise quasi-statische) Schwingbewegung/ Drehbewegung um die (geneigt zu der ersten Drehachse 34a ausgerichtete) erste Raumrichtung x als eine zweite Drehachse 34b versetzbar. Wie in Fig. 1 a dargestellt, können die beiden Drehachsen 34a und 34b (bzw. die beiden
Raumrichtungen x und y') senkrecht zueinander ausgerichtet sein.
Zusammenfassend kann deshalb das verstellbare Teil 12 mit einer
vergleichsweise hohen Frequenz, welche z.B. zwischen 15-30 kHz liegen kann, (in Bezug zu der Halterung 10) um die erste Drehachse 34a/die zweite
Raumrichtung y' und mit einer deutlich langsameren Frequenz oder mit einer Frequenz von (nahezu) Null (in Bezug zu der Halterung 10) um die zweite Drehachse 34b/die erste Raumrichtung x verstellt werden. Bezüglich einer weiteren Erklärung für das Auftreten der Kraft F, welche die quasi-statische Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 (in Bezug zu der Halterung 10) bewirkt, wird auf die oben schon zitierte DE 10 201 1 006 598 A1 verwiesen.
Vorzugsweise ist das verstellbare Teil 12 so dimensioniert, dass seine
Eigenfrequenz bezüglich der resonanten Schwingbewegung um die erste Drehachse 34a (bzw. ein Vielfaches dieser Eigenfrequenz) mit mindestens einer
Eigenfrequenz einer Eigenschwingung des Biegebalkens 16/der
Aufhängestruktur 16 (bzw. einem Vielfachen einer derartigen Eigenfrequenz) übereinstimmt. Vorzugsweise stimmt die jeweilige Eigenfrequenz des
verstellbaren Teils 12 (bzw. ein Vielfaches dieser Eigenfrequenz) mit mindestens einer Eigenfrequenz einer Eigenschwingung des Biegebalkens 16/der
Aufhängestruktur 16 in der von der ersten Raumrichtung x und der zweiten Schwingachse 28b aufgespannten zweiten Ebene (bzw. dem Vielfachen einer derartigen Eigenfrequenz) überein. Damit ist auf einfache Weise beim Verstellen des verstellbaren Teils 12 um die erste Drehachse 34a in Bezug zu der
Halterung 10 eine Amplitudenüberhöhung realisierbar. Ein in Fig. 1 b
eingezeichneter Winkel a16 gibt eine sinusoidale Neigung des in der zweiten Ebene in seine zweite Eigenschwingung S2 versetzten Biegebalkens 16 am Schwingungsknotenpunkt P2 an. Außerdem ist in Fig. 1 b auch ein Winkel a12 eingezeichnet, welcher eine gleichzeitig bewirkte Neigung des verstellbaren Teils um die erste Drehachse 34a in Bezug zu seiner Ruhelage/der Halterung 10 wiedergibt. Erkennbar ist, dass mittels einer geeigneten Festlegung der
Eigenfrequenz des verstellbaren Teils 12 bezüglich der resonanten
Schwingbewegung um die erste Drehachse 34a ein gegenüber dem Winkel a16 signifikant gesteigerter Winkel a12 bewirkbar ist.
In der Ausführungsform der Fig. 1 weist das mikromechanische Bauteil
Piezoelemente 22a, 22b und 24 als die mindestens eine Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 auf. Zum Anregen der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Unterabschnitts 26a entlang der ersten Schwingachse 28a sind zwei (streifenförmige) Piezoelemente 22a und 22b auf eine parallel zu der ersten
Schwingachse 28a ausgerichtete Fläche des ersten Unterabschnitts 26a aufgebracht, wobei ein erstes Piezoelement 22a der zwei Piezoelemente 22a und 22b auf einer ersten Seite der zweiten Ebene und ein zweites Piezoelement 22b der zwei Piezoelemente 22a und 22b auf einer zweiten Seite der zweiten Ebene liegen. Bei einem Betrieb werden die zwei Piezoelemente 22a und 22b um 180° phasenverschoben angesteuert. Die auf diese Weise realisierbare Verkrümmung jeweils einer Seite der parallel zu der ersten Schwingachse 28a ausgerichteten Fläche des ersten Unterabschnitts 26a führt zu der ersten harmonischen Schwingbewegung des ersten Unterabschnitts 26a (bzw. des Biegebalkens 16).
Die zweite harmonische Schwingbewegung des zweiten Unterabschnitts 26b entlang der zweiten Schwingachse 28b ist mittels eines (streifenförmigen) Piezoelements 24 bewirkbar, welches auf einer senkrecht zu der zweiten Schwingachse 28b ausgerichteten Fläche des zweiten Unterabschnitts 26b aufgebracht ist. Bei einem Betrieb ist das Piezoelement 24 periodisch komprimierbar, was eine periodische Komprimierung der senkrecht zu der zweiten Schwingachse 28b ausgerichteten Fläche des zweiten Unterabschnitts 26b bewirkt. Dies löst die zweite harmonische Schwingbewegung des zweiten Unterabschnitts 26b (bzw. des Biegebalkens 16) aus.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Ausbildung der mindestens einen
Aktoreinrichtung 22a, 22b und 24 als (streifenförmige) Piezoelemente 22a, 22b und 24 lediglich beispielhaft zu interpretieren ist. Beispielsweise können auch mindestens eine elektrostatisch wirkenden Interdigitalelektrode, mindestens eine Plattenelektrode und/oder mindestens eine elektromagnetische Aktuierung zum Anregen der Schwingbewegungen der Unterabschnitte 26a und 26b eingesetzt werden. Fig. 2a bis 2c zeigen schematische Darstellungen einer zweiten
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in Fig. 2a in einer parallel zur ersten Raumrichtung x ausgerichteten
Seitenansicht und in Fig. 2b in einer parallel zur zweiten Raumrichtung y' ausgerichteten Seitenansicht schematisch dargestellte mikromechanische
Bauteil weist als die mindestens eine Aktoreinrichtung 40a bis 40d vier
Piezoelemente 40a bis 40d auf. Wie in Fig. 2c erkennbar ist, sind die vier Piezoelemente 40a bis 40d jeweils auf einem (ersten) Unterabschnitt 26a des Biegebalkens 16 so angeordnet, dass jede Außenseite des (ersten)
Unterabschnitts 26a genau ein Piezoelement 40a bis 40d trägt. Ein erstes Paar von zwei Piezoelementen 40a und 40b der vier Piezoelemente 40a bis 40d liegen auf senkrecht zur ersten Schwingachse 28a ausgerichteten Außenseiten des (ersten) Unterabschnitts 26a.
Ein zweites Paar von zwei Piezoelementen 40c und 40d der vier Piezoelemente 40a bis 40d sind auf Außenseiten des (ersten) Unterabschnitts 26a angeordnet, welche senkrecht zur zweiten Schwingachse 28b verlaufen.
Die vier Piezoelemente 40a bis 40d sind so verschaltet, dass, sofern ein erstes Piezoelement 40a und 40c des gleichen Paars komprimiert wird, ein zweites Piezoelement 40b und 40d des gleichen Paars sich expandiert. Entsprechend wird, sofern das erste Piezoelement 40a und 40c des gleichen Paars sich expandiert, das zweite Piezoelement 40b und 40d des gleichen Paars
komprimiert. Als Folge verbiegt sich der (erste) Unterabschnitt 26a. Sofern die zwei Paare von Piezoelementen 40a bis 40d mit einer Phasenverschiebung von 90° angesteuert werden, ergibt sich eine„Hula-Hoop"-Bewegung des (ersten)
Unterabschnitts 26a (bzw. des Biegebalkens 16), welche mittels des Pfeils 42 wiedergegeben ist. Die Punkte einer mittig zwischen den Flächen mit den Piezoelementen 40a bis 40d verlaufenden Mittelachse führen während der„Hula- Hoop"-Bewegung eine elliptische Bewegung (vorzugsweise eine Kreisbewegung) aus. Man kann dies auch damit umschreiben, dass der (erste) Unterabschnitt 26a in die erste harmonische Schwingbewegung entlang der ersten
Schwingachse 28a und in die zweite Schwingbewegung entlang der geneigt zu der ersten Schwingachse 28a ausgerichteten zweiten Schwingachse 28b versetzt wird. Auch auf diese Weise können die Eigenschwingungen des
Biegebalkens 16 in der ersten Ebene und die Eigenschwingungen S1 bis S3 des Biegebalkens 16 in der zweiten Ebene angeregt werden. Dies bewirkt, wie oben beschrieben, die resonante Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 (in Bezug zu der Halterung 10) um die erste Drehachse 34a (bzw. die zweite Raumrichtung y') und die quasi-statische Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 (in Bezug zu der Halterung 10) um die zweite Drehachse 34b (bzw. die erste Raumrichtung x). Die quasi-statische Schwingbewegung des verstellbaren Teils 12 ist in Fig. 2b mittels des Winkels ß schematisch (im Schnitt)
wiedergegeben.
Fig. 3a und 3b zeigen schematische Darstellungen einer dritten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsformen weist der Biegebalken 16 der Ausführungsform der Fig. 3a und 3b einen benachbart zu der Halterung 10 ausgebildeten lokal verjüngten Abschnitt 44 auf. Mittels der Ausbildung eines derartigen lokal verjüngten Abschnitts 44 ist eine
Torsionssteifigkeit des Biegebalkens 16, insbesondere bei einer Drehbewegung des Biegebalkens 16 um die erste Raumrichtung x, reduzierbar.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in Fig. 4 schematisch wiedergegebene mikromechanische Bauteil weist als Aufhängestruktur 50 einen (einseitig eingespannten) Biegebalken 50 auf, welcher unterbrechungsfrei (abweichungsfrei) entlang der ersten Raumrichtung x als einer vorgegebenen Balkenlängsachse verläuft. Der Biegebalken 50 kann auch als ein gerader (rahmenloser) Biegebalken 50 bezeichnet werden. Speziell kann unter dem Biegebalken 50 ein stabförmiger Biegebalken 50 verstanden werden. Das verstellbare Teil 12 ist direkt an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt P2 mindestens einer der (mittels der nicht skizzierten mindestens einen
Aktoreinrichtung anregbaren) Eigenschwingungen S1 bis S3 der
Aufhängestruktur 50/des Biegebalkens 50 angebunden. Insbesondere kann das verstellbare Teil 12 direkt an einer Außenseite des Biegebalkens 50 befestigt sein. Beispielhaft ist in der Ausführungsform der Fig. 4 das verstellbare Teil 12 direkt an einer Verbindungsstelle auf einer parallel zur ersten Raumrichtung x (und senkrecht zur zweiten Schwingachse 28b) ausgerichteten Außenseite des Biegebalkens 50 befestigt.
Die Verbindungsstelle zwischen dem verstellbaren Teil und dem Biegebalken 50 ist vorzugsweise so kleinflächig gestaltet, dass das Schwingverhalten des Biegebalkens 50 kaum/nicht beeinflusst ist. Bei der Anbindung des verstellbaren Teils 12 an den mindestens einen Schwingungsknotenpunkt P2 der mindestens einen anregbaren Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 50/des
Biegebalkens 50 ist berücksichtigt, dass die Position des mindestens einen Schwingungsknotenpunktes P2 der mindestens einen anregbaren
Eigenschwingungen der Aufhängestruktur 50/des Biegebalkens 50 in der Regel von der Anbindung des verstellbaren Teils 12 beeinflusst ist. Optionaler Weise kann das verstellbare Teil 12 auch einen Verbindungspfosten umfassen, welcher an dem mindestens einen auf der Außenseite des Biegebalkens 50/der
Aufhängestruktur 50 liegenden Schwingungsknotenpunkt P2 fußt.
Auch bei der Ausführungsform der Fig. 4 werden zwei senkrechte translatorische sinusoidale Bewegungen (als Schwingbewegungen/externe
Erregerschwingungen) zum Versetzen des Biegebalkens 50 in seine
Eigenschwingungen in der ersten Ebene und in seine Eigenschwingungen S1 bis S3 in der zweiten Ebene genutzt. Bei einer konstante Phasenverschiebung zwischen den angeregten Schwingbewegungen, vorzugsweise von 90°, ergibt sich im zeitlichem Mittel ein Drehmoment um die erste Raumrichtung x. Auch in der Ausführungsform der Fig. 4 kann das verstellbare Teil 12 deshalb in die resonante Schwingbewegung um die erste Drehachse 34a (mit einer
vergleichsweise hohen Frequenz) und in die quasi-statische
Schwingbewegung/Drehbewegung um die zweite Drehachse 34b (mit einer deutlich langsameren Frequenz) in Bezug zu der Halterung 10 versetzt werden. Auch in diesem Fall sind große Schwingamplituden für das verstellbare Teil 12 erreichbar, weshalb ein mittels des verstellbaren Teils 12 abgelenkter Lichtstrahl weitwinkelig ablenkbar ist.
Fig. 5a und 5b zeigen eine schematische Darstellung einer fünften
Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils und eine schematische Wiedergabe von Eigenschwingungen von dessen Aufhängestruktur.
Der mittels der Fig. 5a und 5b schematisch wiedergegebene Biegebalken 16 liegt ohne eine Einspannung an der Halterung 10 vor. Stattdessen ist der Biegebalken 16 als Aufhängestruktur 16 zumindest über mindestens eine (nicht dargestellte) Außenfeder mit der Halterung 10 verbunden. Ein Abstand der zwei am weitesten voneinander beabstandeten Endabschnitte 32a und 32b des Biegebalkens 16 entlang der ersten Raumrichtung x definiert die Länge L des Biegebalkens 16. Insbesondere die beiden Endabschnitte 32a und 32b des Biegebalkens 16 können frei (d.h. ohne einen mechanischen Kontakt mit der mindestens einen Außenfeder) vorliegen. Der in Fig. 5a und 5b dargestellte Biegebalken 16 kann somit als ein beidseitig freier Biegebalken 16 umschrieben werden.
Wie anhand der Fig. 5b erkennbar ist, kann auch der beidseitig freie Biegebalken 16 in seine Eigenschwingungen in der ersten Ebene und in seine
Eigenschwingungen in seiner zweiten Ebene versetzt werden. Von den anregbaren Eigenschwingungen sind in Fig. 5b ein erster Hula-Hoop- Schwingungsmodus H1 mit zwei außermittig liegenden
Schwingungsknotenpunkten PH1 1 und PH12 und ein zweiter Hula-Hoop- Schwingungsmodus H2 mit einem zentral liegenden Schwingungsknotenpunkt PH21 und zwei außermittig liegenden Schwingungsknotenpunkten PH22 und PH23 dargestellt. (Auf ein Einzeichnen des Innenrahmens 18 ist in Fig. 5b der besseren Übersichtlichkeit wegen verzichtet.)
Bei der Ausführungsform der Fig. 5a und 5b ist das verstellbare Teil 12 über die mindestens eine Feder 20 an einem der außermittig liegenden
Schwingungsknotenpunkte PH1 1 oder PH 12 des ersten Hula-Hoop- Schwingungsmodus H1 des angeregten Biegebalkens 16 angebunden. Somit gewährleistet auch die Ausführungsform der Fig. 5a und 5b die oben schon beschriebenen Vorteile.
Des Weiteren kann das verstellbare Teil 12 auch (wie in Fig. 4 abgebildet) ohne die mindestens eine Feder 20 an dem Biegebalken 16 angebunden sein.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei dem mittels der Fig. 6 schematisch dargestellten mikromechanischen Bauteil ist das verstellbare Teil 12 über die mindestens eine Feder 20 an den zentral liegenden Schwingungsknotenpunkt PH21 der zweiten Hula-Hoop- Schwingungsmodus H2 des Biegebalkens 16 angebunden. (Die Lage des Innenrahmens 18, bzw. die Längen der Balkenabschnitte 16a und 16b, ist/sind entsprechend angepasst.) Auch mittels einer derartigen Anbindung sind die oben schon beschriebenen Vorteile realisierbar.
Der Vollständigkeit wird auch darauf hingewiesen, dass das verstellbare Teil 12 auch in dieser Ausführungsform ohne die mindestens eine Feder 20 an dem Biegebalken 16 angebunden sein kann.
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das mikromechanische Bauteil der Fig. 7 ist eine Weiterbildung der
vorausgehend beschriebenen Ausführungsform. Die beiden Endabschnitte 32a und 32b des Biegebalkens 16 der Fig. 7 sind über je eine Außenfeder 52 mit der Halterung 10 verbunden. Für jede Außenfeder 52 verläuft eine Federgerade durch ihren Verankerungspunkt an der Halterung 10 und durch ihren
Verankerungspunkt an dem Biegebalken 16 entlang der ersten Raumrichtung x.
Speziell ist jede der Außenfedern 52 als Doppel-U-Feder 52 ausgebildet. Jede Doppel-U-Feder 52 weist zwischen einem sich entlang der Federgerade erstreckenden ersten Federlängsabschnitt und einem sich entlang der
Federgerade erstreckenden zweiten Federlängsabschnitt zwei U-Bögen auf, welche derart aneinander ausgebildet sind, dass die U-Bögen von der
Federgerade weg gerichtet sind. Die hier beschriebene Ausbildung der
Außenfedern 52 als Doppel-U-Federn 52 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Mittels der beidseitigen Anbindung des Biegebalkens 16 an die Halterung 10 unter Verwendung der Doppel-U-Federn52 ist eine vergleichsweise weiche Aufhängung des Biegebalkens 16 realisierbar. Dies erleichtert ein Anregen der oben schon beschriebenen Hula-Hoop-Schwingungsmoden H1 und H2 und der Torsionsauslenkung.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der Fig. 8 ist der Biegebalken 16 über vier Außenfedern 52 mit der Halterung 10 verbunden. Jeweils zwei der vier Außenfedern 52 sind an je einem Balkenabschnitt 16a und 16b zwischen dem daran ausgebildeten Endabschnitt 32a oder 32b und dem Innenrahmen 18 derart verankert, dass der jeweilige Balkenabschnitt 16a oder 16b zwischen den beiden Außenfedern 52 liegt und die Federgerade der beiden Außenfedern 52 zusammenfallen. Die Federgeraden aller vier Außenfedern 52 sind senkrecht zur ersten Raumrichtung x ausgerichtet.
Die Aufhängung des Biegebalkens 16 mittels der von den Endabschnitten 32a und 32b beabstandeten Außenfedern 52 erleichtert das Anregen von Hula-Hoop- Schwingungsmoden H1 und H2 zusätzlich. Zusätzlich ist auch die
Torsionsauslenkung leicht anregbar.
Auch bei dem mikromechanischen Bauteil der Fig. 8 sind die Außenfedern 52 als Doppel-U-Federn 52 ausgebildet. Eine derartige Ausbildung der Außenfedern 52 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. Das mikromechanische Bauteil der Fig. 9 ist eine Weiterbildung der
vorausgehend beschriebenen Ausführungsform. In der Ausführungsform der Fig. 9 ist der Biegebalken 16 über die vier Außenfedern 52 mit einem Außenrahmen 54 verbunden. Außerdem erstrecken sich entlang der ersten Raumrichtung x beidseitig am Außenrahmen 54 zwei weitere Außenfedern 56, welche an der
Halterung 10 verankert sind. Eine„weiche" Federaufhängung des Biegebalkens ist auch auf diese Weise realisierbar, um eine Torsionsauslenkung zu erreichen.
Fig. 10 zeigt eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Die Ausführungsform der Fig. 10 weist einen unterbrechungsfrei
(abweichungsfrei) entlang der ersten Raumrichtung x (als der vorgegebenen Balkenlängsachse) verlaufenden Biegebalken 50 auf. Das verstellbare Teil 12 ist direkt an mindestens einen Schwingungsknotenpunkt PH21 der Hula-Hoop-
Schwingungsmode H2 der Aufhängestruktur 50/des Biegebalkens 50
angebunden. Insbesondere kann das verstellbare Teil 12 direkt an einer
Außenseite des Biegebalkens 50 befestigt sein. An den beiden Endabschnitten 32a und 32b des Biegebalkens 50 ist je eine
Außenfeder 52 verankert. Über die beiden Außenfedern 52 ist der Biegebalken 50 mit der Halterung 10 verbunden. Auch in der Ausführungsform der Fig. 10 sind die Außenfedern 52 Doppel-U-Federn 52, deren Federgeraden sich entlang der ersten Raumrichtung x erstrecken. Eine derartige Ausbildung der
Außenfedern 52 ist jedoch nur beispielhaft zu interpretieren.
Außerdem kann die Ausführungsform der Fig. 10 auch entsprechend der oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile der Fig. 8 und 9 umgeändert und weitergebildet werden.
Fig. 1 1 a bis 1 1 d zeigen schematische Darstellungen verschiedener als
Außenfeder für das mikromechanische Bauteil verwendbarer Federtypen.
Wie anhand der Fig. 1 1 a bis 1 1 d erkennbar ist, kann die mindestens eine Außenfeder mindestens eine mäanderförmige Feder 58 und 60 (Fig. 1 1 a und 1 1 d), mindestens eine U-Feder 62 (Fig. 1 1 b) und/oder mindestens eine Doppel- U-Feder 52 (Fig. 1 1 c) sein. Insbesondere können verschiedene Typen von mäanderförmigen Federn 58 und 60 als die mindestens eine Außenfeder verwendet werden. In der Ausführungsform der Fig. 1 1 a weisen die Bögen von der Federgeraden der mäanderförmigen Feder 58 weg. Demgegenüber weisen bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 1 d die Bögen der mäanderförmigen Feder 60 teils zu ihrem Verankerungspunkt an der Halterung 10 und teils zu ihrem Verankerungspunkt an dem Biegebalken 16. Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Das in Fig. 12 schematisch dargestellt mikromechanische Bauteil weist eine Aufhängestruktur 70 aus zwei Biegebalken 72 auf. Jeder der beiden Biegebalken 72 hat je einen die Halterung 10 kontaktierenden Verankerungsbereich 30.
Außerdem ist das verstellbare Teil 12 über je eine Feder 20 mit jedem der zwei Biegebalken 72 verbunden, wobei jede der Federn 20 den zugeordneten
Biegebalken 72 an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt von
Eigenschwingungen, in welche die Aufhängestruktur 70 aus den zwei
Biegebalken 72 versetzbar ist, kontaktiert. Das verstellbare Teil 12 ist somit zweiseitig über die Aufhängestruktur 70 aus den zwei Biegebalken 72 an der Halterung 10 aufgehängt. Die beiden Federn 20 sind auch bei dieser
Ausführungsform entlang der zweiten Raumrichtung y' ausgerichtet. Die beiden Biegebalken 72 der Aufhängestruktur 70 sind mäanderförmig ausgebildet. Jeder der beiden Biegebalken 72 hat einen ersten Endabschnitt 72a, dessen Verankerungsbereich 30 die Halterung 10 kontaktiert. Jede der Federn 20 kontaktiert mindestens einen auf einen zweiten Endabschnitt 72b des zugeordneten Biegebalkens 72 liegenden Schwingungsknotenpunkt von
Eigenschwingungen. Während die beiden ersten Endabschnitte 72a entlang der ersten Raumrichtung x verlaufen, ist jeder der beiden zweiten Endabschnitte 72b (seitlich versetzt zu den ersten Endabschnitten 72a) parallel zur ersten
Raumrichtung x ausgerichtet. Jeder erste Endabschnitt 72a ist über einen windungsförmigen Zwischenabschnitt 72c mit dem zugehörigen zweiten
Endabschnitt 72b verbunden. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass auch mehrere windungsförmige Zwischenabschnitte 72c zwischen einem ersten Endabschnitt 72a und dem zweiten Endabschnitt 72b des gleichen Biegebalkens 72 liegen können. Trotz der zweiseitigen Aufhängung des verstellbaren Teils 12 ist mittels einer vergleichsweise großen Gesamtlänge der beiden mäanderförmigen Biegebalken 72, welche (nahezu) gleich einer Summe der Längen der ersten Endabschnitte 72a, der Längen der windungsförmigen Zwischenabschnitte 72c und der Längen der zweiten Endabschnitte 72b ist, eine„weiche" Aufhängung des verstellbaren Teils 12 des mikromechanischen Bauteils der Fig. 12 realisiert. Insbesondere ist mittels der mäanderförmigen Ausbildung der beiden mäanderförmigen
Biegebalken 72 das mikromechanische Bauteil trotz der vergleichsweise großen Gesamtlänge der beiden mäanderförmigen Biegebalken 72 vergleichsweise klein ausbildbar.
Die in Fig. 12 eingezeichneten Pfeile 71 geben Schwingbewegungen der einzelnen Elemente des mikromechanischen Bauteils wieder.
Fig. 13 zeigt eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
In der Ausführungsform der Fig. 13 ist das verstellbare Teil 12 über je eine Feder 20 an die zwei zweiten Endabschnitte 74b der beiden gewinkelten Biegebalken 74 des mikromechanischen Bauteils angebunden. Die zwei zweiten
Endabschnitte 74b verlaufen jeweils senkrecht zu der zweiten Raumrichtung y', entlang welcher sich die beiden Federn 20 erstrecken. Jeder zweite Endabschnitt 74 kontaktiert den ersten Endabschnitt 74a des gleichen Biegebalkens 74.
Allerdings sind die ersten Endabschnitte 74a geneigt zu den zweiten
Endabschnitten 74b ausgerichtet. Beispielsweise kann ein Winkel von 90° zwischen einem zweiten Endabschnitt 74b und einem zugeordneten ersten
Endabschnitt 74a des gleichen Biegebalkens 74 vorliegen. Auch eine
Aufhängestruktur 70 aus den beiden gewinkelten Biegebalken 74 gewährleistet die vorausgehend beschriebenen Vorteile. Fig. 14 zeigt eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der Fig. 14 sind die beiden zweiten Endabschnitte 76b jedes der zwei Biegebalken 76 der Aufhängestruktur 70 entlang einer senkrecht zu der zweiten Raumrichtung y' ausgerichteten zweiten Drehachse 34b ausgerichtet. Der erste Endabschnitt 76a jedes der zwei Biegebalkens 76 der Aufhängestruktur 70 ist über einen Zwischenabschnitt 76c mit dem zugeordneten zweiten Endabschnitt 76b verbunden. Der Zwischenabschnitt 76c kann senkrecht zu den Endabschnitten 76a und 76b des gleichen Biegebalkens 76 ausgerichtet sein. Auch die Biegebalken 76 der Ausführungsform der Fig. 14 weisen somit eine mäandrierte (bzw. gewinkelte) Form auf.
Fig. 15 zeigt eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils.
Bei der Ausführungsform der Fig. 15 ist der zweite Endabschnitt 78b jedes Biegebalkens 78 der Aufhängestruktur 70 kürzer als der erste Endabschnitt 78a des gleichen Biegebalkens 78 ausgebildet. Außerdem verläuft der zweite
Endabschnitt 78b jedes Biegebalkens 78 parallel zu einem Teilabschnitt des ersten Endabschnitts 78a des gleichen Biegebalkens 78. Die beiden
Endabschnitte 78a und 78b eines Biegebalkens 78 sind über einen senkrecht dazu ausgerichteten Zwischenabschnitt 78c miteinander verbunden. Die in Fig. 15 wiedergegebene Ausbildung der beiden Biegebalken 78 des mikromechanischen Bauteils erlaubt vergleichsweise große Gesamtlängen der beiden Biegebalken 78 trotz einer vergleichsweise flächensparenden Ausbildung des mikromechanischen Bauteils. Eine Federsteifigkeit der beiden Biegebalken 78 ist somit ohne eine Steigerung eines Bauraumbedarfs des
mikromechanischen Bauteils reduzierbar.
Fig. 16 zeigt eine schematische Darstellung einer fünfzehnten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils. In der Ausführungsform der Fig. 16 liegen zwischen jedem ersten Endabschnitt 80a und dem zugeordneten zweiten Endabschnitt 80b des gleichen
Biegebalkens 80 drei Zwischenabschnitte 80c bis 80e, wobei jeder der drei Zwischenabschnitte 80c bis 80e um einen Winkel von 90° geneigt zu dem mindestens einen benachbarten Zwischenabschnitt 80c bis 80e ausgerichtet ist. Außerdem sind die von den beiden Endabschnitten 80a und 80b kontaktierten Zwischenabschnitte 80c und 80e senkrecht zu dem kontaktierten Endabschnitt 80a oder 80b ausgerichtet. Man kann dies auch damit umschreiben, dass die beiden Biegebalken 80 des mikromechanischen Bauteils der Fig. 16
schneckenartig gewunden ausgebildet sind. Trotz der vergleichsweise großen Gesamtlänge jedes Biegebalkens 80 (welche nahezu einer Summe der
Einzellängen der beiden Endabschnitte 80a und 80b und der drei
Zwischenabschnitte 80c bis 80e entspricht) benötigt das verstellbare Teil 12 bei der Ausführungsform der Fig. 16 nur eine vergleichsweise geringe
Aufhängefläche. Das mikromechanische Bauteil der Fig. 16 ist deshalb besonders platzsparend und bauraumsparend ausgebildet.
Die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile können beispielsweise in einem Scanner eingesetzt werden. Mittels eines derartigen Scanners kann ein Lichtstrahl, wie beispielsweise ein Laserstrahl, mit einer schnellen Frequenz um eine erste vorgegebene Achse und mit einer niedrigeren konstanten Frequenz oder statisch (abhängig von den Anregungsfrequenzen und deren
Phasenbeziehungen) um eine vorgegebene zweite Achse abgelenkt werden. Alternativ können die oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile auch in Mikrospiegeln, optischen Schaltern oder optischen Multiplexern eingesetzt werden.
Fig. 17 zeigt ein Flussdiagramm zum Erläutern einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens für ein mikromechanisches Bauteil.
Alle oben beschriebenen mikromechanischen Bauteile sind mittels zumindest der nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte St1 und St2 herstellbar. Die Ausführbarkeit des Herstellungsverfahrens ist jedoch nicht auf das Herstellen dieser mikromechanischen Bauteile beschränkt. In dem Verfahrensschritt St1 wird ein in Bezug zu einer Halterung des mikromechanischen Bauteils verstellbares Teil gebildet, wobei das verstellbare Teil (zumindest) über eine Aufhängestruktur an der Halterung aufgehängt wird. In dem weiteren Verfahrensschritt St2 wird mindestens eine Aktoreinrichtung derart gebildet, dass mittels der mindestens einen Aktoreinrichtung bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils mindestens ein erster Unterabschnitt der Aufhängestruktur in eine erste harmonische Schwingbewegung entlang einer ersten Schwingachse und der mindestens eine erste Unterabschnitt und/oder mindestens ein zweiter Unterabschnitt der Aufhängestruktur in eine zweite harmonische Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der ersten
Schwingachse ausgerichteten zweiten Schwingachse versetzt werden. Auf diese Weise werden Eigenschwingungen der Aufhängestruktur derart angeregt, dass das verstellbare Teil mittels der in die Eigenschwingungen versetzten
Aufhängestruktur in eine resonante Schwingbewegung um eine erste Drehachse und in eine quasi-statische Schwingbewegung um eine geneigt zu der ersten Drehachse ausgerichtete zweite Drehachse versetzt wird. Um die oben schon erläuterten Vorteile zu realisieren, wird in dem Verfahrensschritt St1 das verstellbare Teil direkt oder über mindestens eine Feder an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen der Aufhängestruktur angebunden.
Die Verfahrensschritte St1 und St2 können in beliebiger Reihenfolge oder (zumindest teilweise) gleichzeitig ausgeführt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Mikromechanisches Bauteil mit: einer Halterung (10); einem in Bezug zu der Halterung (10) verstellbaren Teil (12), welches zumindest über eine Aufhängestruktur (16, 50, 70) an der Halterung (10) aufgehängt ist; und mindestens einer Aktoreinrichtung (22a, 22b, 24, 40a bis 40d);; wobei die mindestens eine Aktoreinrichtung (22a, 22b, 24, 40a bis 40d); derart ausgelegt ist, dass mittels eines Betriebs der mindestens einen Aktoreinrichtung (22a, 22b, 24, 40a bis 40d); mindestens ein erster
Unterabschnitt (26a) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine erste harmonische Schwingbewegung entlang einer ersten Schwingachse (28a) und der mindestens eine erste Unterabschnitt (26a) und/oder mindestens ein zweiter Unterabschnitt (26b) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine zweite harmonische Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der ersten
Schwingachse (28a) ausgerichteten zweiten Schwingachse (28b) versetzbar sind, wodurch Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) der
Aufhängestruktur (16, 50, 70) derart anregbar sind, dass das verstellbare Teil (12) in Bezug zu der Halterung (10) mittels der in die
Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) versetzten Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine resonante Schwingbewegung um eine erste Drehachse (34a) und in eine quasi-statische Schwingbewegung um eine geneigt zu der ersten Drehachse (34a) ausgerichtete zweite Drehachse (34b) versetzbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Teil (12) direkt oder über mindestens eine Feder (20) an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt (P2, P31 , P32, PH1 1 bis PH23) mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) angebunden ist.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 1 , wobei die Aufhängestruktur (16, 50, 70) mindestens einen Biegebalken (16, 50, 72 bis 80) umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2, wobei der einzige Biegebalken (50) der Aufhängestruktur (50) oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur unterbrechungsfrei entlang einer vorgegebenen
Balkenlängsachse (x) verläuft.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 2 oder 3, wobei der einzige Biegebalken (16) der Aufhängestruktur (16) oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur einen zwischen einem ersten
Balkenabschnitt (16a) und einem zweiten Balkenabschnitt (16b) liegenden Innenrahmen (18), an welchem das verstellbare Teil (12) aufgehängt ist, umfasst.
Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 4, wobei der erste
Balkenabschnitt (16a) und der zweite Balkenabschnitt (16b) entlang einer ersten Raumrichtung (x) verlaufen, und wobei das verstellbare Teil (12) über die mindestens eine Feder (20), welche sich entlang einer senkrecht zu der ersten Raumrichtung (x) verlaufenden zweiten Raumrichtung (y') erstreckt, an dem Innenrahmen (18) aufgehängt ist.
Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der einzige Biegebalken der Aufhängestruktur oder mindestens einer der Biegebalken (72 bis 80) der Aufhängestruktur (70) mäanderförmig ausgebildet ist.
7. Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der einzige Biegebalken (16, 50) der Aufhängestruktur (16, 50) oder mindestens einer der Biegebalken (72 bis 80) der Aufhängestruktur (70) mit einem Verankerungsbereich (30) die Halterung (10) kontaktiert.
8. Mikromechanisches Bauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der einzige Biegebalken (16, 50) der Aufhängestruktur (16, 50) oder mindestens einer der Biegebalken der Aufhängestruktur zumindest über mindestens eine Außenfeder (52, 58, 60, 62) mit der Halterung (10) verbunden ist.
9. Mikromechanisches Bauteil nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine Außenfeder (52, 58, 60, 62) mindestens eine Torsionsfeder, mindestens eine mäanderförmige Feder (58, 60), mindestens eine U-Feder (62) und/oder mindestens eine Doppel-U-Feder (52) ist.
10. Herstellungsverfahren für ein mikromechanisches Bauteil mit den Schritten:
Bilden eines in Bezug zu einer Halterung (10) des mikromechanischen Bauteils verstellbaren Teils (12), wobei das verstellbare Teil (12) zumindest über eine Aufhängestruktur (16, 50, 70) an der Halterung (10) aufgehängt wird (St1 ); und
Bilden mindestens einer Aktoreinrichtung (22a, 22b, 24, 40a bis 40d);, mittels welcher bei einem Betrieb des mikromechanischen Bauteils mindestens ein erster Unterabschnitt (26a) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine erste harmonische Schwingbewegung entlang einer ersten
Schwingachse (28a) und der mindestens eine erste Unterabschnitt (26a) und/oder mindestens ein zweiter Unterabschnitt (26b) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine zweite harmonische Schwingbewegung entlang einer geneigt zu der ersten Schwingachse (28a) ausgerichteten zweiten
Schwingachse (28b) versetzt wird, wodurch Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) derart angeregt werden, dass das verstellbare Teil (12) mittels der in die Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) versetzten Aufhängestruktur (16, 50, 70) in eine resonante Schwingbewegung um eine erste Drehachse (34a) und in eine quasistatische Schwingbewegung um eine geneigt zu der ersten Drehachse (34a) ausgerichtete zweite Drehachse (34b) versetzt wird (St2); dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Teil (12) direkt oder über mindestens eine Feder (20) an mindestens einem Schwingungsknotenpunkt (P2, P31 , P32, PH1 1 bis PH23) mindestens einer der angeregten Eigenschwingungen (S1 bis S3, H1 und H2) der Aufhängestruktur (16, 50, 70) angebunden wird.
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