DE4444070C1

DE4444070C1 - Mikromechanisches Element

Info

Publication number: DE4444070C1
Application number: DE4444070A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Dr Gesemann; Andreas Dr Schoenecker
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-12-10
Filing date: 1994-12-10
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2014-12-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Mikromechanik und der Mikroelektronik und betrifft ein mikromechanisches Element, wie es z. B. als Biegeelement für eine Justierung zur Anwendung kommen kann.

Die Vereinigung von Mikromechanik und Mikroelektronik schreitet immer weiter voran. Zum Aufbau komplizierter Systeme in miniaturisierter Ausführung werden auch verstärkt Hybride eingesetzt. Besonders wichtig sind Aktorprinzipien zur Ausführung von Bewegungen. Die Gesamtproblematik ist bisher nur ungenügend gelöst worden und ist mit großen Mängeln behaftet. Nach dem Stand der Technik sind bis jetzt folgende Miniaturaktorprinzipien bekannt geworden:

1. Elektrostatische Anziehung/Abstoßung mit kapazitiven Mikrospalten (Sensors und Actuators A, 43 (1994) S. 340 ff).
Die in das Silicium eingeätzten Spalte und Zungen führen Bewegungen aus, wenn verschiedene Feldstärken angelegt werden. Statisch wird eine Auslenkung von etwa 1 µm bei 20 V erreicht. Kräfte können nicht oder nur in sehr geringem Maße auf die Zungen ausgeübt werden.
2. Aufgedrückte PZT-Multilayer, die den Piezoeffekt ausnutzen, wie z. B. Dickschicht- PZT (Moilanen u. a., Sensors und Actuators A, 43 (1994) S. 357-364; Chen, H.D. u. a., ISAF 94, 7.-10. Aug. 94, Penn State Scanticon Conference Center).

Wegen der schwierigen Verdruckbarkeit des PZT und Schwierigkeiten beim Sintern werden nur Auslenkungen an den entsprechenden Bauteilen von maximal 70 nm bei 40 V erreicht.

3. Silicium-Zungen mit Dünnschicht-PZT (Broocks u. a., ISAF 94, 7.-10. Aug. 94, Penn State Scanticon Conference Center).
Die Dünnschicht-PZT können nur unter 1 µm Dicke hergestellt werden. Deshalb müssen die Zungen sehr klein und dünn sein, die eine Bewegung im System ausführen sollen. Eine Krafteinwirkung ist nicht möglich.
4. Mikromechanisches Stellelement (DE 38 09 597.1).
Hier wird ein Widerstand auf einer Si-Zunge erwärmt. Durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Metallwiderstand und Silicium biegt sich die Zunge durch und führt eine Bewegung aus. Durch die Funktionsweise über Wärme-Zu- und Abführung ist das Biegeelement träge und "kriecht" nach, so daß eine genaue Einstellung lange Zeit benötigt.
5. Moonie-Stellelement (US 4,999,819).
Dieses Element ist eine Kombination von Piezokontraktor mit Metallbögen und benötigt eine genaue Führung. Es ist auf Silicium noch nicht integriert, da es viel zu groß ist (5 mm). Außerdem gibt es Toleranzprobleme als Hybrid.
6. Multilayer-Element aus PZT (Multilayeraktoren Prospekt Fa. Philips, Juli 1992).
Die Elemente können nicht kleiner als 3 × 3 mm angeboten werden und besitzen sehr hohe Spannungen (ab 50 V) für 1 µm Auslenkung. Die größten Probleme bringen jedoch die großen Abmessungstoleranzen von über 100 µm, die es nicht gestallen, beim Aufbringen der Elemente als Hybride den Justierbereich anzusteuern. Es wären Zwischenstücke, Tiefätzungen u. a. erforderlich, was einen großen technologischen Aufwand erfordern würde.

Aus der US 4 093 885 ist weiterhin bekannt, daß mehrere Funktionselemente auf einem zungenförmigen Biegeelement angebracht sind.

Aus dem geschilderten Stand der Technik gehen folgende Mängel hervor:

- Die Kraftwirkung der Aktoren ist zu gering zum Justieren von Elementen (1. und 3.).
- Die Dehnung ist zu klein bei noch zu großen Abmessungen (2.).
- Das Stellelement ist zu träge und kriecht (4.).
- Das Element ist zu groß und besitzt als Hybrid zu große Abmessungstoleranzen, so daß der Justierbereich nur mit aufwendigen Sondermaßnahmen erreicht werden kann (5. und 6.)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mikromechanisches Element anzugeben, das als Hybrid einsetzbar ist und den Justierbereich unabhängig von seinen Abmessungstoleranzen ohne aufwendige Sondermaßnahmen genau einstellen kann.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Erfindung gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Element für die Mikroelektronik ist auf der Unterseite einer Silicium-Zunge ein piezoelektrischer und/oder ein ferroelektrischer Körper angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar, wobei die Unterseite der Silicium-Zunge die Gegenseite der das Funktionselement tragenden Seite der Silicium-Zunge ist.

Vorteilhafterweise ist ein gepolter piezoelektrischer Körper auf der Unterseite einer Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar.

Weiterhin vorteilhafterweise ist der piezoelektrische Körper ein piezokeramischer Stab.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn der piezokeramische Stab annähernd gleiche Abmessungen wie die Silicium-Zunge und eine Dicke von < 50 µm hat.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn als ferroelektrischer Körper ein Keramikkörper mit hoher Elektrostriktion auf der Unterseite der Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.

Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn als ferroelektrischer Körper ein Körper mit felderzwungener Phasenumwandlung auf der Unterseite der Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Elementes für die Mikroelektronik wird auf die Unterseite einer Silicium-Zunge ein piezoelektrischer und/oder ein ferroelektrischer Körper angebracht und durch ein elektrisches Feld angesteuert, wobei die Unterseite der Silicium-Zunge die Gegenseite der das Funktionselement tragenden Seite der Silicium-Zunge ist.

Durch das Anbringen des piezoelektrischen und/oder ferroelektrischen Körpers auf der Unterseite einer Silicium-Zunge bleibt die Gegenseite mit dem Funktionselement in der Ebene der Oberfläche des Silicium-Substrates liegen, wodurch die 0-Ebene genau definiert bleibt.

Je nach der Richtung der angelegten Spannung wird durch den piezoelektrischen Körper die Silicium-Zunge nach oben oder unten ausgelenkt.

Die Größe der Auslenkung kann über die Länge der Silicium-Zunge eingestellt werden. Wenn vorteilhafterweise eine Dicke des piezoelektrischen Körpers von < 50 µm bis ca. 200 µm eingesetzt wird und gleichzeitig die Dicke der Silicium-Zunge 50 bis 700 µm beträgt, kann bei einer angelegten Spannung von 50 V bereits eine große Auslenkung erreicht werden. Auch sind die dabei vorhandenen Stellkräfte so groß, daß Gewichte im Grammbereich angehoben werden können.

Die Einstellung einer Justierung erfolgt schnell und ist unter einer Sekunde stabil. Ein geringfügiges Nachkriechen ist in diesem Zeitbereich inbegriffen.

Statt der Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes kann mit gleich guten Ergebnissen der elektrostriktive Effekt oder der Effekt der mit der durch felderzwungene Phasenumwandlung antiferroelektrisch - ferroelektrisch einhergehenden Dimensionsänderung eingesetzt werden.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine genaue und schnelle Justierung ohne 0-Ebene aufwendige Sondermaßnahmen mit Hybridelementen möglich, die wesentliche größere Abmessungstoleranzen aufweisen, als der Justierbereich umfaßt. Bei bekannten Hybridelementen treten üblicherweise Abmessungstoleranzen von über 100 µm auf. Der Justierbereich, den ein solches Hybridelement überstreichen soll, beträgt dabei in der Regel 10-20 µm.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

Aus einem Silicium-Substrat mit einer Dicke von 300 µm wird eine nach unten hin freie Zunge der Abmessungen 3 × 1 mm herausgeätzt. Der piezoelektrische Körper besteht aus einem piezokeramischen Stäbchen der Abmessung 2,8 × 0,9 mm und einer Dicke von 200 µm. Es ist mit aufgesputterten Ag-Kontakten versehen und mit 500 V bei 60°C 5 s gepolt worden. Dieses piezokeramische gepolte Stäbchen wird mit einem Leitkleber auf die Unterseite der Silicium-Zunge angeklebt. Als Zuführung für die Grundelektrode dient der Leitkleber. Als Zuführung für die Deckelektrode wird ein Bonddraht angebracht. Dadurch ist der piezoelektrische Körper durch ein elektrisches Feld ansteuerbar. Mittels eines Laserferometers kann nun die Auslenkung der Silicium-Zunge in Abhängigkeit von der angelegten Spannung gemessen werden.

Es sind folgende Werte gemessen worden:

Spannung: 25 V
Auslenkung: 1,7 µm
Spannung: 50 V	Auslenkung: 3,6 µm

Über die Veränderung von Länge und Dicke der Silicium-Zunge und des piezoelektrischen Körpers können weitere Varianten eingestellt werden, wobei mit absinkender Dicke die Stellkraft naturgemäß abnimmt.

Claims

1. Mikromechanisches Element für die Mikroelektronik mit einer ein Funktionselement tragenden Zunge, bei dem auf die Unterseite oder Silicium-Zunge ein piezoelektrischer und/oder ein ferroelektrischer Körper angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist, wobei die Unterseite der Silicium-Zunge die Gegenseite der das zu justierende Funktionselement tragenden Seite der Silicium-Zunge ist.

2. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, bei dem ein gepolter piezoelektrischer Körper auf der Unterseite einer Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.

3. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, bei dem der piezoelektrische Körper ein piezokeramischer Stab ist.

4. Mikromechanisches Element nach Anspruch 3, bei dem der piezokeramische Stab annähernd gleich Abmessungen wie die Silicium-Zunge und eine Dicke von < 50 µm hat.

5. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, bei dem als ferroelektrischer Körper ein Keramikkörper mit hoher Elektrostriktion auf die Unterseite der Silicium- Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.

6. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, bei dem als ferroelektrischer Körper ein Körper mit felderzwungener Phasenumwandlung auf die Unterseite der Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.