微机械振动系统的制作方法

1.本发明涉及一种微机械振动系统、尤其是微镜布置，一种具有微机械振动系统的微投影设备和一种用于制造微机械振动系统的方法。


背景技术：

2.文件ep 1 773 596 b1描述一种微机械谐振器布置，例如微镜扫描仪。通过微镜布置的电磁驱动单元的线圈和永磁体的确定的布置，减小振动系统的惯性矩。


技术实现要素：

3.由此出发，本发明所基于的任务在于开发一种高能效的微机械振动系统。
4.为了解决该任务，提出一种根据权利要求1的微机械振动系统。微机械振动系统尤其构造为如例如在微投影设备中所使用的微镜布置。微机械振动系统在此包括具有至少一个微镜的微机械振动体。微机械振动体构造用于围绕振动轴振动。换言之，微机械振动体围绕振动轴转动。振动体尤其以该振动体的谐振频率围绕振动轴振动。为了激励振动，尤其设置有驱动单元。这例如能够是电磁驱动单元、静电驱动单元或者压电驱动单元。微机械振动体具有总质量m，该总质量尤其与弹簧连接，使得总质量m以转动弹动的方式受到支承。具有总质量m的微机械振动体由多个质量元件mi组成。而质量元件mi根据质量元件mi与振动轴的横向间隔地分布。质量元件与振动轴的横向间隔尤其能够指的是质量元件与振动轴沿与微镜的主延伸平面平行的方向的间距。质量元件mi能够构造为例如无穷小的、矩形的质量元件。然而，质量元件mi也能够构造为微机械振动体的剖面部段(schnittsegmente)，其中，微机械振动体的剖面在此沿着微机械振动体的振动轴实现。即，所述部段圆盘状地从振动轴朝向微机械振动体的外部区域延伸。优选地，在这种背景下提出，质量元件mi的分布根据质量元件mi与振动轴的横向间隔而减少。即，质量元件mi离转动轴越远，例如在上文描述的剖面部段的质量越小。因此减小微机械振动体的外部区域的总惯性矩。这又导致，微镜尤其在静态偏移的情况下尽管固有频率高仍然能够被快速地调节和高效能地运行，因为用于高的固有频率的必需的弹簧刚度小。
5.优选地，微机械振动体附加地具有用于承载至少一个线圈单元的载体单元。这样的载体单元通常在俯视图中具有矩形的形状，并且相对于振动轴在与微镜的主延伸平面平行的平面中具有横向延展(ausdehnung)。因此，载体单元的质量也对微机械振动体的外部区域的总惯性矩做出贡献。该线圈单元是微机械振动体的电磁驱动单元的线圈单元。优选地，载体单元构造为分别布置在振动轴的两个侧(seite)上的两个支柱(streben)，所述支柱构造用于撑开(aufspanne)线圈单元。这样的支柱仅具有低质量，由此减小微机械振动体的外部区域的总惯性矩。优选地，相应的支柱具有垂直于振动轴的主延伸方向。优选地，微机械振动体的线圈单元在微机械振动体的相对于振动轴布置的外部区域中由具有小于4g/cm3的密度的金属构成。这例如能够是铝。在微机械振动体的相对于振动轴布置的内部区域中，该线圈单元由具有大于4g/cm3的密度的金属构成。这例如能够是铜。因此减小微机械振
动体的外部区域的总惯性矩。优选地，微镜在俯视图中完全覆盖线圈单元。这样的微镜在相对于振动轴的横向方向上具有大的延展，并且相应地对微机械振动体的外部区域的总惯性矩做出显著贡献。
6.优选地，微机械振动体在振动轴的两个侧上在微机械振动体的相对于振动轴布置的外部区域中具有至少一个凹槽。振动轴的两个侧在此尤其布置在与微镜的主延伸平面平行的平面中。通过所述至少一个凹槽，减小微机械振动体的外部区域中的质量。该凹槽尤其布置在微机械振动体的与微镜的反射入射光的侧相反的侧上。因此，通过至少一个凹槽不干扰微机械振动体的、尤其是微镜的功能。优选地，所述至少一个凹槽在俯视图中具有六角棱镜的形状。替代于此地，所述至少一个凹槽在俯视图中构造为矩形。六角形状虽然减小质量，但确保高的稳定性。优选地，微机械振动体在振动轴的两个侧上在微机械振动体的相对于振动轴布置的外部区域中具有多个凹槽。所述凹槽在所述凹槽的纵向方向和/或横向方向上的延展根据所述凹槽与振动轴的横向间隔增大。即，凹槽与振动轴在横向方向上离得越远，该凹槽越大。相应地，微机械振动体的质量的分布因此朝向外部减少。优选地，微机械构件附加地具有两个弹簧、尤其是扭转弹簧，用于将振动体悬挂在静态体上、例如悬挂在振动体的刚性的框架上。在这种背景下，微镜在弹簧上方的区域中具有至少一个第二凹槽。因此，在微镜的下方为弹簧的运动自由性提供自由空间。此外，结构尺寸因此局限为镜子尺寸，因为不需要用于弹簧的附加的横向空间。
7.本发明的另外的主题是具有先前描述的微机械振动系统的微投影设备。在这样的微投影设备的情况下，微镜用于将由例如激光器单元发射到微镜上的光投影到屏幕上。
8.另外，本发明包括一种用于制造微机械振动系统的方法。在此，首先提供第一氧化硅衬底。随后，例如借助蚀刻方法由第一氧化硅衬底结构化出微机械振动体的微镜。此外，例如分别借助第一空腔在微机械振动体的振动轴的两个侧上在微机械振动体的相对于振动轴布置的外部区域中产生至少一个凹槽。优选地，另外提供第二硅衬底。随后，例如借助蚀刻方法由第二硅衬底结构化出用于承载微机械振动体的至少一个线圈单元的载体单元。另外，尤其借助氧化硅层将微镜与载体单元连接。
附图说明
9.图1a在俯视图中示出微机械振动系统的第一实施方式。
10.图1b示出微机械振动系统的第一实施方式的截面图。
11.图2a在俯视图中示出微机械振动系统的第一实施方式。
12.图2b示出微机械振动系统的第一实施方式的截面图。
13.图3a在俯视图中示出微机械振动系统的第一实施方式。
14.图3b示出微机械振动系统的第一实施方式的截面图。
15.图4a在俯视图中示出微机械振动系统的第一实施方式。
16.图4b示出微机械振动系统的第一实施方式的截面图。
17.图5a在俯视图中示出微机械振动系统的第一实施方式。
18.图5b示出微机械振动系统的第一实施方式的截面图。
19.图6示意性地示出具有微机械振动系统的微投影设备。
20.图7示出用于制造微机械振动系统的方法的流程。
具体实施方式
21.图1a和图1b示出微机械振动系统40a的第一实施方式，其在此构造为微镜布置。在此，微机械振动系统40a包括具有微镜1a的微机械振动体10a，该微镜在这种实施方式中是椭圆形的。附加地，微机械振动体在此包括用于线圈单元5的载体单元15a和15b。线圈单元5是微机械振动体10a的电磁驱动单元的一部分。如在图1b上在微机械振动系统40a的横截面a-a中能够看出的那样，微机械振动系统40a同样还具有永磁体50，该永磁体具有磁场线51。线圈单元5又位于磁场线51内。该电磁驱动单元负责激励微机械振动体10a围绕振动轴100振动。微机械振动体10a在此尤其以微机械振动体10a的谐振频率沿在图1b上示出的转动方向振动。在该实施方式中，载体单元15a和15b由第一内部区域15a、以及作为分别布置在振动轴100的两个侧27a和27b上的两个支柱15b作为外部区域构造，所述第一内部区域15a在俯视图中呈矩形，所述支柱共同撑开线圈单元5。在此，如在图1b上能够看出的那样，振动轴100的两个侧27a和27b指的是振动轴100的布置在与微镜1a的主延伸平面26平行的平面中的两个侧。
22.微机械振动体10a具有总质量m，该总质量由在图1b中示例性示出的质量元件mi17a和17b组成。质量元件mi17a和17b在此构造为微机械振动体10a的剖面部段(schnittsegmente)。剖面部段17a和17b的剖面在此沿着微机械振动体10a的振动轴100延伸穿过微机械振动体10a。即，质量元件mi17a和17b盘状地从振动轴100朝向微机械振动体10a的边缘区域延伸。这些质量元件mi17a和17b中的每个质量元件都具有确定的质量，并且各个质量元件17a和17b的质量以合计的方式得出微机械振动体10a的总质量。质量元件17a和17b以不同的间距29a和29b与振动轴100间隔开，并且分别具有不同的质量。通过载体单元15a和15b的桥状的构造，外部区域中的质量元件17b的质量比微机械振动体10a的相对较内部的区域中的质量元件17a的质量小，该外部区域在此通过桥(stege)15形成。该内部区域在此通过载体单元的在俯视图中呈矩形的内部区域15a形成。由此，微机械振动体10a在外部区域中具有相对较小的总惯性矩。
23.附加地，微机械振动系统40a包括外部的刚性的框架30a和30b和两个扭转弹簧，所述扭转弹簧具有内部区段2a、2b和外部区段3a和3b，用以将微机械振动体10a悬挂在刚性的框架30a和30b上。两个扭转弹簧的外部区段3a和3b能够具有用于偏移检测的压阻结构。
24.图2a和图2b示出具有振动体10b的微机械振动系统40b的第二实施方式。在此，与第一实施方式不同，载体单元15c在图2a的俯视图中构造为矩形，并且如在图2b上能够看出的那样，在载体单元15c的下侧上布置有线圈单元5。图2b在此是微机械振动系统40b的横截面b-b。微镜1b在该实施方式中在图1a的俯视图中构造为矩形，并且在振动轴100的每个侧上在微机械振动体10b的相对于振动轴100布置的外部区域35b中具有同样是矩形的凹槽16。如在图2b上能够看出的那样，凹槽16布置在微机械振动体40b的一个侧32b上，该侧布置得与微镜1b的反射入射光的侧32b相反。通过微镜1b的外部区域35b中的凹槽16，两个剖面部段17c和17d又具有不同的质量。剖面部段17c的质量大于布置在更外部的剖面部段17d的质量，由此减小微机械振动体10b的外部区域35b的总惯性矩。
25.另外，为了进一步减小微机械振动体10b的外部区域35b的总惯性矩，在该第二实施方式中，微机械振动体10b的线圈单元5在微机械振动体10b的相对于振动轴100布置的外部区域35b中由具有小于4g/cm3的密度的金属、尤其是铝构成。相反，在微机械振动体10b的
相对于振动轴100布置的内部区域35a中，该线圈单元5由具有大于4g/cm3的密度的金属、尤其是铜构成。
26.图3a和图3b示出具有振动体10c的微机械振动系统40c的第三实施方式。在此，与第一和第二实施方式不同，微镜1c在图3a的俯视图中具有这样的延展，使得微镜1c完全覆盖线圈单元。为了减小微镜1c的外部区域的总惯性矩，在该实施方式中在微镜1c的侧32b上设置有两个矩形的凹槽22。通过这些凹槽22，剖面部段17f的质量小于剖面部段17e的质量。剖面部段17f与振动轴100的间距29f大于剖面部段17e与该振动轴的间距29e。
27.此外，微镜1c在弹簧3a和3b上方的区域中具有两个第二凹槽19a和19b。因此，在微镜1c的下方为弹簧2a和2b的内部区段的运动自由性提供自由空间。
28.图4a和图4b示出具有振动体10d的微机械振动系统40d的第四实施方式。在此，与第一、第二和第三实施方式不同，微镜1c以及微机械振动系统10d的外部区域35d中的载体单元15d在振动轴100的两个侧上具有多个凹槽21a和21b。凹槽21a和21b分别具有相同的延展，并且在图4a的俯视图中具有六角棱镜的形状。而微机械振动系统10d的内部区域35c不具有延展。通过外部区域35d中的凹槽21a和21b，剖面部段17h的质量小于内部区域35c中的剖面部段17g的质量。剖面部段17h与振动轴100的间距29h大于剖面部段17g与该振动轴的间距29g。
29.图5a和图5b示出具有振动体10e的微机械振动系统40e的第五实施方式。在此，微镜1e以及微机械振动系统10e的外部区域35d中的载体单元15e在振动轴100的两个侧上均具有多个凹槽23a和23b。与第四实施方式不同，凹槽23a和23b在所述凹槽的纵向方向37b上的和横向方向37a上的延展彼此不同。凹槽23a和23b离振动轴100越远，凹槽23a和23b变得越大。通过凹槽23a和23b的根据与振动轴100的间距的不同尺寸，外部区域35d中的具有间距29k的剖面部段17k的质量小于外部区域35d中的具有间距29j的剖面部段17j的质量。而在内部区域35c中不具有凹槽的、具有间距29i的剖面部段17i的质量大于剖面部段17j和17k的质量。由此，该系统在机械方面更坚硬。
30.图6示意性示出具有两个微机械振动系统66a和66b的微投影设备80。相应的微机械振动系统的微机械振动体60和61在此构造为分别借助对应的驱动单元55和56驱动的微镜。第一微镜60沿振动方向58围绕振动轴57振动，第二微镜61沿振动方向63围绕振动轴62振动。
31.第二微镜61的总质量在此大于第一微镜60的总质量。而较小的质量内在地具有更高的固有频率，因此，第一微镜60优选以比第二微镜61更高的频率运行。因此，例如对于正常视频投影而言，第一微镜60用于水平偏转，而第二微镜61用于竖直偏转。因此，第二微镜61能够能量有效地电磁运行。而第一微镜60能够由于其频率而谐振地运行，并且能够例如借助压电致动器来驱动。
32.除了微机械振动系统66a和66b之外，这样的微投影设备80具有激光器单元52，该激光器单元构造用于，将至少一个波长的光70a发射到微机械振动系统66a的微镜上，光70b又从该微镜偏转到微机械振动系统66b的微镜上。微机械振动系统66b的微镜又构造用于，根据微机械振动系统66b的微镜的偏移将至少一个波长的光70c偏转到投影单元75上。
33.图7以流程图的形式示出用于制造微机械振动系统的方法的一种实施方式，该微机械振动系统如示例性地在图1至图5上描述的那样。在此，在第一方法步骤200中提供第一
氧化硅衬底，该第一氧化硅衬底例如呈第一氧化硅晶片的形式。在随后的方法步骤210中，由第一氧化硅衬底结构化出微机械振动体的微镜。在此，能够例如由第一氧化硅衬底蚀刻出微镜。在随后的方法步骤250中，在微机械振动体的振动轴的两个侧上在微机械振动体的相对于振动轴布置的外部区域中产生至少一个凹槽。在此，第一凹槽能够例如借助第一空腔产生。然后结束该方法。
34.在可选的方法步骤230中，另外提供第二氧化硅衬底。第二氧化硅衬底在此例如构造为第二氧化硅晶片。在随后的可选的方法步骤240中，由第二硅衬底结构化出用于承载微机械振动体的至少一个线圈单元的载体单元。在此，能够例如由第二氧化硅衬底蚀刻出载体单元。在可选的方法步骤260中，将微镜与载体单元连接，以便因此构造包括微镜和载体单元的微机械振动体。例如借助薄的氧化硅层实现微镜与载体单元的连接。该薄的氧化硅层也能够用作在由第一和第二氧化硅衬底结构化微镜和载体单元时的蚀刻停止。