微机械器件及设计其的设备和制造其的方法,和微机械系统技术方案

本发明专利技术涉及一种微机械器件，所述微机械器件包括层；形成在层内的至少第一切口，用于限定第一摆动元件，第一摆动元件通过层的第一弹簧部分被可摆动地悬挂；和形成在层内的至少第二切口，用于限定第二摆动元件，第二摆动元件通过层的第二弹簧部分被可摆动地悬挂，其中沟槽在层的主表面中形成在弹簧部分对内，其中第一摆动元件的谐振频率与第二摆动元件的谐振频率不同，并且如此形成第一弹簧部分、第二弹簧部分和沟槽使得在第一弹簧部分和第二弹簧部分的各向异性横向材料移除和／或各向异性横向材料增加的情况下，第二摆动元件的谐振频率的相对变化与第一摆动元件的谐振频率的相对变化的比率范围为从０．８至１．２。

【技术实现步骤摘要】
,和微机械系统的制作方法
本专利技术涉及具有摆动元件和弹簧部分的微机械器件，例如涉及调节弹簧硬度对制造变量(fabrication variations)的灵敏度。
技术介绍
具有被可摆动地悬挂的摆动元件的微机械器件可以被用作微机械传感器和微机械致动器。由弹簧部分和被可摆动地悬挂的摆动元件组成的微机械器件具有本征频率或谐振频率。在很多应用中，微机械器件的谐振频率必须符合固定的缺省频率，以便通过增加谐振，获得例如在传感器的情况下的足够灵敏度和例如在致动器的情况下的足够振幅。微机械结构的示例是例如那些用作例如时钟内的时钟发送器或例如扫描仪的反射镜的偏转元件(其用于数据投影)的结构，其中数据频率和摆动频率必须是固定的默认比率。为了使所需要的用于产生摆动的能量较低，此装置通常具有相对高的质量，从而谐振曲线是窄的并且当保持所需要的振幅时激励频率仅存在非常小的裕度(margin)。 在MEMS(微机电系统)扫描仪反射镜中，甚至扭转弹簧的宽度的稍微变化也会明显的改变谐振频率。刻蚀工艺或光刻抗蚀剂掩模可以引起弹簧宽度的制造变量(fabrication variation)。基于有待制造的弹簧的几何结构，这些变量对于弹簧硬度具有一些影响，因此对于装置的摆动频率具有一些影响。例如，上述说法在例如MEMS扫描仪反射镜的用于光线的二维偏转的装置中尤为重要，因为其经常要求摆动频率的某一固定比率。例如，德国杜伊斯堡总合大学(Gerhard-Mercator-Gesamthochschule Duisburg)的希恩克(Schenk)在2000年的博士论文“Ein neuartiger Mikroaktor zurein-und zweidimensionalen Ablenkung von Licht”中描述了一个MEMS扫描仪反射镜。 最重要的是，弹簧尺寸的系统偏差对于这种微机械摆动器的频比具有巨大影响。这是由制造工艺的变量显著影响。通常，在微机械系统技术中借助于蚀刻工艺限定可移动部分。在此，掩膜的特性和应用的蚀刻工艺对于变量的类型和数量级具有影响。应该区别整体变量、局部变量和方向依赖性变量(global，local and direction-dependent variations)。 整体变量影响在工序中制造的所有装置的几何结构。用于整体变量的一个示例是在蚀刻气体中的压力的时间依赖性变量。 局部变量以位置依赖性的方式影响所制造的几何结构的尺寸。在反应室内的刻蚀气体浓度的位置依赖性变量是位置变量的一个示例。 基于其在反应室内的方位或相对于室中心的方位，方向依赖性变量影响所制造的形状的尺寸。 图4的左手侧显示了具有摆动体410和弹簧420和422的微机械致动器400的非常简化的图示。可以看出，两个弹簧420、422的几何结构和摆动体410的几何结构由所谓的开沟槽(open trench)440限定。在图4的右手侧显示了具有在其两侧上刻蚀的沟槽440的弹簧420的细节。例如由干法蚀刻工艺制造这些开沟槽440。所述干法蚀刻工艺的特征在于制造变量主要发生在沟槽的宽度上和沟槽的垂直剖面上。沟槽相对于彼此的位移可以忽略不计。弹簧几何结构的偏差和摆动体的几何结构的偏差是由沟槽几何结构的变量引起的。 存在各种方法来校正谐振频率从而校正频比。在一个实施例中，应用气体改变可移动元件的环境压力从而改变可移动元件的有效质量(US6331909、US6285489)。然而，于此必需的设备以及调节电路相对密集。在相同的专利说明书中，存在第二种方法，其中弹簧被覆盖吸收气体的材料。一旦吸收气体，弹簧的材料性能改变，因此改变频率。此方法的费用也好像相对较高。此外，可以假设，通过使用用于弹簧的吸收材料，降低了所述系统的质量。 在另一个实施例中(US6256131、US6285489)，在扭转摆动器中，通过静电力部分旋转质量可以朝向扭转轴线或远离扭转轴线移动。因此，惯性矩改变，从而谐振频率也改变。因此确实完成对谐振频率的调节，但是由于通常可移动质量的小的移动路径，不能校正更大的变量。 因为与制造变量相比，在微机械器件中的谐振频率的调节范围通常较小，通常采用分类从而不能使用具有过大偏差的装置。由此，明显地降低了产量。 借助于几何结构(以目标对准的方式通过外部影响破坏所述几何结构)，可以影响微机械弹簧元件的有效长度，从而影响微机械弹簧元件的硬度。 德国弗劳恩霍夫研究所在用于光子微系统的、国际公开号WO2004/092745A1的专利申请中已经提出此解决方法。 通过具有附加结构(所谓的补偿沟槽)的摆动体设备，可以影响摆动体的质量或质量惯性矩，从而可以至少部分地补偿由于制造引起的弹簧几何结构的偏差。德国弗劳恩霍夫研究所已经向德国专利商标局提交了用于光子微系统的、专利号为102007001516.1-54的解决方案。 借助于可以影响其几何结构的弹簧部分，可以在确定范围内调节弹簧硬度从而谐振频率。德国弗劳恩霍夫研究所已经向德国专利商标局提交用于光子微系统的、专利号为102007001516.1的解决方案。 因此，在所述微机械器件中需要一种用目标跟踪调节或调谐弹簧硬度对制造变量的灵敏度的有效方法。
技术实现思路
本专利技术的一个实施例提供了一种微机械器件，所述微机械器件包括层；形成在层内的至少第一切口，用于限定第一摆动元件，第一摆动元件通过层的第一弹簧部分被可摆动地悬挂；和形成在层内的至少第二切口，用于限定第二摆动元件，第二摆动元件通过层的第二弹簧部分被可摆动地悬挂，其中沟槽在层的主表面中形成在弹簧部分对内，其中第一摆动元件的谐振频率与第二摆动元件的谐振频率不同，并且如此形成第一弹簧部分、第二弹簧部分和沟槽使得在第一弹簧部分和第二弹簧部分的各向异性横向材料移除和/或各向异性横向材料增加的情况下，第二摆动元件的谐振频率的相对变化与第一摆动元件的谐振频率的相对变化的比率范围为从0.8至1.2。 本专利技术的另一个实施例提供了一种用于制造微机械器件的方法，所述方法包括步骤设置层；在层中制造至少第一切口，用于限定通过层的弹簧部分被可摆动地悬挂的摆动元件；在层中制造至少第二切口，用于限定通过层的弹簧部分被可摆动地悬挂的摆动元件；和在层的主表面内在弹簧部分中形成至少一个沟槽，其中第一摆动元件的谐振频率与第二摆动元件的谐振频率不同，且如此形成第一弹簧部分、第二弹簧部分和沟槽，使得在第一弹簧部分和第二弹簧部分的各向异性横向材料移除和/或各向异性横向材料增加的情况下，第二摆动元件的谐振频率的相对变化与第一摆动元件的谐振频率的相对变化的比率范围为从0.8至1.2 本专利技术的实施例进一步提供了用于减少在具有至少两个谐振使用的自由度的微机械器件或微机械系统中的频比的偏差的设备。 以下的术语频率或频比的偏差意思是指尽管在同样的和不变的环境条件下，仍然发生基本上相同结构的器件的使用的本征频率或频比的失配。其原因在于由于调节、构造和层生产的过程中的公差，确定频率的材料参数(弹性常数、密度、…)的变量和弹簧的尺寸和质量的统计或系统变量或以阻尼方式产生的间隙。 附图说明 下面参照附图更具体地解释本专利技术的实施例。 图1A显示了具有摆动元件的微机械器件的实施例，所述摆动元件通过弹簧部分被可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微机械器件（１００；１００′），包括：　　　　层（１１０）；　　　　形成在层（１１０）内的至少第一切口（１２０′），用于限定第一摆动元件（１５０′），所述第一摆动元件（１５０′）通过层（１１０）的第一弹簧部分（１３０′）被可摆动地悬挂；和　　　　形成在层（１１０）内的至少第二切口（１２０），用于限定第二摆动元件（１５０），所述第二摆动元件（１５０）通过层（１１０）的第二弹簧部分（１３０）被可摆动地悬挂，其中沟槽（１４０）在层（１１０）的主表面（１１２）中形成在弹簧部分对（１３０）内，　　　　其中第一摆动元件（１５０′）的谐振频率（ｆ↓［１］）与第二摆动元件（１５０）的谐振频率（ｆ↓［２］）不同，并且如此形成第一弹簧部分（１３０′）、第二弹簧部分（１３０）和沟槽（１４０）使得在第一弹簧部分（１３０′）和第二弹簧部分（１３０）的各向异性横向材料移除（－Δｂ）和／或各向异性横向材料增加（＋Δｂ）的情况下，第二摆动元件（１５０）的谐振频率的相对变化与第一摆动元件（１５０′）的谐振频率的相对变化的比率（Ｖ↓［ｓ］）范围为从０．８至１．２。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：托马斯克劳泽，托马斯格拉斯霍夫，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：DE[德国]