[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。 

背景技术

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。