DE60211972T2

DE60211972T2 - Vorrichtung mit einem klappbaren Teil und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE60211972T2
Application number: DE60211972T
Authority: DE
Inventors: Susumu Ohta-ku Yasuda; Hidemasa Ohta-ku Mizutani; Takayuki Ohta-ku Yagi; Yasuhiro Ohta-ku Shimada; Futoshi Ohta-ku Hirose; Takahisa Ohta-ku Kato
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2022-02-22
Also published as: KR20020068962A; KR100486824B1; EP1234799A3; US20020114053A1; US20050046918A1; US6831765B2; EP1234799B1; US7277214B2; US7362488B2; EP1234799A2; US20070242328A1; DE60211972D1; US20060209378A1; US7173747B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem klappbaren Teil, welches wechselseitig über eine Drehungslängsachse geklappt werden kann, wie z. B. Mikrosensoren für das Erfassen von mechanischen Größen, Mikroaktoren und optische Mikroscanner.
Es ist allgemein bekannt, daß Oberflächenkräfte dominierender werden als Volumenkräfte, wenn die Größe von mechanischen Elementen abnimmt und dadurch der Einfluß von Reibung in solchen Vorrichtungen mehr ansteigt als in Vorrichtungen mit normalen Abmessungen. Demzufolge ist es bei der Auslegung von Mikrovorrichtungen im allgemeinen nötig, die Verminderung der Zahl von gleitenden Abschnitten und von sich drehenden Abschnitten so weitgehend wie möglich zu beachten.
Nachstehend wird ein herkömmlicher optischer Scanner mit einem klappbaren Teil, welches über eine Drehungslängsachse schwingt, beschrieben. 1 stellt einen optischen Scanner dar, der in dem Dokument US 4.317.611 offenbart ist. 2 stellt eine Einzelteilansicht dieses optischen Scanners dar, um seinen inneren Aufbau deutlich darzustellen. 3 und 4 stellen jeweils Querschnitte einer dünnen Siliziumplatte 2020 im Schnitt entlang von Linien 2003 bzw. 2006 in 1 dar.
In dem vorstehenden optischen Scanner ist eine Grube 2012 in einem Substrat 2010 eines nichtleitenden Materials ausgebildet. Ein Paar von Antriebselektroden 2014 und 2016 und ein Spiegelträgerabschnitt 2032 sind auf dem Boden der Grube 2012 angeordnet. Ein Paar von Drehstäben 2022 und 2024 und ein Spiegel 2030 sind einstückig in der Siliziumplatte 2020 ausgebildet. Eine obere Fläche des Spiegels 2030 ist mit einem hochreflektierenden Material beschichtet, und der Spiegel 2030 wird durch die Drehstäbe 2022 und 2024 drehbar gelagert. Die Siliziumplatte 2020 ist oberhalb des Substrats 2010 mit einem vorbestimmten Abstand, der wie in 3 dargestellt festgesetzt ist, zwischen der Siliziumplatte 2020 und den Antriebselektroden 2014 und 2016 angeordnet.
Die Siliziumplatte 2020 ist elektrisch geerdet. Eine Spannung wird abwechselnd an jede von den Antriebselektroden 2014 und 2016 angelegt, um den Spiegel 2030 durch eine elektrostatische Kraft anzuziehen. Der Spiegel 2030 wird auf diese Weise über die Längsachse der Drehstäbe 2022 und 2024 gekippt.
Der Querschnitt der Drehstäbe 2022 und 2024 hat die Form eines Trapezes, wie in 4 dargestellt ist. In einer Mikroanordnung mit solchen Drehstäben kann jedoch, da der Drehstab dazu neigt, sich in einer zu seiner Längsachse senkrechten Richtung zu verbiegen, die Mikroanordnung leicht durch äußere Schwingungen beeinflußt werden, und die Längsachse des Drehstabs kann leicht verschoben werden. Dementsprechend ist es schwierig, einen genauen Antrieb in einer derartigen Mikroanordnung zu erreichen.
Daher sind wahrscheinlich, wenn der vorstehende optische Scanner in einem Display vom optischen Scannertyp verwendet wird, seine Bild- und Leuchtfleckprofile infolge von äußeren Erschütterungen verschoben und verändert. Dieser Nachteil nimmt zu, wenn das Display vom Scannertyp in einer kleinen tragbaren Form ausgebildet ist.
Der nachstehende Aufbau wurde vorgeschlagen, um den vorstehend besprochenen Nachteil des Drehstabs zu beseitigen. 5 stellt eine Aufhängeplatte 2120 für eine Festplatte dar, die in "10. Internationale Konferenz über Festkörpersensoren und Aktoren (Wandler '99) S. 1002–1005" beschrieben ist, dar. Diese Aufhängeplatte 2120 ist an einem Spitzenabschnitt einer Aufhängung für den Festplattenkopf angeordnet, so daß Roll- und Neigungsbewegungen des Magnetkopfs flexibel ermöglicht werden. Die Aufhängeplatte weist einen Trägerrahmen 2131 auf, der drehbar durch Rolldrehstäbe 2122 und 2124 gehaltert wird. Weiterhin ist innerhalb des Trägerrahmens 2131 eine Kopfhalterung 2130, die durch Neigungsdrehstäbe 2126 und 2128 drehbar gehaltert ist. Drehachsen (gekennzeichnet durch Strich-Punkt-Linien in 5) der Rolldrehstäbe 2122 und 2124 und der Neigungsdrehstäbe 2126 und 2128 sind zueinander rechtwinklig, und daher können die Drehstäbe Roll- und Neigungsbewegungen der Kopfhalterung 2130 erzielen.
6 zeigt eine Querschnittsansicht im Schnitt entlang einer Linie 2106 von 5. Wie in 6 dargestellt ist, ist der Querschnitt jedes der Drehstäbe 2122 und 2124 T-förmig, und die Aufhängeplatte 2120 hat einen Aufbau mit Rippen.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren der vorstehenden Aufhängeplatte 2120 unter Bezugnahme auf 7A bis 7E beschrieben. Wie in 7A dargestellt ist, wird zu Beginn eine Siliziumscheibe 2191 zum Ausformen senkrecht unter Verwendung eines Ätzverfahrens, wie z. B. ICP-RIE (Induktiv Gekoppeltes Plasma-Reaktives Ionenätzen) geätzt. Die Siliziumscheibe 2191 für das Ausformen kann wiederverwendet werden. Eine Opferschicht 2192 von Siliziumoxid und Phosphorsilikatglas wird dann auf die Siliziumscheibe 2191 aufgebracht, wie in 7B dargestellt ist. Danach wird eine Polysiliziumschicht 2193, welche den Aufbau der Aufhängeplatte 2120 ergeben soll, ausgebildet, wie in 7C dargestellt ist. Das Polysilizium 2193 wird dann wie in 7D dargestellt strukturiert. Zuletzt wird die Opferschicht 2192 entfernt, und die Polysiliziumschicht 2193 wird mit einer strukturierten Platte 2195 mit einem Epoxidharz 2194 verklebt, wie in 7E dargestellt ist.
Der auf diese Weise hergestellte Drehstab mit dem T-förmigen Querschnitt hat das Merkmal, daß im Gegensatz zu einem Drehstab mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt sein Flächenträgheitsmoment I groß ist, während sein polares Drehmoment J relativ klein ist. Daher kann der vorstehende Drehstab relativ leicht gedreht werden, während es schwierig ist, ihn zu biegen. D. h., dieser Drehstab hat eine ausreichende Nachgiebigkeit in einer Drehungsrichtung und eine hohe Steifigkeit in einer Richtung senkrecht zu der Drehungsachse.
Ferner ist in dem vorstehenden T-förmigen Drehstab die Länge, um die erforderliche Nachgiebigkeit und den zulässigen Drehungswinkel zu erreichen, klein, und daher kann der Drehstab in den Abmessungen kompakt gemacht werden.
Auf diese Weise kann eine kompakte Mikroaufhängeplatte mit ausreichender Nachgiebigkeit in den Roll- und Neigungsrichtungen und mit ausreichender Steifigkeit in den anderen Richtungen erhalten werden.
Der vorstehende Mikroaufbau hat jedoch die nachstehenden Nachteile.

1. In dem Drehstab mit dem T-förmigen Querschnitt ist das Auftreten einer Spannungskonzentration an einem Abschnitt 2150 von 6 wahrscheinlich, wenn der Drehstab gedreht wird. Dementsprechend bricht der Drehstab leicht.
2. Wenn der Drehstab mit dem T-förmigen Querschnitt verwendet wird, weicht eine Drehachse des Drehstabs von einem Körperschwerpunkt des klappbaren Teils 2930 ab. Diese Erscheinung wird nachstehend unter Bezugnahme auf 8 und 9 beschrieben. 8 stellt einen T-förmigen Drehstab 2922 dar, bei welchem ein Ende fest angeordnet ist und dessen anderes Ende ein klappbares Teil 2930 trägt. 9 stellt eine Seite des Drehstabs 2922 bei Betrachtung aus einer Betrachtungsrichtung dar, welche durch einen Pfeil in 8 gekennzeichnet ist. Wie durch die Pfeile in 9 dargestellt ist, tritt, da die Drehachse des T-förmigen Drehstabs 2922 von dem Körperschwerpunkt des klappbaren Teils 2930 abweicht, eine Schwingungskraft in einer Richtung senkrecht zu der Drehungslängsachse auf, wenn das klappbare Teil 2930 gekippt wird. Das verursacht unerwünschtes Rauschen in Mikrosensoren für mechanische Größen, unerwünschte Aktionen in Mikroaktoren und Ablenkungsverschiebungen des Lichts in optischen Mikroscannern.
3. Der innere Verlust von Polysilizium ist größer als der von Silizium-Einkristall. Demzufolge ist ein mechanischer Q-Wert von Polysilizium relativ klein. Die Amplitude der Schwingung kann daher nicht erhöht werden, wenn das klappbare Teil durch Ausnutzen seiner mechanischen Resonanz angetrieben wird. Ferner ist sein energetischer Wirkungsgrad klein, da der Antriebsverlust groß ist.

Ferner beschreibt das Dokument EP 0 692 729 A1 einen dünnen kleinen Galvanospiegel mit kompakten Abmessungen, welcher Drehstabfedern mit einem achteckigen Querschnitt senkrecht zu dessen Kippachse verwendet.
Das Dokument WO 01/04 638 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung einer mikrobearbeiteten Vorrichtung, die mit einem Spiegel versehen ist, zur Verwendung in optischen Scannervorrichtungen. Die Spiegelplatte ist an T-förmigen Drehachsen angeordnet.
Ferner beschreibt das Dokument US-A-4 317 611 eine optische Strahlablenkvorrichtung des Torsionstyps, in welcher eine Spiegelplatte, welche den Rotor ausbildet, an Stegen und durch Torsionsstababschnitte gehaltert wird. Hierbei unterstützen die Stege die Halterungsfunktion der Torsionsstäbe.
Weiterhin beschreibt das Dokument JP 2000-214407 A eine Lichtablenkvorrichtung, in welcher ein Reflexionsspiegelteil 8 durch Stäbe gehaltert wird, welche die Platte und einen Rahmen verbinden. Die elastische Halterung der Spiegelplatte wird durch elastische Verformung dieser Stäbe und von Abschnitten des Rahmens erreicht.
Das Dokument DE 41 26 100 A1 beschreibt eine Vorrichtung mit einem klappbaren Teil, einem Rahmenelement und Drehstabfedern, mit welchen das klappbare Teil innerhalb des Rahmens gehalten wird. Die Drehstabfedern können eine V-Form, eine dreieckige Form oder eine Rhombusform haben.
Schließlich beschreibt WO 01/07869 A1 die Herstellung einer Drehstabfeder durch Verbinden von zwei V-förmigen Federn miteinander.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung mit einem klappbaren Teil mit guter Festigkeit und gutem Leistungsvermögen zu schaffen, welche ein klappbares Teil aufweist, welches wechselseitig über eine Drehungslängsachse gekippt werden kann, wie z. B. Mikrosensoren für mechanische Größen, Mikroaktoren und optische Mikroscanner. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf eine Vorrichtung mit einem klappbaren Teil, die ein Rahmenelement, ein klappbares Teil und ein Paar von Drehstabfedern mit einer Drehungslängsachse aufweist. Die Drehstabfedern sind entlang der Drehungslängsachse entgegengesetzt zu dem klappbaren Teil, welches dazwischen angeordnet ist, angeordnet, wobei sie das klappbare Teil flexibel und drehbar um die Drehungslängsachse relativ zu dem Rahmenelement haltern, und weisen eine Vielzahl von Flächenabschnitten auf. Ein Körperschwerpunkt des klappbaren Teils ist auf der Drehungslängsachse der Drehstabfedern angeordnet. Die Erfindung stellt einen Federaufbau bereit, der auf leichte Weise verdreht werden kann, der aber kaum zu verbiegen ist. Ferner tritt keine unerwünschte Schwingungskraft in einer zu der Drehungslängsachse senkrechten Richtung auf, wenn das klappbare Teil umgeklappt wird.
Erfindungsgemäß wird der nachstehende Aufbau bereitgestellt.
Das klappbare Teil ist ein ebener klappbarer Körper, und zumindest einer von den Flächenabschnitten der Drehstabfedern erstreckt sich geneigt zu dem ebenen klappbaren Körper. Infolge dieses Aufbaus kann die Drehstabfeder so gestaltet werden, daß es schwierig ist, sie in Richtungen senkrecht und parallel zu dem ebenen klappbaren Teil zu verbiegen.
Die Querschnittsform jeder Drehstabfeder senkrecht zu der Drehungslängsachse ist X-förmig und ist 90-Grad- oder 180-Grad-rotationssymmetrisch. Dieser Aufbau schafft einen Federaufbau, welcher auf leichtere Weise verdreht werden kann, selbst wenn er schwerer zu verbiegen ist.
Die Querschnittsform jeder der Drehstabfedern senkrecht zu der Drehungslängsachse ist symmetrisch in Bezug auf eine Ebene, welche die Drehungslängsachse aufweist. Dieser Aufbau kann ebenfalls einen Federaufbau schaffen, welcher auf leichtere Weise verdreht werden kann, der aber kaum verbogen werden kann.
Die Drehstabfedern sind aus einem Einkristall-Material, wie z. B. Siliziumeinkristall und Quarzeinkristall, ausgebildet. In einer derartigen Struktur kann deren innerer Verlust vermindert und ein hoher Energiewirkungsgrad erzielt werden. Ferner kann ein Aufbau mit einem hohen mechanischen Q-Wert erreicht werden. Siliziumeinkristall ist auf leichte Weise verfügbar und hervorragend in den mechanischen Eigenschaften (d. h., die technische Festigkeit und die Widerstandsfähigkeit sind groß, die Lebensdauer ist lang und die spezifische Dichte ist klein). Wenn ein (100)-Siliziumeinkristall verwendet wird, können durch dessen (111)-Ebenen auf leichte Weise geneigte Flächen der Drehstabfedern erzielt werden.
Erfindungsgemäß sind das Rahmenelement, das klappbare Teil und die Drehstabfedern aus einem Substrat eines Einkristall-Materials, wie z. B. Siliziumeinkristall und Quarzeinkristall, durch Ätzen oder dergleichen einstückig ausgebildet.
Die Drehstabfedern können durch anisotropes Ätzen des (100)-Einkristall-Siliziumsubstrats ausgebildet werden, und geneigte Flächen der Drehstabfedern können durch (111)-Ebenen des Einkristall-Siliziumsubstrats erhalten werden. In diesem Fall können Flächen, bezogen auf die (100)-Substratfläche, eines Fußabschnitts jeder Drehstabfeder, welche die Verbindung zu dem Siliziumsubstrat ausbilden, (111)-Flächen des Einkristall-Siliziumsubstrats sein. Diese Drehstabfedern sind kaum zu zerbrechen, da die (111)-Fläche gleichmäßig mit hoher Präzision ausgebildet ist. Ferner kann die Konzentration von Spannung auf den Fußabschnitt vermindert werden, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Drehstabfedern führt.
Die Drehstabfedern werden durch Verwendung eines ebenen Substrats, wie z. B. eines Siliziumsubstrats, und Ausführen von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, ausgebildet.
Der Querschnitt jeder Drehstabfeder senkrecht zu der Drehungslängsachse hat eine X-Form.
Querschnitte der zwei Drehstabfedern, welche entgegengesetzt mit dem dazwischen eingefügten klappbaren Teil angeordnet sind, sind gleich.
Winkel von Drehstabfedern können durch isotropes Ätzen abgerundet werden, so daß eine Konzentration von Spannung an den Winkeln der Drehstabfedern vermindert werden kann.
Das Rahmenelement kann ein inneres Rahmenelement und ein äußeres Rahmenelement aufweisen, und das klappbare Teil kann ein inneres klappbares Teil und ein äußeres klappbares Teil aufweisen, welches das innere Rahmenelement für die Halterung des inneren klappbaren Teils durch ein Paar von Drehstabfedern ist, und das durch das äußere Rahmenelement über ein Paar von zweiten Drehstabfedern gehaltert wird. In diesem Aufbau wird das innere klappbare Teil flexibel und drehbar über eine erste Drehungslängsachse eines Paars der ersten Drehstabfedern gehaltert, das äußere klappbare Teil wird flexibel und drehbar über eine zweite Drehungslängsachse eines Paars der zweiten Drehstabfedern gehaltert, und Paare der ersten und zweiten Drehstabfedern sind jeweils entlang den ersten und zweiten Drehungslängsachsen entgegengesetzt mit dem dazwischen angeordneten inneren und äußeren klappbaren Teil angeordnet. Wenn es erforderlich ist, können auf eine solche Weise (d. h., auf eine sogenannte Kardanrahmenweise) mehr als zwei klappbare Teile flexibel und drehbar gehaltert werden. Normalerweise liegen die Drehungsachsen so, daß sie einen Winkel von 90 Grad ausbilden.
Die Vorrichtung mit einem klappbaren Teil kann ferner eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer relativen Verschiebung zwischen dem Rahmenelement und dem klappbaren Teil, z. B. über eine Veränderung einer Spannung zwischen ihnen, aufweisen.
Die Vorrichtung mit einem klappbaren Teil kann ferner eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des klappbaren Teils relativ zu dem Rahmenelement aufweisen, und die Vorrichtung kann als ein Aktor ausgelegt sein. Die Antriebseinrichtung besteht normalerweise aus einem ortsfesten Kern, der aus weichmagnetischem Material ausgebildet ist, einer Spule, die um den ortsfesten Kern gewunden ist, und einem verlagerbaren Kern, der mit dem klappbaren Teil gebondet ist. Der verlagerbare Kern kann entweder aus einem weichmagnetischen Material ausgebildet oder ein Dauermagnet aus hartmagnetischem Material sein. Wenn der verlagerbare Kern aus weichmagnetischem Material ausgebildet ist, ist das Antriebsprinzip folgendermaßen. Magnetpole des weichmagnetischen Materials sind nicht festgelegt, und das weichmagnetische Material wird in einen magnetischen Fluß hereingezogen, der durch den ortsfesten Kern erzeugt wird, so daß sich eine Querschnittsfläche, wo das weichmagnetische Material den magnetischen Fluß schneidet, vergrößert. Somit wird das klappbare Teil angetrieben. Bei Aufhören des magnetischen Flusses wird das weichmagnetische Material von dem magnetischen Fluß freigegeben.
Wenn der verlagerbare Kern aus hartmagnetischem Material ausgebildet ist, ist das Antriebsprinzip folgendermaßen. Es sind Magnetpole des hartmagnetischen Materials festgelegt, und das hartmagnetische Material wird durch eine Anziehungskraft zwischen unterschiedlichen Magnetpolen oder durch eine Abstoßungskraft zwischen gemeinsamen Magnetpolen angetrieben. Diese zwei sind elektromagnetische Aktoren. Es können auch elektrostatische Kräfte in einem elektrostatischen Aktor verwendet werden.
Die Vorrichtung mit einem klappbaren Teil kann ferner eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des klappbaren Teils relativ zu dem Rahmenelement und eine Lichtablenkeinheit, welche an dem klappbaren Teil angeordnet ist, zum Ablenken eines Lichtstrahls, welcher auf das klappbare Teil auftrifft, aufweisen, wobei die Vorrichtung als eine optische Ablenkvorrichtung ausgebildet ist. Die Antriebsvorrichtung kann wie vorstehend beschrieben aufgebaut sein. Die Lichtablenkeinheit kann ein Reflexionsspiegel oder ein Beu gungsgitter sein. Wenn das Beugungsgitter verwendet wird, kann ein einzelner Strahl als eine Vielzahl von Lichtstrahlen (gebeugtes Licht) abgelenkt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Display vom Scannertyp, welches die vorstehend besprochene Ablenkvorrichtung, die eine Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 1 aufweist, eine modulierbare Lichtquelle und eine Steuereinheit zum Steuern der Modulation der modulierbaren Lichtquelle und des Betriebs des klappbaren Teils der optischen Ablenkungsvorrichtung auf eine ineinandergreifende Weise aufweist.
In einem Verfahren zur Herstellung der vorstehend besprochenen Vorrichtung mit einem klappbaren Teil, welche das Rahmenelement aufweist, das aus einem (100)-Einkristall-Siliziumsubstrat ausgebildet ist, wird das klappbare Teil aus dem (100)-Einkristall-Siliziumsubstrat ausgebildet, und es wird ein Paar von Drehstabfedern mit einer Drehungslängsachse aus dem (100)-Einkristall-Siliziumsubstrat ausgebildet, welches eine Vielzahl von Flächenabschnitten, die durch (100)- und (111)-Flächen des Einkristall-Siliziumsubstrats begrenzt werden, aufweist. Das Verfahren weist jeweils einen Schritt des Abscheidens von Maskierungsschichten an sowohl der oberen als auch der unteren Oberfläche des (100)-Einkristall-Siliziumsubstrats, einen Schritt des Strukturierens der Maskierungsschichten gemäß dem Aufbau des klappbaren Teils und der Drehstabfedern und einen Schritt des anisotropen Ätzens des (100)-Einkristall-Siliziumsubstrats unter Verwendung der strukturierten Maskierungsschichten auf. Das anisotrope Ätzen kann unter Verwendung einer alkalischen Lösung ausgeführt werden. Das Verfahren kann ferner einen Schritt des Abrundens von Winkeln der Drehstabfedern durch isotropes Ätzen, so daß die Konzentration von Spannung an den Winkeln der Drehstabfedern vermindert wird, aufweisen.
Diese und auch andere Vorteile werden in Verbindung mit der nachstehenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen klarer.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer herkömmlichen optischen Ablenkvorrichtung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Einzelteilaufbaus der herkömmlichen optischen Ablenkvorrichtung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht der herkömmlichen optischen Ablenkvorrichtung im Schnitt entlang einer Linie 2003 von 1.
4 zeigt eine Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Drehstabs in der herkömmlichen optischen Ablenkvorrichtung entlang einer Linie 2006 von 1.
5 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung eines herkömmlichen Kardanrahmens für eine Festplatte.
6 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung des herkömmlichen Kardanrahmens für eine Festplatte entlang einer Linie 2106 von 5.
7A bis 7E zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung des herkömmlichen Kardanrahmens für eine Festplatte.
8 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines herkömmlichen T-förmigen Drehstabs.
9 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung eines herkömmlichen Drehstabs.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer optischen Ablenkvorrichtung eines ersten nicht beanspruchten Beispiels.
11A zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Einzelteilaufbaus des ersten Beispiels.
11B zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung einer Drehstabfeder entlang einer Linie 190 von 11A.
13 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung der Drehstabfeder entlang einer Linie 106 von 10.
14 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung von anisotropem Ätzen eines Siliziumsubstrats.
15A bis 15E zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung der Bearbeitung einer dünnen Einkristall- Siliziumplatte.
16A bis 16E zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung von Glassubstrat.
17A zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer optischen Ablenkvorrichtung einer Abwandlung.
17B zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung von Drehstabfedern der Abwandlung von 17A.
18 zeigt eine perspektivische Ansicht einer optischen Ablenkvorrichtung einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
19A zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Einzelteilaufbaus der ersten Ausführungsform.
19B zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung einer Drehstabfeder der ersten Ausführungsform im Schnitt entlang einer Linie 390 von 19A.
20 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung der Drehstabfeder der ersten Ausführungsform im Schnitt entlang einer Linie 306 von 18.
21 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung der ersten Ausführungsform.
22A bis 22G zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte der ersten Ausführungsform.
23A bis 23C zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung der Drehstabfeder der ersten Ausführungsform.
24A zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer optischen Ablenkvorrichtung einer Abwandlung eines nicht beanspruchten Beispiels.
24B zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung von Drehstabfedern der Abwandlung von 24A.
25A bis 25E zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte der Abwandlung von 24A.
26 zeigt eine perspektivische Ansicht einer optischen Ablenkvorrichtung eines weiteren nicht beanspruchten Beispiels.
27A zeigt eine perspektivische Ansicht zur Dar stellung des Einzelteilaufbaus von 27A.
27B zeigt eine Querschnittsansicht einer Drehstabfeder im Schnitt entlang einer Linie 690 von 27A.
28 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung der Drehstabfeder im Schnitt entlang einer Linie 606 von 26.
29A bis 29E zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte des Beispiels von 26.
30A zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer optischen Ablenkvorrichtung einer Abwandlung des weiteren Beispiels.
30B zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung von Drehstabfedern einer Abwandlung von 30A.
31 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung der Betriebsweise einer optischen Ablenkvorrichtung.
32 zeigt eine Ansicht zur Darstellung eines Displays vom optischen Scannertyp der vorliegenden Erfindung.
33 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Beschleunigungssensors.
34 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Einzelteilaufbaus von 33.
35 zeigt eine Querschnittsansicht einer Drehstabfeder im Schnitt entlang einer Linie 1206 von 33.
36A bis 36F zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte.
37A bis 37E zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung eines Glassubstrats im Schnitt entlang einer Linie 1209 von 34.
38 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer optischen Ablenkvorrichtung.
39 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung des Beispiels von 38.
40 zeigt eine Seitenansicht zur Darstellung des Beispiels von 38.
41 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung einer Drehstabfeder im Schnitt entlang einer Linie 1306 von 38.
42A bis 42J zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte im Schnitt entlang von Linien 1306 und 1309 von 38.
43A bis 43N zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines ortsfesten Kerns und einer Spule im Schnitt entlang einer Linie 1307 von 38.
44A und 44B zeigen jeweils Querschnittsansichten zur Darstellung von anderen nicht beanspruchten Beispielen der Drehstabfeder.
45 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Beschleunigungssensors.
46 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung des Einzelteilaufbaus von 45.
47 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung einer Drehstabfeder im Schnitt entlang einer Linie 1406 von 45.
48A bis 48E zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte.
49 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer optischen Ablenkvorrichtung eines nicht beanspruchten Beispiels.
50 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung des Beispiels von 49.
51 zeigt eine Seitenansicht zur Darstellung des Beispiels von 49.
52 zeigt eine Querschnittsansicht zur Darstellung einer Drehstabfeder im Schnitt entlang einer Linie 1506 von 49.
53A bis 53J zeigen Querschnittsansichten zur Darstellung eines Verfahrens zur Bearbeitung einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte im Schnitt entlang der Linien 1506 und 1509 von 49.
54 zeigt eine perspektivische Ansicht eines ebenen Drehstabs zur Darstellung der Eigenschaften einer Drehstabfeder.
BESCHREIBUNG VON ERLÄUTERNDEN BEISPIELEN UND DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein mikrooptischer Scanner eines ersten nicht beanspruchten Beispiels wird nachstehend unter Bezugnahme auf 10, 11A, 11B, 12 und 13 beschrieben.
In dem mikrooptischen Scanner ist eine Grube 112 auf einem Glassubstrat 110 ausgebildet. Ein Paar von Antriebselektroden 114 und 116 und ein Spiegelträger 132 als ein dreieckiges Prisma sind auf dem Boden der Grube 112 angeordnet. Der Spiegelträger 132 kann ausgespart werden. In einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte 120 sind zwei Sätze von Drehstabfedern 128 und 129 sowie ein ebener Spiegel 130 durch Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren einstückig ausgebildet. Jede der Drehstabfedern 128 und 129 hat den Querschnitt einer symmetrischen V-Form, wie in 13 dargestellt ist. Diese Form ist eine siebeneckige Form mit einem Innenwinkel von 289,4 Grad und hat zwei Abschnitte, die zu einer Ebene des Spiegels 130 geneigt sind.
Der Spiegel 130 hat eine ebene Fläche, die mit einem hochreflektierenden Material beschichtet ist, und ist durch die V-förmigen Drehstabfedern 128 und 129 so gehaltert, daß der Spiegel 130 frei über die Drehungslängsachse dieser Federn 128 und 129 gekippt werden kann. Die Siliziumplatte 120 ist in Gegenüberlage zu dem Glassubstrat 110 so angeordnet, daß ein vorgegebener Abstand zwischen dem Spiegel 130 und den Antriebselektroden 114 und 116 eingestellt werden kann, wie in 12 dargestellt ist. Ein unterer Abschnitt des Spiegels 130 entlang der Längsachse der Drehstabfedern 128 und 129 befindet sich in Berührung mit einem Scheitelabschnitt des Spiegelträgers 132, wie in 12 dargestellt ist. Der Spiegel 130 kann daher über die Längsachse entlang diesem Scheitelabschnitt geklappt werden.
Die dünne Einkristall-Siliziumplatte 120 ist elek trisch geerdet. Folglich kann der Spiegel 130 über die Drehungslängsachse geklappt werden, wenn eine elektrostatische Kraft durch abwechselndes Anlegen von Spannungen an die Antriebselektroden 114 und 116 auf den Spiegel 130 ausgeübt wird. Es kann auch eine magnetische Kraft und dergleichen als Antriebskraft verwendet werden. In einem solchen Fall werden die Antriebselektroden durch einen Elektromagneten ersetzt, und es wird z. B. ein Magnet aus hartmagnetischem Material an der Unterseite des Spiegels 130 fest angeordnet.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren des optischen Scanners unter Bezugnahme auf 15A bis 15E und 16A bis 16E beschrieben. 15A bis 15E zeigen Querschnittsansichten im Schnitt entlang einer Linie 106 von 10, und 16A bis 16E zeigen Querschnittsansichten im Schnitt entlang einer Linie 109 von 11A.
Die Siliziumplatte 120 wird auf die nachstehende Weise, wie in 15A bis 15E dargestellt ist, bearbeitet.
Es werden Maskierungsschichten 150 jeweils an beiden Oberflächen der Siliziumplatte 120 ausgebildet. Die Maskierungsschicht 150 wird aus SiO₂, Siliziumnitrid, die durch chemische Niederdruck-Gasphasenepitaxie aufgebracht wurden, oder dergleichen ausgebildet. Ein (100)-Substrat wird als die Siliziumplatte 120 verwendet. Strukturieren der Maskierungsschichten 150 wird durch Photolithographie wie in 15A dargestellt ausgeführt. Eine Öffnung mit einer Breite W_a wird an der oberen Fläche des Substrats 120 ausgebildet, und zwei Öffnungen, von denen jede eine Breite W_b aufweist, werden an einer unteren Fläche des Substrats 120 ausgebildet. Ein Streifenabschnitt der Maskierungsschicht 150 zwischen den zwei Öffnungen mit der Breite W_b erstreckt sich entlang einer Mittellängslinie der Öffnung mit der Breite W_a. Die Breite W_a ist ungefähr auf die Breite einer größtmöglichen Öffnung jeder der V-förmigen Drehstabfedern 128 und 129 festgesetzt, und die Breite des Streifenabschnitts der Maskierungsschicht 150 zwischen den zwei Öffnungen mit den Breiten W_b ist ungefähr auf die Breite des untersten Abschnitts jeder der V-förmigen Drehstabfedern 128 und 129 festgesetzt.
Es wird dann Ätzen von beiden Oberflächen her der dünnen Einkristall-Siliziumplatte 120 unter Verwendung einer alkalischen Lösung für anisotropes Ätzen, wie z. B. KOH, ausgeführt. Das anisotrope Ätzen des Siliziums schreitet an seiner (100)-Ebene schnell voran, während es an seiner (111)-Ebene langsam vorankommt. Daher schreitet das Ätzen anfangs so voran, daß eine geätzte Öffnung enger wird, wie in 15B und 15C dargestellt ist. Hierbei sind die Oberflächen der geätzten Abschnitte gleichmäßige (111)-Flächen.
Wie in 15D dargestellt ist, schreitet das Ätzen in den Öffnungen mit der Breite W_b fort, bis das Substrat 120 mit der Dicke t durchdrungen ist, während das Ätzen in der Öffnung mit der Breite W_a anhält, bevor das Substrat 120 durchdrungen ist, und es werden unterste Abschnitte der V-förmigen Drehstabfedern 128 und 129 ausgebildet. Da ein Winkel zwischen der (111)-Fläche und der (100)-Fläche 54,7 Grad ist, wie in 14 dargestellt ist, erfüllt die Beziehung zwischen einer Breite W und einer Tiefe d eines V-förmigen Grabens d = (W/2)tan54,7°. Folglich werden Beziehungen W_a < 2t/tan54,7 und W_b > 2t/tan54,7° geschaffen, so daß die V-förmigen Drehstabfedern 128 und 129 wie vorstehend besprochen ausgebildet werden können. Hierbei ist t die Dicke der dünnen Siliziumplatte 120.
Wie vorstehend beschrieben wurde, erreichen bei dem Ätzen von der oberen Oberfläche her alle Flächen (111)-Ebenen, bevor das Substrat 120 durchdrungen ist, und das Ätzen hält so an, daß der V-förmige Graben ausgebildet wird. Beim Ätzen von der unteren Oberfläche her schreitet das Ätzen fort, bis das Substrat 120 durchdrungen ist, und hält an der Maskierungsschicht 150 an.
In diesem Stadium wird die Maskierungsschicht 150 an der unteren Oberfläche so strukturiert, daß andere geätzte Durchdringungsabschnitte um den Spiegel 130 herum ausgebildet werden können. Die V-förmigen Drehstabfedern 128 und 129 sind kaum zu zerbrechen, da die (111)-Fläche gleichmäßig mit hoher Genauigkeit ausgebildet wird. Ferner sind Flächen 128a und 129a (siehe 11A) in den V-förmigen Gräben an den Fußabschnitten der Drehstabfedern 128 und 129, die durch das anisotrope Ätzen ausgebildet wurden, ebenfalls geneigte (111)-Flächen, wie in 11A dargestellt ist. Hierbei kann die Spannungskonzentration dorthin vermindert werden, was zu einem Anwachsen der Zuverlässigkeit der Drehstabfedern und eines Lichtablenkwinkels des Spiegels 130 führt.
Nach dem vorstehend besprochenen anisotropen Ätzen kann ein isotropes Ätzen unter Verwendung eines Gases oder einer Säure ausgeführt werden, um die scharfen Keilabschnitte der V-förmigen Gräben und Winkelabschnitte der Drehstabfedern 128 und 129 abzurunden. Die Spannungskonzentration dorthin kann ebenfalls durch dieses isotrope Ätzen vermindert werden.
Die Maskierungsschicht 150 wird dann entfernt, wie in 15E dargestellt ist. Zuletzt wird der Spiegel 130 gereinigt, und es wird eine lichtreflektierende Schicht an seiner Oberfläche ausgebildet.
Das Glassubstrat 110 wird folgendermaßen bearbeitet, wie in 16A bis 16E dargestellt ist.
Es werden jeweils Maskierungsschichten 151 an beiden Oberflächen des Glassubstrats 151 ausgebildet, wie in 16A dargestellt ist. Die Maskierungsschicht 151 wird aus Resist oder dergleichen ausgebildet.
Die Maskierungsschicht 151 wird wie in 16B dargestellt strukturiert. Die Strukturierung wird so geführt, daß der Spiegelträger 132 in der Form eines dreieckigen Prismas und die Grube 112 durch Ätzen ausgebildet werden können. Das Ätzen wird ausgeführt, um eine Grube 112 mit einer Tiefe von 25 μm auszubilden, wie in 16C dargestellt ist. Gleichzeitig wird der Spiegelträger 132 ausgebildet.
Die Maskierungsschichten 151 werden dann entfernt, um die Antriebselektroden 114 und 116 an dem Boden der Grube 112 auszubilden, wie in 16D dargestellt ist.
Die Siliziumplatte 120 und das Glassubstrat 110 werden wie in 16E dargestellt gebondet, um den in 10 dargestellten optischen Mikroscanner auszubilden.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können nach dem Herstellungsverfahren die V-förmigen Drehstabfedern 128 und 129 durch nur einmaliges Ausführen des anisotropen Ätzens hergestellt werden. Die in 13 dargestellten Drehstabfedern 128 und 129 können auf leichte Weise verdreht werden, aber es ist schwierig, sie zu biegen, ähnlich dem herkömmlichen T-förmigen Drehstab. Ferner hat der Querschnitt der Drehstabfedern 128 und 129 zwei sich kreuzende Abschnitte, die zu der Fläche des klappbaren Teils (des Spiegels 130) geneigt sind, so daß die Drehstabfeder in Richtungen senkrecht und parallel zu der Fläche des klappbaren Teils kaum zu biegen ist. Weiterhin kann, da die Drehstabfeder aus Siliziumeinkristall ausgebildet ist, eine Mikroanordnung mit einem größeren mechanischen Q-Wert als bei einer aus Polysilizium erzielt werden.
Ferner ist es schwierig, den mikrooptischen Scanner, der die Drehstabfedern aus Einkristallmaterial aufweist, zu zerbrechen, und er weist zum Zeitpunkt seines Antriebs bei Resonanz eine große Schwingungsamplitude und einen hohen Energiewirkungsgrad auf. Die Mikroanordnung kann auf leichte Weise durch das vorstehend besprochene Herstellungsverfahren hergestellt werden.
17A und 17B stellen eine Abwandlung des ersten Beispiels dar. In einem mikrooptischen Scanner dieser Abwandlung weist eine Drehstabfeder 228 einen V-förmigen Querschnitt auf, der durch eine Oberfläche des Siliziumsubstrats 220 und (111)-Flächen des Siliziums begrenzt ist, und die andere Drehstabfeder 229 weist einen umgekehrt V-förmigen Querschnitt auf, der durch diese Flächen begrenzt ist. Seitenflächen eines Spiegels mit einer lichtreflektierenden Fläche und Seitenflächen des Rahmen-Siliziumsubstrats 220 sind freigelegte (111)-Ebenen des Siliziums, obwohl diese Flächen als senkrecht zu der Reflexionsfläche in 17A und 17B dargestellt sind. Diese Darstellungsweise ist die gleiche wie in anderen ähnlichen Figuren.
Unterschiedlich zu dem ersten Beispiel unterscheiden sich die Querschnitte der Drehstabfedern 228 und 229 in dem mikrooptischen Scanner dieser Abwandlung voneinander, wie in 17B dargestellt ist. Diese Anordnung kann einen Federaufbau ausbilden, der leicht verdreht werden kann, der aber kaum zu biegen ist. Ferner können unnötige Bewegungsarten, wie z. B. Biegeschwingungen, und ungünstige Einflüsse von äußeren Störungen durch den Aufbau der einen von den Drehstabfedern 228 und 229 durch den Aufbau der anderen Drehstabfeder ausgeglichen werden. Die Antriebsstabilität kann so verbessert werden.
Genauer gesagt ist der Querschnitt A-A' der Drehstabfeder 228 zu dem Querschnitt B-B' der Drehstabfeder 229 symmetrisch in Bezug auf eine Substratebene (d. h. eine Ebene, welche die Drehungslängsachse der Drehstabfedern 228 und 229 aufweist und parallel zu der Fläche des Spiegels 230 ist), wie in 17B dargestellt ist. Ferner befindet sich der Körperschwerpunkt des Spiegels 230 auf der Längsachse der Drehstabfedern 228 und 229. Daher kann die Antriebsstabilität weiter verbessert werden.
Der mikrooptische Scanner dieser Abwandlung kann durch Bearbeitung eines Siliziumsubstrats unter Verwendung von kristallographisch anisotropem Ätzen hergestellt werden. Das in 15A bis 15E dargestellte Herstellungsverfahren kann verwendet werden, aber die Maskierungsschichten 150 für die Ausbildung der anderen Drehstabfeder 220 werden verkehrt herum zu dem Muster von 15A gedreht. Auf diese Weise können die V-förmige und die umgekehrt V-förmige Feder 228 und 229 ebenfalls auf leichte Weise durch nur einmaliges anisotropes Ätzen hergestellt werden.
Gemäß dieser Abwandlung kann solch ein mikrooptischer Scanner geschaffen werden, der auf leichte Weise hergestellt werden kann und in welchem sich Querschnitte von zwei Anordnungen von Drehstabfedern voneinander unterscheiden, wobei ungünstige Einflüsse, wie z. B. äußere Störungen, die durch den Antrieb der Drehstabfedern verursacht werden, ausgeglichen werden können.
Nachstehend wird eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikrooptischen Scanners unter Bezugnahme auf 18, 19A, 19B und 20 beschrieben. Die Querschnittsansicht von 19A im Schnitt entlang einer Linie 309 ist die gleiche wie 12.
In der ersten Ausführungsform des mikrooptischen Scanners ist ebenfalls eine Grube 312 auf einem Glassubstrat 310 ausgebildet. Ein Paar von Antriebselektroden 314 und 316 und ein Spiegelträger 332 als ein dreieckiges Prisma sind auf dem Boden der Grube 312 angeordnet. In einer Siliziumplatte 320 sind Drehstabfedern 322 und 324 und ein Spiegel 330 durch Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren einstückig ausgebildet. Jede der Drehstabfedern 322 und 324 hat einen X-förmigen Querschnitt, wie in 20 dargestellt ist. Diese Gestalt ist eine zwölfeckige Gestalt mit vier inneren Winkeln von mehr als 180 Grad, ist 180-Grad-rotationssymmetrisch und hat Abschnitte, die zu der Fläche des Spiegels 330 geneigt sind.
Der Spiegel 330 hat eine ebene Oberfläche, die mit einem hochreflektierenden Material beschichtet ist, und ist durch die X-förmigen Drehstabfedern 322 und 324 so gehaltert, daß der Spiegel 330 frei über die Drehungslängsachse dieser Federn gekippt werden kann. Die Siliziumplatte 320 ist in Gegenüberlage zu dem Glassubstrat 310 so angeordnet, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Spiegel 330 und den Antriebselektroden 314 und 316 eingestellt werden kann. Ein unterer Abschnitt des Spiegels 330 entlang der Längsachse der Drehstabfedern 322 und 324 befindet sich in Berührung mit dem Scheitelabschnitt des Spiegelträgers 332. Der Spiegel 330 kann daher über die Drehungslängsachse entlang diesem Scheitelabschnitt gekippt werden.
Die dünne Einkristall-Siliziumplatte 320 ist elektrisch geerdet. Demzufolge kann der Spiegel 330 über die Drehungslängsachse durch Anwenden einer elektrostatischen Kraft auf ihn, welche durch abwechselndes Anlegen von Spannungen an die Antriebselektroden 314 und 316 verursacht wird, umgeklappt werden.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren des optischen Scanners unter Bezugnahme auf 22A bis 22G beschrieben. Der in 16A bis 16E dargestellte Ablauf wird ebenfalls in diesem Herstellungsverfahren verwendet. 22A bis 22G zeigen Querschnittsdarstellungen im Schnitt entlang einer Linie 306 von 18, und 16A bis 16E zeigen Querschnittsdarstellungen im Schnitt entlang der Linie 309 von 19A.
Die Siliziumplatte 320 wird auf die nachstehende Weise bearbeitet, wie in 22A bis 22G dargestellt ist.
Es werden Maskierungsschichten 350 jeweils an beiden Oberflächen der Siliziumplatte 320 ausgebildet. Die Maskierungsschicht 350 wird aus SiO₂, Siliziumnitrid, die durch chemische Niederdruck-Gasphasenepitaxie aufgebracht wurden, oder dergleichen ausgebildet. Ein (100)-Substrat wird als die Siliziumplatte 320 verwendet. Das Strukturieren der Maskierungsschichten 350 wird durch Photolithographie wie in 22A dargestellt ausgeführt. Das durch diese Strukturierung erhaltene Maskierungsmuster ist in 21 dargestellt. In dem in 21 dargestellten Maskierungsmuster sind Öffnungen 391, von denen jede eine Breite W_a hat, entlang der Drehstabfedern 322 und 325 und dem Spiegel 330 ausgebildet, und Öffnungen 390, von denen jede eine Breite W_g aufweist, sind entlang der Längsachsen der Drehstabfedern 322 und 324 ausgebildet, von denen jede eine Breite W_b hat.
Es wird dann Ätzen von beiden Oberflächen her der dünnen Einkristall-Siliziumplatte 320 unter Verwendung einer alkalischen Lösung für anisotropes Ätzen, wie z. B. KOH, ausgeführt. Das anisotrope Ätzen des Siliziums schreitet an seiner (100)-Ebene schnell voran, während es an seiner (111)-Ebene langsam vorankommt. Daher läuft das Ätzen anfangs so ab, daß eine geätzte Öffnung enger wird, wie in 22B dargestellt ist.
Beim Ätzen durch die Öffnung 390 mit einer Breite W_g werden alle Flächen zu (111)-Flächen, bevor die geätzte Öffnung eine Mitte des Substrats 320 erreicht, und das Ätzen hört so auf, daß ein V-förmiger Graben (mit einer Tiefe d_g und einer Breite W_g wie in 20 dargestellt) ausgebildet wird. Beim Ätzen durch die Öffnungen 391 mit einer Breite W_a schreitet das Ätzen fort, bis das Substrat 320 durchdrungen ist, wie in 22C dargestellt ist.
Da der Winkel zwischen der (111)-Fläche und der (100)-Fläche 54,7 Grad ist, wie in 14 dargestellt ist, erfüllt die Beziehung zwischen einer Breite W und einer Tiefe d eines V-förmigen Grabens d = (W/2)tan54,7°. Dementsprechend sind in dieser Ausführungsform die Beziehungen W_g < 2t/tan54,7° und W_a > 2t/tan54,7° eingerichtet.
Nachdem sich die Gräben von den oberen und unteren Öffnungen 391 treffen, setzt sich das Ätzen seitwärts fort, wie in 22D und 22E dargestellt ist.
Das Ätzen hält an, wenn die (111)-Ebenen erreicht sind. Auf diese Weise werden die X-förmigen Drehstabfedern 322 und 324 wie in 22F dargestellt ausgebildet. Hierbei sind die X-förmigen Drehstabfedern 322 und 324 schwer zerbrechlich, da die (111)-Fläche gleichmäßig mit hoher Präzision ausgebildet ist. Ferner sind durch anisotropes Ätzen ausgebildete Flächen 322a und 324a (siehe 19A) der V-förmigen Gräben an Fußabschnitten der Drehstabfedern 322 und 324 geneigte (111)-Flächen, wie in 19B dargestellt ist. Daher kann Spannungskonzentration dorthin vermindert werden, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Drehstabfedern 322 und 324 und einer Vergrößerung des Ablenkungswinkels des Spiegels 330 führt.
Nach dem vorstehend besprochenen anisotropen Ätzen kann isotropes Ätzen unter Verwendung eines Gases oder einer Säure ausgeführt werden, um die scharfen Keilabschnitte der V-förmigen Gräben und Winkelabschnitte der Drehstabfedern 322 und 324 abzurunden. Die Spannungskonzentration dorthin kann ebenfalls durch dieses isotrope Ätzen gemäßigt werden.
Dann wird die Maskierungsschicht 350 entfernt, wie in 22G dargestellt ist. Zum Schluß wird der Spiegel 330 gereinigt, und es wird eine lichtreflektierende Schicht auf seine Oberfläche aufgebracht.
Das Glassubstrat 310 wird auf die gleiche Weise wie in 16A bis 16E dargestellt bearbeitet.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform die X-förmigen Drehstabfedern 322 und 324 durch nur einmaliges anisotropes Ätzen hergestellt werden. Jede von den so hergestellten Drehstabfedern 322 und 324 mit dem X-förmigen Querschnitt wie in 20 dargestellt hat das Merkmal, daß ihr Flächenträgheitsmoment I groß ist, während ihr polares Trägheitsmoment J relativ klein ist. Ferner kann, da ihre Querschnittsform rotationssymmetrisch ist, eine solche Mikroanordnung ausgebildet werden, in welcher keine Schwingungskräfte senkrecht zu der Drehungslängsachse in dem Umklappzeitraum auftreten, und der Körperschwerpunkt des klappbaren Teils kann auf leichte Weise auf die Drehachse der Drehstabfeder gebracht werden, wie in 23A dargestellt ist.
Weiterhin weist der Querschnitt jeder der Drehstabfedern 322 und 324 sich kreuzende Abschnitte auf, die zu der Fläche des klappbaren Teils (des Spiegels 330) geneigt sind, und er ist aus einer Vielzahl von Flächenabschnitten zusammengesetzt, wie durch die gestrichelten Linien A, B und C in 23B und 23C dargestellt ist, so daß die Drehstabfeder in Richtungen senkrecht und parallel zu der ebenen Fläche des klappbaren Teils kaum zu biegen ist. Diese Drehstabfedern können auf leichte Weise über die Drehungslängsachse verdreht werden, aber es ist schwierig, sie in Richtungen senkrecht zu dieser Achse zu biegen, weil die am meisten nachgebenden Richtungen von deren Flächenabschnitten sich wie in 23C dargestellt schneiden und ein relativ dicker Abschnitt in jeder der am meisten nachgebenden Richtungen vorhanden ist, um das Biegen in dieser Richtung zu verhindern.
In dieser Ausführungsform kann ferner, da die Drehstabfeder aus Siliziumeinkristall ausgebildet ist, eine Mikroanordnung mit einem größeren mechanischen Q-Wert als mit einer aus Polysilizium erreicht werden. Ferner ist in dieser Ausführungsform mit den Drehstabfedern aus Einkristallmaterial die Mikroanordnung kaum zu zerbrechen, kann kompakt ausgeführt werden und hat im Zeitraum ihres Resonanzantriebs eine große Schwingungsamplitude sowie einen hohen Energiewirkungsgrad. Die Mikroanordnung dieser Ausführungsform kann durch das vorstehend beschriebene Verfahren auf leichte Weise hergestellt werden.
24A stellt eine Abwandlung als ein nicht beanspruchtes Beispiel dar. In einem mikrooptischen Scanner dieser Abwandlung hat jede von den Drehstabfedern oder jeder von den Drehstäben 528 und 529 einen Flächenquerschnitt, der durch Oberflächen eines Einkristall-(100)-Substrats und (111)-Flächen aus Silizium begrenzt ist.
Unterschiedlich zu der ersten Ausführungsform unterscheiden sich die Querschnitte der zwei Drehstabfedern 528 und 529 in dem mikrooptischen Scanner dieser Abwandlung voneinander, wie in 24B dargestellt ist. Diese Anordnung kann einen Federaufbau ausbilden, der leicht verdreht werden kann, der aber kaum zu biegen ist. Ferner können unnötige Bewegungsarten, wie z. B. Biegeschwingungen, und ungünstige Einflüsse von äußeren Störungen durch den Aufbau der einen von den Drehstabfedern 528 und 529 durch den Aufbau der anderen Drehstabfeder ausgeglichen werden. Die Antriebsstabilität kann so verbessert werden.
Genauer gesagt ist der Querschnitt A-A' der Drehstabfeder 528 zu dem Querschnitt B-B' der Drehstabfeder 229 symmetrisch in Bezug auf die Substratebene 520 (d. h. eine Ebene eines Spiegels 530, oder genauer eine Ebene, welche die Drehungslängsachse der Drehstabfedern 528 und 529 aufweist und parallel zu der Fläche des Spiegels 530 ist), wie in 24B dargestellt ist. Ferner befindet sich der Körperschwerpunkt des Spiegels 530 auf der Längsachse der Drehstabfedern 528 und 529. Daher kann die Antriebsstabilität weiter verbessert werden.
Der mikrooptische Scanner dieser Abwandlung kann durch Bearbeitung eines Siliziumsubstrats unter Verwendung von kristallographisch anisotropem Ätzen ähnlich wie die erste Ausführungsform hergestellt werden. Das nachstehende in 25A bis 25E dargestellte Herstellungsverfahren kann verwendet werden.
Zu Beginn werden jeweils Maskierungsschichten 531 und 532 an beiden Oberflächen der (100)-Siliziumplatte 520 wie in 25A dargestellt ausgebildet. Die Maskierungsschichten 531 und 532 sind aus Siliziumnitrid, das durch chemische Niederdruck-Gasphaseepitaxie abgeschieden wurde, ausgebildet. Das Strukturieren der Maskierungsschichten 531 und 532 wird durch Photolithographie und trockenes Ätzen unter Verwendung von CH₄-Gas wie in 25B dargestellt ausgeführt. An beiden Oberflächen des Substrats 520 wird jede der Maskierungsschichten 531 und 532 mit einer Breite belassen, die gleich der Breite der Drehstabfedern 528 und 529 ist, wobei diese belassenen Abschnitte der Maskierungsschichten relativ zueinander entsprechend dem Neigungswinkel jeder der Drehstabfedern 528 und 529 verschoben sind.
Es wird dann kristallographisches anisotropes Ätzen von beiden Oberflächen des Einkristall-Siliziumsubstrats 520 aus unter Verwendung einer 30%igen KOH-Lösung, die auf 100°C erhitzt wurde, ausgeführt, wie in 25D dargestellt ist. Hierbei sind die Ätzrichtungen wie in 25D dargestellt.
Das Ätzen wird weiter fortgesetzt, so daß die Drehstabfedern 528 und 529 in der Form von Blattfedern mit Seitenflächen als Si(111)-Flächen ausgebildet werden, wie in 25E dargestellt ist. Auf diese Weise werden die Drehstabfedern 528 und 529 an einander gegenüberliegenden Seiten des Spiegels 530 gleichzeitig ausgebildet. Die oberen und unteren Strukturen der Maskierungsschichten 531 und 532 zum Ausbilden der Drehstabfedern 528 und 520 sind umgekehrt zueinander.
Die Maskierungsschichten 531 und 532 können entfernt werden. Ferner kann der Spiegel 530 mit einer reflektierenden Schicht beschichtet werden. Wie vorstehend beschrieben wurde, können gemäß dem Herstellungsverfahren dieser Ausführungsform die blattförmigen Drehstabfedern 528 und 529 durch Ausführen von nur einmaligem Ätzen hergestellt werden.
Entsprechend dieser Abwandlung kann der nachstehende mikrooptische Scanner ausgebildet werden. In diesem Scanner besteht jeder der zwei Sätze von Drehstabfedern 528 und 529 aus einem einfachen blattförmigen Stab, das Herstellungsverfahren ist einfach, und Querschnitte der zwei Drehstabfedern 528 und 529 unterscheiden sich voneinander, so daß der Federaufbau leicht verdreht werden kann, aber kaum zu biegen ist. Ferner können ungünstige Einflüsse von äußeren Störungen und dergleichen, die durch den Aufbau von einer der Drehstabfedern 528 und 529 verursacht werden, durch den Aufbau der anderen ausgeglichen werden. Weiterhin kann der Körperschwerpunkt der beiden Drehstabfedern 528 und 529 leicht auf die Drehungslängsachse gebracht werden. Folglich kann der Antrieb auf leichte Weise stabilisiert werden, es sind keine Spannungskonzentrationsabschnitte der Drehstabfedern 528 und 529 vorhanden, und die Anordnung ist kaum zu zerbrechen.
26 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines weiteren nicht beanspruchten Beispiels eines mikrooptischen Scanners. 27A zeigt eine Ansicht zur Darstellung eines Einzelteilaufbaus des mikrooptischen Scanners, um seinen inneren Aufbau zu zeigen. 28 zeigt eine Querschnittsansicht von 26 im Schnitt entlang einer Linie 606 zur Darstellung von Querschnitten einer dünnen Einkristallplatte 620 und von Drehstabfedern 628 und 629. Die Querschnittsansicht von 27A im Schnitt entlang einer Linie 609 ist die gleiche wie 12.
In dem mikrooptischen Scanners ist eine Grube 612 auf einem Glassubstrat 610 ausgebildet. Ein Paar von Antriebselektroden 614 und 616 und ein Spiegelträger 632 als ein dreieckiges Prisma sind auf dem Boden der Grube 612 angeordnet. In einer Siliziumplatte 620 sind Drehstabfedern 628 und 629 und ein Spiegel 630 durch Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren einstückig ausgebildet. Jeder der zwei Sätze von Drehstabfedern 628 und 629 besteht aus einem Paar von blattförmigen Drehstäben 622 und 623; 624 und 625, und ihr Querschnitt hat eine unterbrochene V-Form, wie in 28 dargestellt ist.
Der Spiegel 630 hat eine ebene Oberfläche, die mit einem hochreflektierenden Material beschichtet ist, und ist durch die zwei Sätze von Drehstabfedern 628 und 629 so gehaltert, daß der Spiegel 630 frei über die Drehungslängsachse dieser Federn gekippt werden kann. Die Siliziumplatte 620 ist in Gegenüberlage zu dem Glassubstrat 610 so angeordnet, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Spiegel 630 und den Antriebselektroden 614 und 616 eingestellt werden kann. Ein unterer Abschnitt des Spiegels 630 entlang der Längsachse der Drehstabfedern 628 und 629 befindet sich in Berührung mit einem Scheitelabschnitt des Spiegelträgers 632. Der Spiegel 630 kann daher über die Drehungslängsachse entlang diesem Scheitelabschnitt gekippt werden.
Die dünne Einkristall-Siliziumplatte 620 ist elek trisch geerdet. Demzufolge kann der Spiegel 630 über die Drehungslängsachse durch Anwenden einer elektrostatischen Kraft auf ihn, welche durch abwechselndes Anlegen von Spannungen an die Antriebselektroden 614 und 616 verursacht wird, umgeklappt werden.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren des optischen Scanners unter Bezugnahme auf 29A bis 29E beschrieben. Der in 16A bis 16E dargestellte Ablauf wird ebenfalls in diesem Herstellungsverfahren verwendet. 29A bis 29E zeigen Querschnittsdarstellungen im Schnitt entlang einer Linie 606 von 26, und 16A bis 16E zeigen Querschnittsdarstellungen im Schnitt entlang der Linie 609 von 27A.
Die Siliziumplatte 620 wird folgendermaßen bearbeitet, wie in 29A bis 29E dargestellt ist.
Es werden jeweils Maskierungsschichten 650 an beiden Oberflächen der Siliziumplatte 620 ausgebildet. Die Maskierungsschicht 650 wird aus SiO₂, Siliziumnitrid, die durch chemische Niederdruck-Gasphasenepitaxie aufgebracht wurden, oder dergleichen ausgebildet. Ein (100)-Substrat wird als die Siliziumplatte 620 verwendet. Das Strukturieren der Maskierungsschichten 650 wird durch Photolithographie ausgeführt, wie in 29A dargestellt ist. Das durch diese Strukturierung erhaltene Maskierungsmuster ist in 29A dargestellt. In dem Maskierungsmuster ist an Abschnitten der Drehstabfedern 628 und 629 eine streifenförmige Öffnung mit einer Breite W_a an einer oberen Fläche des Substrats 620 ausgebildet, und es sind zwei streifenförmige Öffnungen, von denen jede eine Breite W_b hat, an der unteren Fläche des Substrats 620 ausgebildet. Ein Paar von streifenförmigen Öffnungen mit einer Breite W_b ist mit einer streifenförmigen Maskierungsschicht zwischen ihnen ausgebildet, und die streifenförmige Öffnung mit der Breite W_a ist an der oberen Fläche entsprechend der vorstehenden streifenförmigen Maskierungsschicht an der unteren Fläche ausgebildet. Die Breite W_a ist annähernd auf einen höchsten Abstand zwischen den blattförmigen Drehstabfedern 622 und 623; 624 und 625 festgesetzt, und die Breite der streifenförmigen Maskierungs schicht 650 zwischen den beiden Öffnungen mit einer Breite W_b ist auf einen geringsten Abstand zwischen den blattförmigen Federn 622 und 623; 624 und 625 festgesetzt. In dem Maskierungsmuster an der oberen Fläche des Substrats 620 sind weiterhin Öffnungen mit einer geeigneten Breite um den Spiegel 630 herum ausgebildet.
Es wird dann Ätzen von beiden Oberflächen her der dünnen Einkristall-Siliziumplatte 620 unter Verwendung einer alkalischen Lösung für anisotropes Ätzen, wie z. B. KOH, ausgeführt. Das anisotrope Ätzen des Siliziums schreitet an seiner (100)-Ebene schnell voran, während es an seiner (111)-Ebene langsam abläuft. Daher läuft das Ätzen anfangs so ab, daß ein geätzter Graben enger wird, wie in 29B und 29C dargestellt ist.
Das Ätzen schreitet fort, bis das Substrat 620 von beiden Oberflächen her durchdrungen ist, und hält an der Maskierungsschicht 650 an, wie in 29D dargestellt ist. Da der Winkel zwischen der (111)-Ebene und der (100)-Ebene des Siliziums 54,7 Grad ist, wie in 14 dargestellt ist, erfüllt die Beziehung zwischen der Breite W und der Tiefe d eines V-förmigen Grabens d = (W/2)tan54,7°. Demzufolge ist es nötig, Verhältnisse von W_a, W_b > 2t/tan54,7° einzurichten, um das Substrat 620 zu durchdringen.
Die unterbrochenen V-förmigen Drehstabfedern 628 und 629 sind kaum zu zerbrechen, da die (111)-Fläche gleichmäßig mit hoher Genauigkeit ausgebildet ist. Ferner sind durch anisotropes Ätzen ausgebildete Flächen 628a und 629a (siehe 27A) der V-förmigen Gräben an Fußabschnitten der Drehstabfedern 628 und 629 geneigte (111)-Flächen, wie in 27B dargestellt ist, welche eine Querschnittsansicht der Siliziumplatte 620 im Schnitt entlang einer Linie 690 von 27A zeigt. Daher kann Spannungskonzentration dorthin vermindert werden, was zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Drehstabfedern und einer Vergrößerung des Ablenkungswinkels des Spiegels führt.
Nach dem vorstehend besprochenen anisotropen Ätzen kann isotropes Ätzen unter Verwendung eines Gases oder einer Säure ausgeführt werden, um Winkelabschnitte der Drehstabfe dern abzurunden. Die Spannungskonzentration dorthin kann ebenfalls durch dieses isotrope Ätzen gemäßigt werden.
Dann wird die Maskierungsschicht 650 entfernt, wie in 29E dargestellt ist. Zum Schluß wird der Spiegel 630 gereinigt, und es wird eine lichtreflektierende Schicht auf seiner Oberfläche aufgebracht.
Das Glassubstrat 610 wird auf die gleiche Weise wie in 16A bis 16E dargestellt bearbeitet.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können gemäß dem Herstellungsverfahren Drehstabfedern 622 und 623 in der Gestalt eines unterbrochenen V durch nur einmaliges anisotropes Ätzen hergestellt werden.
Wie in 28 dargestellt ist, bilden die zwei ebenen Drehstäbe 622 und 623; 624 und 625 jeder der Drehstabfedern 628 und 629 in dem optischen Scanner einen Winkel von 70,6° zwischen sich aus. Folglich kann, da die am meisten nachgebenden Richtungen (Richtungen, in welchen die Biegungssteifigkeit am geringsten ist) der ebenen Drehstäbe 622 und 623; 624 und 625 in einer nicht parallelen Beziehung vereint sind, die Gesamtanordnung der Drehstäbe eine hohe Biegungssteifigkeit aufweisen. Ferner hat der Querschnitt jeder der Drehstabfedern 628 und 629 kreuzende Abschnitte, die zu der Fläche des klappbaren ebenen Teils (des Spiegels 630) geneigt sind, so daß die Drehstabfeder in Richtungen senkrecht und parallel zu der Fläche des klappbaren Teils kaum zu biegen ist.
In 54 sind eine am wenigsten nachgebende Richtung 1610 (eine Richtung, in welcher das Flächenträgheitsmoment I maximal ist) und eine am meisten nachgebende Richtung 1620 (eine Richtung, in welcher das Flächenträgheitsmoment I minimal ist) eines ebenen Drehstabs dargestellt.
Da im Gegensatz zu dem Fall des T-förmigen Drehstabs keine große Spannungskonzentration auftritt, kann eine Mikroanordnung erreicht werden, die schwerer zu zerbrechen ist, wobei die gleiche Drehstabfeder mit gleicher Drehstab-Federkonstante und gleicher Länge angenommen ist. Ferner kann eine Mikroanordnung, die in den Abmessungen verkleinert werden kann, im Vergleich zu dem Fall des T-förmigen Dreh stabs erreicht werden, wobei die gleiche Drehstabfeder mit gleichem erlaubten Verdrehungswinkel angenommen ist. Weiterhin kann, da die Drehstabfeder aus Siliziumeinkristall ausgebildet ist, eine Mikroanordnung mit einem größeren mechanischen Q-Wert als bei der aus Polysilizium erreicht werden.
Der mikrooptische Scanner ist ferner kaum zerbrechlich, kann kompakt hergestellt werden und hat im Zeitraum, in dem er unter Resonanz angetrieben wird, eine große Schwingungsamplitude und einen hohen Energiewirkungsgrad. Die Mikroanordnung kann auf leichte Weise durch das vorstehend besprochene Herstellungsverfahren hergestellt werden.
30A stellt eine Abwandlung eines weiteren nicht beanspruchten Beispiels dar. In einem mikrooptischen Scanner dieser Abwandlung hat jeder von zwei Sätzen von Drehstabfedern 728 und 729 einen Flächenquerschnitt, der durch Oberflächen eines Siliziumsubstratrahmens 720 und (111)-Flächen von Silizium begrenzt ist, und jede der Drehstabfedern besteht aus zwei ebenen Stäben, die in Gestalt einer unterbrochenen V-Form oder einer umgekehrten unterbrochenen V-Form zusammengesetzt sind.
Genauer gesagt ist der Querschnitt A-A' der Drehstabfeder 728 symmetrisch mit dem Querschnitt B-B' der Drehstabfeder 729 in Bezug auf eine Substratebene (genauer einer Ebene, welche die Drehungslängsachse der Drehstabfedern 728 und 729 einschließt und parallel zu der Ebene des Spiegels 730 ist), wie in 30B dargestellt ist. Dadurch können unnötige Bewegungsarten, wie z. B. Biegungsschwingungen und ungünstige Einflüsse von äußeren Störungen, die durch den Aufbau einer von den Drehstabfedern 728 und 729 verursacht werden, durch den Aufbau der anderen ausgeglichen werden. Auf diese Weise kann die Antriebsstabilität verbessert werden.
Der mikrooptische Scanner dieser Abwandlung kann durch Bearbeitung eines Siliziumsubstrats unter Verwendung des kristallographisch anisotropen Ätzens hergestellt werden. Es kann das in 29A bis 29E dargestellte Herstellungsverfahren verwendet werden, aber die Maskierungsschichten 650 zum Ausbilden der anderen Drehstabfeder 729 werden in dieser Abwandlung verkehrt herum zu der Struktur von 29A gedreht. Somit können die Drehstabfedern 728 und 729 in der unterbrochenen V-Form und der unterbrochenen umgedrehten V-Form ebenfalls leicht durch nur einmaliges Ausführen des anisotropen Ätzens hergestellt werden.
In dem mikrooptischen Scanner dieser Abwandlung unterscheiden sich die Querschnitte der zwei Drehstabfedern 728 und 729 voneinander, wie in 30B dargestellt ist. Das kann einen Federaufbau ausbilden, welcher leicht verdreht werden kann, der aber kaum zu biegen ist. Ferner gibt es keine Spannungskonzentrationsabschnitte in den Drehstäben. Die Federanordnung kann daher kaum zerbrochen werden.
31 stellt einen weiteren mikrooptischen Scanner dar. Drehstabfedern (nicht dargestellt in 31) und ein Spiegel 830 sind durch Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren in einer dünnen Einkristallplatte ähnlich zu der vorstehend besprochenen Ausführungsform, den Beispielen und Abwandlungen einstückig ausgebildet. Ein verlagerbarer Kern 841 aus einem weichmagnetischen Material ist an einem Ende des Spiegels 830 fest angeordnet. Eine Oberfläche des Spiegels 830 ist mit einem hochreflektierenden Material beschichtet, und der Spiegel 830 ist durch Drehstabfedern drehbar über die Drehungslängsachse gehaltert.
Ein ortsfester Kern 842 eines weichmagnetischen Materials ist auf einem Glassubstrat (in 31 nicht dargestellt) angeordnet, und eine Spule (in 31 nicht dargestellt) ist um den ortsfesten Kern 842 gewunden. Die Siliziumplatte ist in Gegenüberlage zu dem Glassubstrat derart angeordnet, daß ein vorgegebener Abstand zwischen den parallel einander gegenüberliegenden Flächen des verlagerbaren Kerns 841 des Spiegels 830 und des ortsfesten Kerns 842 eingestellt werden kann. Wenn der Spiegel 830 um die Drehungslängsachse gekippt wird, wird ein Überlagerungsbereich (d. h., ein Querschnittsbereich, in welchem der verlagerbare Kern 841 einen magnetischen Fluß schneidet, der durch den ortsfesten Kern 842 erzeugt wird) zwischen diesen einander parallel gegenüberliegenden Flächen verändert. Auf diese Weise wird ein geschlossener serieller Magnetkreis durch den verlagerbaren Kern 841, den ortsfesten Kern 842 und die Zwischenräume zwischen ihnen ausgebildet.
Nachstehend wird die Funktion dieses optischen Scanners beschrieben. Der ortsfeste Kern 842 wird magnetisiert, wenn ein Strom durch die Spule fließt. 31 stellt den Zustand dar, unter welchem ein vorderes Ende des ortsfesten Kerns 842 zu dem N-Pol und ein hinteres Ende von diesem zu dem S-Pol magnetisiert wird. Hierbei wird der verlagerbare Kern 841 in einer Richtung angezogen, in welcher sich der vorstehend erwähnte Überlagerungsbereich der gegenüberliegenden Flächen vergrößert (d. h., der verlagerbare Kern 841 wird in den Weg des magnetischen Flusses, der durch den ortsfesten Kern 942 erzeugt wird, hereingezogen). Diese Richtung ist in 31 durch Pfeile gekennzeichnet. Die verlagerbaren und ortsfesten Kerne 841 und 842 sind an unterschiedlichen Höhen angeordnet, wenn kein Strom durch die Spule fließt, so daß sich der vorstehend genannte Überlagerungsbereich der einander gegenüberliegenden Flächen vergrößern kann. Daher wird zu diesem Zeitpunkt ein Drehmoment in einer Richtung gegen den Uhrzeigersinn (siehe einen kreisförmigen Pfeil in 31) um die Längsachse der Drehstabfedern erzeugt.
Die Resonanz des Spiegels 830 um die Längsachse der Drehstabfedern tritt auf, wenn der in der Spule fließende Strom entsprechend der Resonanzfrequenz des Spiegels 830 ein- und ausgeschaltet wird. Wenn ein Lichtstrahl unter einer solchen Bedingung auf den Spiegel 830 fällt, kann der Lichtstrahl dadurch abtastend hin- und herbewegt werden.
32 stellt ein erfindungsgemäßes Display vom Scannertyp dar. Ein optischer Scanner 901 für die X-Richtung und ein optischer Scanner 902 für die Y-Richtung sind jeweils jene der vorstehend oder weiter nachstehend beschriebenen Ausführungsform. Eine Steuervorrichtung 909 steuert die optischen Scanner 901 und 902 für die X-Richtung und die Y-Richtung, so daß ein Laserstrahl 910 in Rasterform abtastend hin- und herbewegt wird. Die Steuervorrichtung 909 steuert auch die Modulation eines Laseroszillators 905 auf der Grundlage von anzuzeigenden Daten. Folglich wird eine bildliche Darstellung auf einem Schirm 907 auf eine zweidimensionale Weise angezeigt.
Es kann ein Display vom Scannertyp mit einem eindeutigen guten Bild und einem hohen Energiewirkungsgrad durch Anwenden des optischen Scanners der vorliegenden Erfindung darauf erreicht werden.
33 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Beschleunigungssensors. 34 zeigt eine Ansicht zur Darstellung eines Einzelteilaufbaus des Beschleunigungssensors, um seinen inneren Aufbau darzustellen. 35 zeigt eine Querschnittsansicht von 33 im Schnitt entlang einer Linie 1206 zur Darstellung des Querschnitts einer dünnen Silizium-Einkristallplatte 1220.
In dem Beschleunigungssensor ist eine Grube 1212 auf einem nichtleitenden Substrat 1210 ausgebildet. Eine Meßelektrode 1216 ist an dem Boden der Grube 1212 angeordnet. In der Siliziumplatte 1220 sind ein Paar von Drehstabfedern 1222 und 1224 und ein verlagerbares oder klappbares Element 1230 einstückig ausgebildet. Jede von den Drehstabfedern 1222 und 1225 hat einen kreuzförmigen Querschnitt, wie in 35 dargestellt ist. Diese Form ist eine zwölfeckige Form mit vier inneren Winkeln von 270 Grad und acht inneren Winkeln von 90 Grad, und ist 90-Grad- oder 180-Grad-rotationssymmetrisch. Ferner besteht dieser Querschnitt aus eine Vielzahl von Flächenabschnitten, und die am meisten nachgebenden Richtungen dieser Flächenabschnitte kreuzen sich mit 90 Grad.
Das verlagerbare Element 1230 ist durch die kreuzförmigen Drehstabfedern 1222 und 1224 so gehaltert, daß das verlagerbare Element 1230 frei über die Drehungslängsachse dieser Federn kippen kann. Die Siliziumplatte 1220 ist in Gegenüberlage zu dem nichtleitenden Substrat 1210 so angeordnet, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen dem beweglichen Element 1230 und der Meßelektrode 1216 eingestellt werden kann, wie in 33 dargestellt ist. Ferner ist die dünne Einkristall-Siliziumplatte 1220 elektrisch geerdet.
In dem vorstehenden Aufbau wirkt, wenn die Siliziumplatte 1220 einer Beschleunigung senkrecht dazu unterworfen wird, die Trägheitskraft auf das verlagerbare Element 1230, und das verlagerbare Element 1230 wird drehend über die Drehungslängsachse der Drehstabfedern 1222 und 1234 abgelenkt. Wenn die Drehungsablenkung des verlagerbaren Elements 1230 auftritt, wird der Abstand zwischen dem verlagerbaren Element 1230 und der Meßelektrode 1216 verändert, wobei sich eine elektrostatische Kapazität zwischen ihnen verändert. Daher kann die Beschleunigung durch Erfassen der elektrostatischen Kapazität zwischen dem verlagerbaren Element 1230 und der Meßelektrode 1216 erfaßt werden.
Umgekehrt wirkt, wenn eine Spannung an die Meßelektrode 1216 angelegt wird, eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen dem verlagerbaren Element 1230 und der Meßelektrode 1216, um das verlagerbare Element 1230 über die Längsachse der Drehstabfedern 1222 und 1224 zu drehen. Somit kann der Beschleunigungssensor auch als ein elektrostatischer Aktor verwendet werden.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren für den vorstehenden Beschleunigungssensor unter Bezugnahme auf 26A bis 36F und 37A bis 37E beschrieben. 36A bis 36F zeigen Querschnittsansichten im Schnitt entlang der Linie 1206 von 33, und 37A bis 37E zeigen Querschnittsansichten im Schnitt entlang einer Linie 1209 von 34.
Die Einkristall-Siliziumplatte 1220 wird folgendermaßen bearbeitet, wie in 36A bis 36F dargestellt ist.
Es werden jeweils Maskierungsschichten 1250 an beiden Oberflächen der Siliziumplatte 1220 ausgebildet. Die Maskierungsschicht 1250 wird aus Resist oder dergleichen ausgebildet. Als Siliziumplatte 1220 kann ein Polysilizium verwendet werden, und ihre Flächenausrichtung kann jede beliebige sein. Es wird Strukturieren der Maskierungsschichten 1250 durch photolithographische Verfahren derart ausgeführt, daß die Siliziumplatte 1220 wie in 34 dargestellt durch Ätzen ausgebildet werden kann, wie in 36A dargestellt ist.
Dann wird Ätzen unter Verwendung von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, bis zu einer vorbestimmten Tiefe von beiden Oberflächen her der dünnen Siliziumplatte 1220, welche nicht Abschnitte der Drehstabfedern 1222 und 1224, des verlagerbaren Elements 1230 und des umgebenden Rahmenabschnitts sind, senkrecht ausgeführt, wie in 36B dargestellt ist. Diese Tiefe ist durch die Dicke eines waagerechten Stababschnitts der kreuzförmigen Drehstabfedern 1222 und 1224 festgelegt. Diese Dicke ist etwa zweimal diese Tiefe. Die Dicke eines senkrechten Stababschnitts der kreuzförmigen Drehstabfedern 1222 und 1224 ist durch die Breite eines nachstehend beschriebenen Mittelstreifenabschnitts der Maskierungsschicht 1251 festgelegt.
Nachdem die Maskierungsschicht 1250 entfernt ist, wird eine zweite Maskierungsschicht 1251 ausgebildet und wie in 36C dargestellt strukturiert.
Es wird wieder Ätzen unter Verwendung des Tiefätzens, wie z. B. ICP-RIE, senkrecht ausgeführt. Das Ätzen wird anfangs von der unteren Fläche her geführt, bis die vorher geätzte Bodenfläche eine Mitte in der Dicke der Siliziumplatte 1220 erreicht, wie in 36D dargestellt ist. Anschließend wird das Ätzen senkrecht von der oberen Fläche geführt, bis die vorher geätzte Bodenfläche die Siliziumplatte 1220 durchdringt, wie in 36E dargestellt ist.
Die Maskierungsschicht 1251 wird zum Schluß entfernt, wie in 36F dargestellt ist.
Das nichtleitende Substrat 1210 wird folgendermaßen bearbeitet, wie in 37A bis 37E dargestellt ist.
Es werden jeweils Maskierungsschichten 1252 an beiden Oberflächen des nichtleitenden Substrats 1210 wie in 37A dargestellt ausgebildet. Die Maskierungsschicht 1252 wird aus einem Resist oder dergleichen ausgebildet.
Die Maskierungsschicht 1252 wird wie in 37B dargestellt strukturiert. Das Strukturieren wird derart geführt, daß das Substrat 1210 wie in 34 dargestellt durch Ätzen ausgebildet werden kann. Das Ätzen wird ausgeführt, um die Grube 1212 mit einer Tiefe von 15 μm auszubilden, wie in 37C dargestellt ist.
Die Maskierungsschicht 1252 an der oberen Fläche wird dann entfernt, um die Meßelektrode 1216 auf dem Boden der Grube 1212 auszubilden, wie in 37D dargestellt ist.
Die Siliziumplatte 1220 und das nichtleitende Substrat 1210 werden wie in 37E dargestellt gebondet, um den Beschleunigungssensor wie in 33 dargestellt aufzubauen.
Die auf diese Weise hergestellte Drehstabfeder mit dem kreuzförmigen Querschnitt wie in 35 dargestellt hat das Merkmal, daß ihr Flächenträgheitsmoment I groß ist, während ihr polares Trägheitsmoment J relativ klein ist. Ferner kann im Gegensatz zu dem Drehstab mit dem T-förmigen Querschnitt, da die Querschnittsform der Drehstabfeder rotationssymmetrisch ist, eine solche Mikroanordnung ausgebildet werden, in welcher keine Schwingungskräfte senkrecht zu der Drehungslängsachse zum Zeitpunkt des Umklappens auftreten.
Weiterhin kann, da die Drehstabfeder aus Siliziumeinkristall ausgebildet ist, eine Mikroanordnung mit einem größeren mechanischen Q-Wert als mit der aus Polysilizium erreicht werden. Ferner kann, da das verlagerbare Element kaum während des Zeitraums des Umklappens senkrecht zu der Drehungslängsachse schwingen kann, ein Sensor für mechanische Werte mit geringerem Rauschen, einem höheren mechanischen Q-Wert und höherer Empfindlichkeit ausgebildet werden.
Da das verlagerbare Element kaum senkrecht zu den Drehungslängsachsen während der Zeitdauer des Umklappens schwingen kann, kann ein hochpräziser Mikroaktor ausgebildet werden. Ferner kann, da der mechanische Q-Wert hoch ist, die Amplitude vergrößert werden, wenn der Resonanzantrieb ausgeführt wird, und es kann ein Mikroaktor mit einem hohen Energiewirkungsgrad bereitgestellt werden.
Die Mikroanordnung kann durch das vorstehend besprochene Herstellungsverfahren auf leichte Weise hergestellt werden.
38 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines mikrooptischen Scanners. 39 und 40 zeigen jeweils eine Draufsicht und eine Seitenansicht von 38. In 40 ist ein Teil einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte 1320 weggeschnitten, um den Querschnitt einer Drehstabfeder 1328 deutlich zu zeigen. 41 zeigt eine Querschnittsansicht von 38 im Schnitt entlang einer Linie 1306 zur Darstellung des Querschnitts der dünnen Einkristall-Siliziumplatte 1320.
In der Siliziumplatte 1320 des mikrooptischen Scanners werden ein Paar von Drehstabfedern 1328 und 1329 sowie ein Spiegel 1330 durch Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren einstückig ausgebildet. Ein verlagerbarer Kern 1341 aus einem weichmagnetischen Material ist an einem Ende des Spiegels 1330 fest angeordnet. Jede der Drehstabfedern 1328 und 1329 hat einen H-förmigen Querschnitt, wie in 41 dargestellt ist. Diese Form ist eine zwölfeckige Form mit vier inneren Winkeln von 270 Grad und acht inneren Winkeln von 90 Grad und ist 180-Grad-rotationssymmetrisch. Ferner besteht dieser Querschnitt aus einer Vielzahl von Flächenabschnitten, und die am meisten nachgebenden Richtungen dieser Flächenabschnitte kreuzen sich mit 90 Grad.
Eine Oberfläche des Spiegels 1330 ist mit einem hochreflektierenden Material beschichtet, und der Spiegel 1330 ist durch die Drehstabfedern 1328 und 1329 drehbar um die Drehungslängsachse gehaltert.
Ein ortsfester Kern 1342 aus einem weichmagnetischen Material wird auf einem Glassubstrat 1340 angeordnet, und eine Spule 1345 wird um den ortsfesten Kern 1342 gewunden. Die Siliziumplatte 1320 wird mit dem Glassubstrat 1340 gebondet, so daß ein vorbestimmter Abstand zwischen den parallel einander gegenüberliegenden Flächen des verlagerbaren Kerns 1341 des Spiegels 1330 und des ortsfesten Kerns 1342 eingestellt werden kann. Wenn der Spiegel 1330 über die Drehungslängsachse der Drehstabfedern 1328 und 1329 gekippt wird, wird ein Überlagerungsbereich (d. h., eine Querschnittsfläche, wo die verlagerbare Spule 1341 den magnetischen Fluß, der durch den ortsfesten Kern 1342 erzeugt wird, schneidet) zwischen den beiden parallel einander gegenüberliegenden Flächen verändert. Folglich wird ein geschlossener magnetischer Kreis durch den verlagerbaren Kern 1341, den ortsfesten Kern 1342 und die Zwischenräume dazwischen ausgebildet.
Der optische Scanner wird auf die gleiche Weise be trieben wie der, welcher unter Bezugnahme auf 31 beschrieben wurde.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 42A bis 42J und 43A bis 43N ein Herstellungsverfahren für den optischen Scanner beschrieben. Die linken Abschnitte von 42A bis 42J zeigen jeweils Querschnittsansichten im Schnitt entlang der Linie 1306 von 38, und die rechten Abschnitte von 42A bis 42J zeigen jeweils Querschnittsansichten im Schnitt entlang einer Linie 1309 von 38. 43A bis 43N zeigen Querschnittsansichten im Schnitt entlang einer Linie 1307 von 38.
Die Einkristall-Siliziumplatte 1320 wird auf die nachstehende Weise bearbeitet, wie in 42A bis 42J dargestellt ist.
Zu Beginn wird eine Galvanikstartschicht 1360 auf einer Oberfläche der Siliziumplatte 1320 abgeschieden, wie in 42A dargestellt ist.
Dann wird eine dicke Resistschicht 1361 (z. B. ausgebildet aus SU-8, hergestellt von Micro-Chem.) auf der Galvanikstartschicht 1360 abgeschieden, und ihre Strukturierung zur Ausbildung des verlagerbaren Kerns 1341 wird durch photolithographische Verfahren ausgeführt, wie in 42B dargestellt ist.
Eine Schicht 1362 eines weichmagnetischen Materials wird auf die Galvanikstartschicht 1360 aufgalvanisiert, wie in 42C dargestellt ist.
Die dicke Resistschicht 1361 und die Galvanikstartschicht 1360 werden entfernt, wie in 42D dargestellt ist. Die Galvanikstartschicht 1360 unter der weichmagnetischen Schicht 1362 bleibt unversehrt.
Es werden Maskierungsschichten 1350 (z. B. ausgebildet aus einem Resist) an beiden Oberflächen der Siliziumplatte 1320 ausgebildet, und ihre Strukturierung zum Ausbilden der Siliziumplatte 1320 wie in 38 dargestellt wird durch photolithographische Verfahren ausgeführt, wie in 42E dargestellt ist.
Dann wird Ätzen bis zu einer vorbestimmten Tiefe von beiden Oberflächen der dünnen Siliziumplatte 1320 her durch Verwendung von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, senkrecht ausgeführt, wie in 42F dargestellt ist. Diese Tiefe ist durch die Dicke eines waagerechten Brückenabschnitts der H-förmigen Drehstabfedern 1328 und 1329 festgelegt. Diese Dicke ist ungefähr zweimal diese Tiefe.
Nachdem die Maskierungsschicht 1350 entfernt ist, wird eine neue Maskierungsschicht 1351 ausgebildet und wie in 42G dargestellt strukturiert.
Unter Verwendung von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, wird wieder senkrechtes Ätzen ausgeführt. Das Ätzen wird von der unteren Fläche aus ausgeführt, bis die zuvor geätzte untere Fläche eine Mitte in der Dicke der Siliziumplatte 1320 erreicht, wie in 32H dargestellt ist.
Es wird weiterhin Ätzen durch Verwendung von tiefem Ätzen, wie z. B. ICP-RIE senkrecht ausgeführt. Das Ätzen wird senkrecht von der oberen Fläche aus geführt, bis die zuvor geätzte untere Fläche die Siliziumplatte 1320 durchdringt, wie in 42I dargestellt ist. In Abschnitten der Drehstabfedern 1328 und 1329 hält das Ätzen an einer Stelle an, wo die Brückenabschnitte der H-förmigen Drehstabfedern 1328 und 1329 mit einer vorbestimmten Dicke unversehrt bleiben. Die Dicke der senkrechten Säulenabschnitte der H-förmigen Drehstabfedern 1328 und 1329 ist durch die Breite eines Paars von Streifenabschnitten der oberen und unteren Maskierungsschichten 1351 festgelegt. Diese Breite ist normalerweise gleich der Dicke des vorstehend erwähnten Brückenabschnitts.
Die Maskierungsschicht 1351 wird zum Schluß entfernt, wie in 42J dargestellt ist.
Das Glassubstrat wird folgendermaßen bearbeitet, wie in 43A bis 43G dargestellt ist.
Es wird eine Galvanikstartschicht 1370 an einer Oberfläche des Glassubstrats 1340 abgeschieden, wie in 43A dargestellt ist. Eine dicke Resistschicht 1371 wird auf die Galvanikstartschicht 1370 aufgebracht, und ihre Strukturierung zur Ausbildung des ortsfesten Kerns 1342 wird wie in 32B dargestellt ausgeführt.
Eine untere Leiterschicht 1372 der Spule 1345 wird auf die Galvanikstartschicht 3370 aufgalvanisiert, wie in 43C dargestellt ist. Die dicke Resistschicht 1371 und die Galvanikstartschicht 1370, die nicht ein Abschnitt der unteren Leiterschicht 1372 sind, werden entfernt, wie in 43D dargestellt ist.
Es wird eine nichtleitende Schicht 1373 auf der unteren Leiterschicht 1372 ausgebildet, und ihre Strukturierung zum Ausbilden von seitlichen Leiterschichten 1382 und 1383 wird wie in 43E dargestellt ausgeführt.
Eine andere Galvanikstartschicht 1374 wird auf der nichtleitenden Schicht 1373 ausgebildet, wie in 43F dargestellt ist. Eine andere dicke Resistschicht 1375 wird auf die Galvanikstartschicht 1374 aufgebracht, und ihre Strukturierung wird so ausgeführt, daß eine weichmagnetische Schicht 1376 des ortsfesten Kerns 1342 und die seitlichen Leiterschichten 1382 und 1383 ausgebildet werden können, wie in 43G dargestellt ist.
Die weichmagnetische Schicht 1376 und die seitlichen Leiterschichten 1382 und 1383 werden auf einen Abschnitt der Galvanikstartschicht 1374 ohne die dicke Resistschicht 1375 darauf aufgalvanisiert, wie in 43H dargestellt ist.
Die dicke Resistschicht 1375 und die Galvanikstartschicht 1374 werden entfernt, wie in 43I dargestellt ist.
Es wird eine andere nichtleitende Schicht 1377 ausgebildet, und ihre Strukturierung zur Ausbildung einer oberen Leiterschicht 1380 wird ausgeführt, wie in 43J dargestellt ist. Durch dieses Strukturieren werden nur Abschnitte der nichtleitenden Schicht 1377 an den oberen Enden der seitlichen Leiterschichten 1382 und 1383 entfernt.
Eine andere Galvanikstartschicht 1378 wird auf der nichtleitenden Schicht 1377 aufgebracht, wie in 43K dargestellt ist. Es wird eine andere dicke Resistschicht 1379 auf der Galvanikstartschicht 1378 abgeschieden, und ihre Strukturierung wird wie in 43L dargestellt ausgeführt. Durch dieses Strukturieren werden Abschnitte der nichtleitenden Schicht 1379 nur innerhalb der seitlichen Leiterschichten 1382 und 1383 entfernt.
Eine obere Leiterschicht 1380 wird auf die Galvanikstartschicht 1378 auf galvanisiert, wie in 43M dargestellt ist. Zum Schluß werden die dicke Resistschicht 1379 und die Galvanikstartschicht 1378 entfernt, wie in 43N dargestellt ist.
Die dünne Einkristall-Siliziumplatte 1320 und das Glassubstrat 1340 werden gebondet, um den optischen Scanner wie in 38 dargestellt aufzubauen.
Die auf diese Weise hergestellte Drehstabfeder 1328 mit dem H-förmigen Querschnitt wie in 41 dargestellt hat das Merkmal, daß sie leicht verdreht aber kaum verbogen werden kann. Ferner kann, da das verlagerbare Element im Zeitraum des Umklappens kaum senkrecht zu der Drehungslängsachse schwingt, ein hochpräziser optischer Scanner, der widerstandsfähig gegenüber äußeren Störungen ist, geschaffen werden. Darüber hinaus ist sein mechanischer Q-Wert hoch, und seine Amplitude und sein Energiewirkungsgrad können vergrößert werden, wenn der Antrieb durch Resonanz ausgeführt wird.
Der optische Scanner kann auch in einem Display vom Scannertyp wie in 32 dargestellt verwendet werden.
44A und 44B zeigen andere Beispiele der Drehstabfeder, deren Querschnitt 180-Grad-rotationssymmetrisch ist, welcher aus einer Vielzahl von Flächenabschnitten besteht, und dessen am meisten nachgebenden Richtungen dieser Flächenabschnitte sich kreuzen. 44A stellt einen N-förmigen Querschnitt dar, und 44B stellt einen winkelförmigen S-förmigen Querschnitt dar.
45 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eines Beschleunigungssensors. 46 zeigt eine Ansicht zur Darstellung eines Einzelteilaufbaus des Beschleunigungssensors, um seinen inneren Aufbau zu zeigen. 47 zeigt eine Querschnittsansicht von 45 im Schnitt entlang einer Linie 1406 zur Darstellung des Querschnitts einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte 1420.
In dem Beschleunigungssensor ist eine Grube 1412 auf einem nichtleitenden Substrat 1410 ausgebildet. Eine Meßelektrode 1416 ist an dem Boden der Grube 1412 angeordnet. In der Siliziumplatte 1420 sind ein Paar von Sätzen von Drehstabfedern 1428 und 1429 und ein verlagerbares oder klappbares Element 1430 einstückig ausgebildet. Jeder Satz von Drehstabfedern 1428 und 1429 hat einen unterbrochenen H-förmigen Querschnitt, der aus drei getrennten ebenen Drehstäben 1421–1423 und 1424–1426 besteht, wie in 47 dargestellt ist. Die jeweils am meisten nachgebenden Richtungen dieser ebenen Drehstäbe 1421 (1423) und 1422; 1424 (1426) und 1425 sind nicht parallel zueinander. Ferner ist dieser unterbrochene H-förmige Querschnitt symmetrisch in Bezug auf eine waagerechte und senkrechte Linie.
Das verlagerbare Element 1430 ist durch die unterbrochen H-förmigen Drehstabfedern 1428 und 1429 derart gehaltert, daß das verlagerbare Element 1420 frei um die Längsachse dieser Federn gekippt werden kann. Die Siliziumplatte 1420 ist in Gegenüberlage zu dem nichtleitenden Substrat 1410 so angeordnet, daß ein vorgegebener Abstand zwischen dem verlagerbaren Element 1430 und der Meßelektrode 1416 eingestellt werden kann, wie in 45 dargestellt ist. Ferner ist die dünne Einkristall-Siliziumplatte 1420 elektrisch geerdet.
In dem vorstehenden Aufbau wirkt, wenn die Siliziumplatte 1420 einer Beschleunigung senkrecht dazu unterworfen wird, die Trägheitskraft auf das verlagerbare Element 1430, und das verlagerbare Element 1430 wird drehend über die Drehungslängsachse der Drehstabfedern 1428 und 1229 verlagert. Wenn die Drehungsverlagerung des verlagerbaren Elements 1430 auftritt, wird der Abstand zwischen dem verlagerbaren Element 1430 und der Meßelektrode 1416 verändert, wobei sich eine elektrostatische Kapazität zwischen ihnen verändert. Daher kann die Beschleunigung durch Erfassen der elektrostatischen Kapazität zwischen dem verlagerbaren Element 1430 und der Meßelektrode 1416 durch eine herkömmliche Vorrichtung erfaßt werden.
Umgekehrt wirkt, wenn eine Spannung an die Meßelektrode 1416 angelegt wird, eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen dem verlagerbaren Element 1430 und der Meßelektrode 1416, um das verlagerbare Element 1430 über die Längsachse der Drehstabfedern 1428 und 1429 zu drehen. Somit kann der Beschleunigungssensor auch als ein elektrostatischer Aktor verwendet werden.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren für den vorstehenden Beschleunigungssensor unter Bezugnahme auf 48A bis 48E und 37A bis 37E beschrieben. 48A bis 48E zeigen Querschnittsansichten im Schnitt entlang der Linie 1406 von 45, und 37A bis 37E zeigen Querschnittsansichten im Schnitt entlang einer Linie 1409 von 46.
Die Einkristall-Siliziumplatte 1420 (ihre Flächenorientierung kann jede beliebige sein) wird folgendermaßen bearbeitet, wie in 48A bis 48E dargestellt ist.
Es werden jeweils Maskierungsschichten 1450 an beiden Oberflächen der Siliziumplatte 1420 ausgebildet. Die Maskierungsschicht 1450 wird aus Resist oder dergleichen ausgebildet. Das Strukturieren der Maskierungsschichten 1450 durch photolithographische Verfahren wird derart ausgeführt, daß die Siliziumplatte 1420 wie in 46 dargestellt durch Ätzen ausgebildet werden kann, wie in 48A dargestellt ist.
Dann wird Ätzen unter Verwendung von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, bis zu einer vorbestimmten Tiefe von beiden Oberflächen der dünnen Siliziumplatte 1420, welche nicht Abschnitte der H-förmigen Drehstabfedern 1428 und 1229, des verlagerbaren Elements 1430 und des umgebenden Rahmenabschnitts sind, senkrecht ausgeführt, wie in 48B dargestellt ist. Diese Tiefe ist durch die Dicke der waagerechten Drehstäbe 1422 und 1425 der H-förmigen Drehstabfedern 1428 und 1429 festgelegt. Diese Dicke ist etwa zweimal diese Tiefe. Die Dicke der senkrechten Stababschnitte 1421 und 1423; 1424 und 1426 der H-förmigen Drehstabfedern 1428 und 1429 ist durch die Breite eines Paars von schmaleren Streifenabschnitten an beiden Seiten eines mittleren breiteren Abschnitts der Maskierungsschicht 1450 festgelegt.
Nachdem die Maskierungsschicht 1450 entfernt ist, wird eine andere Maskierungsschicht 1451 wie in 48C dargestellt ausgebildet und strukturiert. Die Maskierungs schicht 1451 wird im Unterschied zum Strukturieren der Maskierungsschicht 1450 nicht an Abschnitten der waagerechten Drehstäbe 1422 und 1425 der Drehstabfedern 1428 und 1429 ausgebildet.
Es wird wieder Ätzen unter Verwendung von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, senkrecht ausgeführt. Das Ätzen wird anfangs von der unteren Fläche her geführt bis die vorher geätzte Bodenfläche eine Mitte in der Dicke der Siliziumplatte 1420 erreicht, wie in 48C dargestellt ist. Anschließend wird das Ätzen senkrecht von der oberen Fläche geführt bis die vorher geätzte Bodenfläche die Siliziumplatte 1420 durchdringt, wie in 48D dargestellt ist.
Die Maskierungsschicht 1451 wird zum Schluß entfernt, wie in 48E dargestellt ist.
Das nichtleitende Substrat 1410 wird auf die gleiche Weise wie die, welche unter Bezugnahme auf 37A bis 37E beschrieben wurde, bearbeitet.
Wie in 47 dargestellt ist, kann, da die am meisten nachgebenden Richtungen (Richtungen, in welchen die Biegesteifigkeit am niedrigsten ist und welche durch Pfeile in 47 gekennzeichnet sind) der ebenen Drehstäbe 1421 (1423) und 1422; 1424 (1426) und 1425 in einer nicht parallelen Beziehung zusammengesetzt sind, die Gesamtanordnung der Drehstäbe eine hohe Biegesteifigkeit aufweisen.
Da im Gegensatz zu dem Fall des T-förmigen Drehstabs keine große Spannungskonzentration auftritt, kann eine schwerer zu zerbrechende Mikroanordnung erreicht werden, wobei die gleiche Drehstabfeder mit gleicher Drehstabfederkonstanten und gleicher Länge angenommen ist. Ferner kann eine Mikroanordnung, die in den Abmessungen im Vergleich zu dem T-förmigen Drehstab verkleinert werden kann, erreicht werden, wobei die Drehstabfeder mit gleichem erlaubten Verdrehungswinkel angenommen wird. Weiter kann, da die Drehstabfeder aus Siliziumeinkristall ausgebildet ist, eine Mikroanordnung mit einem größeren mechanischen Q-Wert als bei der aus Polysilizium erreicht werden.
Ferner kann im Gegensatz zu dem Drehstab mit dem T-förmigen Querschnitt, da die Querschnittsform jedes Satzes von Drehstabfedern in Bezug auf eine waagerechte und senkrechte Linie symmetrisch ist, eine solche Mikroanordnung, in welcher im Zeitraum des Umklappens keine Schwingungskräfte senkrecht zu der Drehungslängsachse auftreten, bereitgestellt werden.
Weiterhin kann eine Mikroanordnung mit einem höheren Q-Wert und höherer Empfindlichkeit, welche schwerer zu zerbrechen ist und die in den Abmessungen verringert werden kann, erreicht werden. Ferner kann, da das verlagerbare Element im Zeitraum des Umklappens kaum senkrecht zu der Drehungslängsachse schwingt, ein Sensor für mechanische Größen mit geringerem Rauschen bereitgestellt werden.
Weiterhin kann ein Mikrostellglied, welches schwerer zu zerbrechen ist und in den Abmessungen verringert werden kann, erhalten werden. Da der mechanische Q-Wert hoch ist, kann die Amplitude vergrößert werden, wenn der Antrieb durch Resonanz ausgeführt wird, und es kann ein Mikroaktor mit einem hohen Energiewirkungsgrad ausgebildet werden. Ferner kann, da das verlagerbare Element im Zeitraum des Umklappens kaum senkrecht zu der Drehungslängsachse schwingt, ein hochpräziser Mikroaktor geschaffen werden.
49 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Darstellung eine mikrooptischen Scanners. 50 und 51 zeigen jeweils Draufsichten und Seitenansichten von 49. In 51 ist ein Teil einer dünnen Einkristall-Siliziumplatte 1520 weggeschnitten, um den Querschnitt einer Drehstabfeder 1528 deutlich zu zeigen. 52 zeigt eine Querschnittsansicht von 49 im Schnitt entlang einer Linie 1506 zur Darstellung des Querschnitts der dünnen Einkristall-Siliziumplatte 1520.
In der Siliziumplatte 1520 des mikrooptischen Scanners sind ein Paar von Sätzen von Drehstabfedern 1528 und 1529 und ein Spiegel 1530 durch Bulk-Mikrobearbeitungsverfahren einstückig ausgebildet. Ein verlagerbarer Kern 1541 aus einem weichmagnetischen Material ist an einem Ende des Spiegels 1530 fest angeordnet. Jeder der Sätze von Drehstabfedern 1528 und 1529 hat einen unterbrochenen kreuzförmigen Querschnitt, wie in 52 darge stellt ist.
Eine Oberfläche des Spiegels 1530 ist mit einem hochreflektierenden Material beschichtet, und der Spiegel 1530 wird durch die Drehstabfedern 1528 und 1529 drehbar um die Drehungslängsachse gehaltert.
Ein ortsfester Kern 1542 aus einem weichmagnetischen Material mit einem Profil wie in 49 dargestellt ist auf einem Glassubstrat 1540 angeordnet, und eine Spule 1545 ist um den ortsfesten Kern 1542 gewunden. Die Siliziumplatte 1520 wird mit dem Glassubstrat 1540 so gebondet, daß ein vorbestimmter Abstand zwischen den parallel einander gegenüberliegenden Flächen des verlagerbaren Kerns 1541 des Spiegels 1530 und des ortsfesten Kerns 1542 eingestellt werden kann. Wenn der Spiegel 1530 gekippt wird, wird ein Überlagerungsbereich (d. h., eine Querschnittsfläche, wo der verlagerbare Kern 1541 den magnetischen Fluß, der durch den ortsfesten Kern 1542 erzeugt wird, schneidet) zwischen jenen beiden einander gegenüberliegenden Flächen verändert. Somit wird ein serieller magnetischer Kreis durch den verlagerbaren Kern 1541, den ortsfesten Kern 1542 und die Zwischenräume dazwischen ausgebildet.
Der optische Scanner wird auf die gleiche Weise betrieben wie der, welcher unter Bezugnahme auf 31 beschrieben wurde.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 53A bis 53J und 43A bis 43N ein Herstellungsverfahren für den optischen Scanner beschrieben. Die linken Abschnitte von 53A bis 53J zeigen jeweils Querschnittsansichten im Schnitt entlang der Linie 1506 von 49, und die rechten Abschnitte von 53A bis 53J zeigen jeweils Querschnittsansichten im Schnitt entlang der Linie 1509 von 49. 43A bis 43N zeigen Querschnittsansichten im Schnitt entlang einer Linie 1507 von 49.
Die Einkristall-Siliziumplatte 1520 wird folgendermaßen bearbeitet, wie in 53A bis 53J dargestellt ist.
Zu Beginn wird eine Galvanikstartschicht 1560 auf einer Oberfläche der Siliziumplatte 1520 abgeschieden, wie in 53A dargestellt ist.
Dann wird eine dicke Resistschicht 1561 (z. B. ausgebildet aus SU-8, hergestellt von Micro-Chem.) auf der Galvanikstartschicht 1560 abgeschieden, und ihre Strukturierung zur Ausbildung des verlagerbaren Kerns 1541 wird durch photolithographische Verfahren ausgeführt, wie in 53B dargestellt wird.
Eine Schicht 1562 eines weichmagnetischen Materials wird auf die Galvanikstartschicht 1560 aufgalvanisiert, wie in 53C dargestellt ist.
Die dicke Resistschicht 1561 und die Galvanikstartschicht 1560 werden entfernt, wie in 53D dargestellt ist. Die Galvanikstartschicht 1560 unter der weichmagnetischen Schicht 1562 bleibt unversehrt.
Es werden Maskierungsschichten 1550 (z. B. ausgebildet aus einem Resist) an beiden Oberflächen der Siliziumplatte 1520 ausgebildet, und ihre Strukturierung zum Ausbilden der Siliziumplatte 1520 wie in 49 dargestellt wird durch photolithographische Verfahren ausgeführt, wie in 53E dargestellt ist.
Dann wird Ätzen bis zu einer vorbestimmten Tiefe von beiden Oberflächen der dünnen Siliziumplatte 1520 her durch Verwendung von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, senkrecht ausgeführt, wie in 53F dargestellt ist. Diese Tiefe ist durch die Dicke der waagerechten Drehstäbe 1521 und 1523; 1524 und 1526 der kreuzförmigen Drehstabfedern 1528 und 1529 festgelegt. Diese Dicke ist ungefähr zweimal diese Tiefe.
Nachdem die Maskierungsschicht 1550 entfernt ist, wird eine neue Maskierungsschicht 1551 ausgebildet und wie in 53G dargestellt strukturiert. In dieser Struktur der Maskierungsschicht 1551 ist, unterschiedlich zu der Struktur der Maskierungsschicht 1550, die streifenförmige Maskierungsschicht 1551 an dem mittleren senkrechten Drehstab 1522 und 1525 der kreuzförmigen Drehstabfedern 1528 und 1529 belassen.
Unter Verwendung von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, wird wieder Ätzen senkrecht ausgeführt. Das Ätzen wird von der unteren Fläche her geführt, bis die zuvor geätzte Bodenfläche eine Mitte in der Dicke der Siliziumplatte 1520 er reicht, wie in 53H dargestellt ist.
Es wird weiterhin Ätzen durch Verwendung von Tiefätzen, wie z. B. ICP-RIE, senkrecht ausgeführt. Das Ätzen wird senkrecht von der oberen Fläche aus geführt, bis die zuvor geätzte untere Fläche die Siliziumplatte 1520 durchdringt, wie in 53I dargestellt ist. In Abschnitten der Drehstabfedern 1528 und 1529 hält das Ätzen an einer Stelle an, wo die waagerechten Drehstäbe 1521 und 1523; 1524 und 1526 der Drehstabfedern 1528 und 1529 getrennt werden und verbleiben. Die Dicke der mittleren senkrechten Drehstäbe 1522 und 1525 der Drehstabfedern 1528 und 1529 ist durch die Breite eines Paars von Streifenabschnitten der oberen und unteren Maskierungsschichten 1551 festgelegt. Diese Breite ist normalerweise gleich der Dicke der waagerechten Drehstäbe.
Zum Schluß wird die Maskierungsschicht 1551 entfernt, wie in 53J dargestellt ist.
Das Glassubstrat 1540 wird auf die gleiche Weise wie das unter Bezugnahme auf 43A bis 43G beschriebene bearbeitet.
Die auf diese Weise hergestellte Drehstabfeder mit dem kreuzförmigen Querschnitt wie in 52 dargestellt hat im wesentlichen die gleichen Vorteile wie jene von 45 bis 47.
Während die vorliegende Erfindung in Bezug auf das, was derzeit als die bevorzugte Ausführungsform angenommen wird, beschrieben wurde, sollte klar sein, daß diese Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung schließt verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen ein, die in den Schutzbereich der beigefügten Ansprüche fallen können.

Claims

Vorrichtung mit einem klappbaren Teil, welche aufweist: – ein Rahmenelement (320), – ein ebenes klappbares Teil (330) und – ein Paar von Drehstabfedern (322, 324) mit einer Drehungslängsachse, die Drehstabfedern entlang der Drehungslängsachse entgegengesetzt mit dem dazwischen eingefügten klappbaren Teil angeordnet sind, die Drehstabfedern das klappbare Teil flexibel und um die Drehungslängsachse drehbar in Bezug auf das Rahmenelement haltern, so daß eine Oberfläche des ebenen klappbaren Teils umklappt, die Drehstabfedern eine Vielzahl von Flächenabschnitten aufweisen und zumindest einer von den Flächenabschnitten der Drehstabfedern zu der Oberfläche des ebenen klappbaren Teils geneigt ist, und ein Körperschwerpunkt des klappbaren Teils auf der Drehungslängsachse der Drehstabfedern angeordnet ist, wobei ein Querschnitt jeder der Drehstabfedern (322, 324) senkrecht zu der Drehungslängsachse eine X-Form aufweist, wobei das Rahmenelement (320), das klappbare Teil (330) und die Drehstabfedern (322, 324) einstückig aus einem Siliziumsubstrat ausgebildet sind.
Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 1, wobei ein Einkristallmaterial ein (100)-Einkristall-Siliziumsubstrat ist, die Drehstabfedern durch anisotropes Ätzen des Einkristall-Siliziumsubstrats ausgebildet sind, und die geneigte Fläche eine (111)-Fläche des Einkristall-Siliziumsubstrats bezüglich der (100)-Substratfläche ist.
Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 2, wobei eine sich auf die (100)-Substratfläche beziehende Fläche eines Fußabschnitts jeder Drehstabfeder, welche an das Rahmenelement oder das klappbare Teil anschließt, eine (111)-Fläche des Einkristall-Siliziumsubstrats ist.
Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 1, die ferner Vorrichtungen (114, 116; 314, 316; 614, 616; 841, 842) zum Erfassen einer relativen Verlagerung zwischen dem Rahmenelement (320) und dem klappbaren Teil (330) aufweist, und wobei die Vorrichtung als ein Sensor für mechanische Größen aufgebaut ist.
Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 1, welche ferner Antriebsvorrichtungen (114, 116; 314, 316; 614, 516; 841, 842) zum Antrieb des klappbaren Teils (330) relativ zu dem Rahmenelement (320) aufweist, und wobei die Vorrichtung als ein Aktor aufgebaut ist.
Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 5, wobei die Antriebsvorrichtung einen ortsfesten Kern, eine Spule, die um den ortsfesten Kern gewunden ist, und einen verlagerbaren Kern, der mit dem klappbaren Teil gebondet ist, aufweist.
Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 1, welche ferner Antriebsvorrichtungen (114, 116; 314, 316; 614, 616; 841, 842) zum Antrieb des klappbaren Teils (330) relativ zu dem Rahmenelement und Lichtablenkvorrichtungen zum Ablenken eines Lichtstrahls, der auf das klappbare Teil fällt, aufweist, und wobei die Vorrichtung als eine optische Ablenkvorrichtung aufgebaut ist.
Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 7, wobei die Antriebsvorrichtungen einen ortsfesten Kern, eine um den ortsfesten Kern gewundene Spule und einen verlagerbaren Kern, der mit dem klappbaren Teil gebondet ist, aufweisen.
Vorrichtung mit einem klappbaren Teil gemäß Anspruch 7, wobei die Lichtablenkvorrichtung ein Lichtreflexionsspiegel oder ein Beugungsgitter ist.
Display vom Scannertyp, welches aufweist: (a) eine modulierbare Lichtquelle, (b) eine optische Ablenkvorrichtung, welche aufweist: – ein Rahmenelement, – die Vorrichtung mit dem klappbaren Teil gemäß Anspruch 1, – Antriebsvorrichtungen zum Antrieb des klappbaren Teils relativ zu dem Rahmenelement und – Lichtablenkvorrichtungen zum Ablenken eines Lichtstrahls, der von der Lichtquelle auf das klappbare Teil fällt, wobei die Lichtablenkvorrichtungen auf dem klappbaren Teil angeordnet sind, (c) einen Bildanzeigeschirm, auf welchen der Lichtstrahl von der Ablenkvorrichtung projiziert wird, und (d) Steuerungsvorrichtungen zum Steuern der Modulation der modulierbaren Lichtquelle und des Betriebs des klappbaren Teils der optischen Ablenkvorrichtung auf ineinandergreifende Weise.