DE4444070C1 - Micro-mechanical bending element e.g. for adjustment has silicon tongue above piezoceramic body - Google Patents

Micro-mechanical bending element e.g. for adjustment has silicon tongue above piezoceramic body

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Abstract

The element, etched on a silicon substrate 300 microns thick, includes a tongue 3mm long and 1mm wide. A short piezoceramic rod 2.8 x 0.9mm x 200 microns is bonded to its underside, equipped with sputtered Ag contacts and polarised with 500 V at 60 deg. C for 5 seconds. The conductive adhesive serves as a lead for the ground electrode and a bond wire for the covering electrode. The deflection of the silicon tongue is a function of applied voltage and is measured with a laser interferometer.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Mikromechanik und der Mikroelektronik und betrifft ein mikromechanisches Element, wie es z. B. als Biegeelement für eine Justierung zur Anwendung kommen kann.The invention relates to the fields of micromechanics and the Microelectronics and relates to a micromechanical element, as z. B. as Bending element for an adjustment can be used.

Die Vereinigung von Mikromechanik und Mikroelektronik schreitet immer weiter voran. Zum Aufbau komplizierter Systeme in miniaturisierter Ausführung werden auch verstärkt Hybride eingesetzt. Besonders wichtig sind Aktorprinzipien zur Ausführung von Bewegungen. Die Gesamtproblematik ist bisher nur ungenügend gelöst worden und ist mit großen Mängeln behaftet. Nach dem Stand der Technik sind bis jetzt folgende Miniaturaktorprinzipien bekannt geworden:The combination of micromechanics and microelectronics keeps on going Ahead. To build complex systems in a miniaturized version also increasingly used hybrids. Particularly important are actuator principles for Execution of movements. The total problem is so far only insufficient has been resolved and is subject to major shortcomings. According to the state of the art So far the following miniature actuator principles have become known:

  • 1. Elektrostatische Anziehung/Abstoßung mit kapazitiven Mikrospalten (Sensors und Actuators A, 43 (1994) S. 340 ff).
    Die in das Silicium eingeätzten Spalte und Zungen führen Bewegungen aus, wenn verschiedene Feldstärken angelegt werden. Statisch wird eine Auslenkung von etwa 1 µm bei 20 V erreicht. Kräfte können nicht oder nur in sehr geringem Maße auf die Zungen ausgeübt werden.    1. Electrostatic attraction / repulsion with capacitive micro-gaps (Sensors and Actuators A, 43 (1994) p 340 ff).
    The gaps and tongues etched into the silicon perform movements when different field strengths are applied. Static a deflection of about 1 micron at 20 V is achieved. Forces can not or only to a very limited extent be exercised on the tongues.
  • 2. Aufgedrückte PZT-Multilayer, die den Piezoeffekt ausnutzen, wie z. B. Dickschicht- PZT (Moilanen u. a., Sensors und Actuators A, 43 (1994) S. 357-364; Chen, H.D. u. a., ISAF 94, 7.-10. Aug. 94, Penn State Scanticon Conference Center).2. Pressed PZT multilayer, which exploit the piezo effect, such. Thick film PZT (Moilanen et al., Sensors and Actuators A, 43 (1994) pp. 357-364; Chen, H.D. u. a., ISAF 94, 7.-10. Aug. 94, Penn State Scanning Conference Center).

Wegen der schwierigen Verdruckbarkeit des PZT und Schwierigkeiten beim Sintern werden nur Auslenkungen an den entsprechenden Bauteilen von maximal 70 nm bei 40 V erreicht.Because of the difficult printability of the PZT and difficulties in sintering Only deflections at the corresponding components of a maximum of 70 nm are added 40V reached.

  • 3. Silicium-Zungen mit Dünnschicht-PZT (Broocks u. a., ISAF 94, 7.-10. Aug. 94, Penn State Scanticon Conference Center).
    Die Dünnschicht-PZT können nur unter 1 µm Dicke hergestellt werden. Deshalb müssen die Zungen sehr klein und dünn sein, die eine Bewegung im System ausführen sollen. Eine Krafteinwirkung ist nicht möglich.    3. Silicon Tongues with Thin Layer PZT (Broocks et al., ISAF 94, 7-10 Aug. 94, Penn State Scanticon Conference Center).
    The thin-film PZT can only be produced under 1 μm thickness. Therefore, the tongues must be very small and thin, which should perform a movement in the system. A force is not possible.
  • 4. Mikromechanisches Stellelement (DE 38 09 597.1).
    Hier wird ein Widerstand auf einer Si-Zunge erwärmt. Durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Metallwiderstand und Silicium biegt sich die Zunge durch und führt eine Bewegung aus. Durch die Funktionsweise über Wärme-Zu- und Abführung ist das Biegeelement träge und "kriecht" nach, so daß eine genaue Einstellung lange Zeit benötigt.    4. micromechanical actuator (DE 38 09 597.1).
    Here, a resistor is heated on a Si tongue. By different expansion coefficients of metal resistance and silicon, the tongue bends through and performs a movement. By functioning on heat supply and discharge, the bending element is sluggish and "creeps", so that a precise adjustment takes a long time.
  • 5. Moonie-Stellelement (US 4,999,819).
    Dieses Element ist eine Kombination von Piezokontraktor mit Metallbögen und benötigt eine genaue Führung. Es ist auf Silicium noch nicht integriert, da es viel zu groß ist (5 mm). Außerdem gibt es Toleranzprobleme als Hybrid.    5. Moonie actuator (US 4,999,819).
    This element is a combination of piezocontractor with metal arches and requires accurate guidance. It is not yet integrated on silicon because it is too big (5 mm). There are also tolerance problems as a hybrid.
  • 6. Multilayer-Element aus PZT (Multilayeraktoren Prospekt Fa. Philips, Juli 1992).
    Die Elemente können nicht kleiner als 3 × 3 mm angeboten werden und besitzen sehr hohe Spannungen (ab 50 V) für 1 µm Auslenkung. Die größten Probleme bringen jedoch die großen Abmessungstoleranzen von über 100 µm, die es nicht gestallen, beim Aufbringen der Elemente als Hybride den Justierbereich anzusteuern. Es wären Zwischenstücke, Tiefätzungen u. a. erforderlich, was einen großen technologischen Aufwand erfordern würde.    6. Multilayer element from PZT (multilayer actuators brochure from Philips, July 1992).
    The elements can not be offered smaller than 3 × 3 mm and have very high voltages (from 50 V) for 1 μm deflection. The biggest problems, however, are the large dimensional tolerances of over 100 μm, which do not make it possible to control the adjustment range when applying the elements as hybrids. It would intermediate pieces, Tiefätzungen and others required, which would require a large technological effort.

Aus der US 4 093 885 ist weiterhin bekannt, daß mehrere Funktionselemente auf einem zungenförmigen Biegeelement angebracht sind.From US 4 093 885 is further known that several functional elements are mounted on a tongue-shaped bending element.

Aus dem geschilderten Stand der Technik gehen folgende Mängel hervor:From the described prior art, the following defects emerge:

  • - Die Kraftwirkung der Aktoren ist zu gering zum Justieren von Elementen (1. und 3.).- The force effect of the actuators is too small for adjusting elements (1. and 3.).
  • - Die Dehnung ist zu klein bei noch zu großen Abmessungen (2.).- The elongation is too small if the dimensions are too large (2.).
  • - Das Stellelement ist zu träge und kriecht (4.). - The actuator is too sluggish and creeps (4.).  
  • - Das Element ist zu groß und besitzt als Hybrid zu große Abmessungstoleranzen, so daß der Justierbereich nur mit aufwendigen Sondermaßnahmen erreicht werden kann (5. und 6.)The element is too large and has too large dimensional tolerances as a hybrid, so that the adjustment can be achieved only with expensive special measures can (5th and 6th)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mikromechanisches Element anzugeben, das als Hybrid einsetzbar ist und den Justierbereich unabhängig von seinen Abmessungstoleranzen ohne aufwendige Sondermaßnahmen genau einstellen kann.The invention is based on the object, a micromechanical element which can be used as a hybrid and the adjustment range independent of its dimensional tolerances without elaborate special measures exactly can adjust.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebenen Erfindung gelöst.The object is achieved by the invention specified in the claims.

Bei dem erfindungsgemäßen mikromechanischen Element für die Mikroelektronik ist auf der Unterseite einer Silicium-Zunge ein piezoelektrischer und/oder ein ferroelektrischer Körper angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar, wobei die Unterseite der Silicium-Zunge die Gegenseite der das Funktionselement tragenden Seite der Silicium-Zunge ist.In the micromechanical element according to the invention for microelectronics is on the underside of a silicon tongue, a piezoelectric and / or a ferroelectric body attached and controlled by an electric field, wherein the underside of the silicon tongue is the opposite side of the functional element supporting side of the silicon tongue is.

Vorteilhafterweise ist ein gepolter piezoelektrischer Körper auf der Unterseite einer Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar.Advantageously, a poled piezoelectric body on the underside of a Silicon tongue attached and controlled by an electric field.

Weiterhin vorteilhafterweise ist der piezoelektrische Körper ein piezokeramischer Stab.Further advantageously, the piezoelectric body is a piezoceramic Rod.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn der piezokeramische Stab annähernd gleiche Abmessungen wie die Silicium-Zunge und eine Dicke von < 50 µm hat.It is also advantageous if the piezoceramic rod is approximately the same Dimensions such as the silicon tongue and has a thickness of <50 microns.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn als ferroelektrischer Körper ein Keramikkörper mit hoher Elektrostriktion auf der Unterseite der Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.Furthermore, it is advantageous if as a ferroelectric body with a ceramic body high electrostriction attached to the bottom of the silicon tongue and through an electric field is controllable.

Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn als ferroelektrischer Körper ein Körper mit felderzwungener Phasenumwandlung auf der Unterseite der Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist. And it is also advantageous if as a ferroelectric body with a body Field-forced phase transformation on the underside of the silicon tongue attached and can be controlled by an electric field.  

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines mikromechanischen Elementes für die Mikroelektronik wird auf die Unterseite einer Silicium-Zunge ein piezoelektrischer und/oder ein ferroelektrischer Körper angebracht und durch ein elektrisches Feld angesteuert, wobei die Unterseite der Silicium-Zunge die Gegenseite der das Funktionselement tragenden Seite der Silicium-Zunge ist.In the inventive method for producing a micromechanical Element for microelectronics is on the bottom of a silicon tongue attached piezoelectric and / or a ferroelectric body and by a driven electric field, wherein the underside of the silicon tongue the Opposite side of the functional element bearing side of the silicon tongue.

Durch das Anbringen des piezoelektrischen und/oder ferroelektrischen Körpers auf der Unterseite einer Silicium-Zunge bleibt die Gegenseite mit dem Funktionselement in der Ebene der Oberfläche des Silicium-Substrates liegen, wodurch die 0-Ebene genau definiert bleibt.By attaching the piezoelectric and / or ferroelectric body on the underside of a silicon tongue remains the other side with the functional element lie in the plane of the surface of the silicon substrate, whereby the 0-plane exactly defined.

Je nach der Richtung der angelegten Spannung wird durch den piezoelektrischen Körper die Silicium-Zunge nach oben oder unten ausgelenkt.Depending on the direction of the applied voltage is determined by the piezoelectric Body deflected the silicon tongue up or down.

Die Größe der Auslenkung kann über die Länge der Silicium-Zunge eingestellt werden. Wenn vorteilhafterweise eine Dicke des piezoelektrischen Körpers von < 50 µm bis ca. 200 µm eingesetzt wird und gleichzeitig die Dicke der Silicium-Zunge 50 bis 700 µm beträgt, kann bei einer angelegten Spannung von 50 V bereits eine große Auslenkung erreicht werden. Auch sind die dabei vorhandenen Stellkräfte so groß, daß Gewichte im Grammbereich angehoben werden können.The size of the deflection can be adjusted over the length of the silicon tongue become. When advantageously a thickness of the piezoelectric body of <50 is used to 200 microns and at the same time the thickness of the silicon tongue 50th is up to 700 microns, with an applied voltage of 50 V already a great deflection can be achieved. Also, the existing restoring forces are like that great that weights in the gram range can be raised.

Die Einstellung einer Justierung erfolgt schnell und ist unter einer Sekunde stabil. Ein geringfügiges Nachkriechen ist in diesem Zeitbereich inbegriffen.The adjustment of an adjustment is fast and stable under one second. Slight creeping is included in this period.

Statt der Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes kann mit gleich guten Ergebnissen der elektrostriktive Effekt oder der Effekt der mit der durch felderzwungene Phasenumwandlung antiferroelektrisch - ferroelektrisch einhergehenden Dimensionsänderung eingesetzt werden.Instead of exploiting the piezoelectric effect can with equally good Results of the electrostrictive effect or the effect of using the Field-locked phase transformation antiferroelectric - ferroelectric accompanying dimensional change.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine genaue und schnelle Justierung ohne 0-Ebene aufwendige Sondermaßnahmen mit Hybridelementen möglich, die wesentliche größere Abmessungstoleranzen aufweisen, als der Justierbereich umfaßt. Bei bekannten Hybridelementen treten üblicherweise Abmessungstoleranzen von über 100 µm auf. Der Justierbereich, den ein solches Hybridelement überstreichen soll, beträgt dabei in der Regel 10-20 µm.The inventive solution is an accurate and fast adjustment without 0-level elaborate special measures with hybrid elements possible, the essential have larger dimensional tolerances than the adjustment comprises. at Conventional hybrid elements usually come across dimensional tolerances of 100 μm. The adjustment range that such a hybrid element should cover is usually 10-20 microns.

Im weiteren wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Furthermore, the invention will be explained using an exemplary embodiment.  

Aus einem Silicium-Substrat mit einer Dicke von 300 µm wird eine nach unten hin freie Zunge der Abmessungen 3 × 1 mm herausgeätzt. Der piezoelektrische Körper besteht aus einem piezokeramischen Stäbchen der Abmessung 2,8 × 0,9 mm und einer Dicke von 200 µm. Es ist mit aufgesputterten Ag-Kontakten versehen und mit 500 V bei 60°C 5 s gepolt worden. Dieses piezokeramische gepolte Stäbchen wird mit einem Leitkleber auf die Unterseite der Silicium-Zunge angeklebt. Als Zuführung für die Grundelektrode dient der Leitkleber. Als Zuführung für die Deckelektrode wird ein Bonddraht angebracht. Dadurch ist der piezoelektrische Körper durch ein elektrisches Feld ansteuerbar. Mittels eines Laserferometers kann nun die Auslenkung der Silicium-Zunge in Abhängigkeit von der angelegten Spannung gemessen werden.From a silicon substrate with a thickness of 300 microns is a downwards etched free tongue of dimensions 3 × 1 mm. The piezoelectric body consists of a piezoceramic rod measuring 2.8 × 0.9 mm and a thickness of 200 microns. It is provided with sputtered Ag contacts and with 500 V polarized at 60 ° C for 5 s. This piezoceramic poled chopsticks will glued with a conductive adhesive on the bottom of the silicon tongue. As a feeder the conductive adhesive is used for the base electrode. As a feeder for the top electrode is a bonding wire attached. Thereby, the piezoelectric body is by a electric field controllable. By means of a laserferometer can now the Deflection of the silicon tongue as a function of the applied voltage be measured.

Es sind folgende Werte gemessen worden:The following values have been measured:

Spannung: 25 VVoltage: 25V Auslenkung: 1,7 µmDeflection: 1.7 μm Spannung: 50 VVoltage: 50V Auslenkung: 3,6 µmDeflection: 3.6 μm

Über die Veränderung von Länge und Dicke der Silicium-Zunge und des piezoelektrischen Körpers können weitere Varianten eingestellt werden, wobei mit absinkender Dicke die Stellkraft naturgemäß abnimmt.About the change of length and thickness of the silicon tongue and the piezoelectric body can be set other variants, with sinking thickness, the force naturally decreases.

Claims (6)

1. Mikromechanisches Element für die Mikroelektronik mit einer ein Funktionselement tragenden Zunge, bei dem auf die Unterseite oder Silicium-Zunge ein piezoelektrischer und/oder ein ferroelektrischer Körper angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist, wobei die Unterseite der Silicium-Zunge die Gegenseite der das zu justierende Funktionselement tragenden Seite der Silicium-Zunge ist.1. Micromechanical element for microelectronics with a Functional element bearing tongue, in which on the underside or silicon tongue, a piezoelectric and / or a ferroelectric body attached and controlled by an electric field, the underside of the Silicon tongue the opposite side of the functional element to be adjusted supporting the side of Silicon tongue is. 2. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, bei dem ein gepolter piezoelektrischer Körper auf der Unterseite einer Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.2. A micromechanical element according to claim 1, wherein a poled piezoelectric body mounted on the underside of a silicon tongue and can be controlled by an electric field. 3. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, bei dem der piezoelektrische Körper ein piezokeramischer Stab ist.3. A micromechanical element according to claim 1, wherein the piezoelectric Body is a piezoceramic rod. 4. Mikromechanisches Element nach Anspruch 3, bei dem der piezokeramische Stab annähernd gleich Abmessungen wie die Silicium-Zunge und eine Dicke von < 50 µm hat.4. A micromechanical element according to claim 3, wherein the piezoceramic rod is approximately the same dimensions as the silicon tongue and has a thickness of <50 microns. 5. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, bei dem als ferroelektrischer Körper ein Keramikkörper mit hoher Elektrostriktion auf die Unterseite der Silicium- Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.5. A micromechanical element according to claim 1, wherein as ferroelectric Body a ceramic body with high electrostriction on the underside of the silicon Tongue attached and can be controlled by an electric field. 6. Mikromechanisches Element nach Anspruch 1, bei dem als ferroelektrischer Körper ein Körper mit felderzwungener Phasenumwandlung auf die Unterseite der Silicium-Zunge angebracht und durch ein elektrisches Feld ansteuerbar ist.6. A micromechanical element according to claim 1, wherein as ferroelectric Body a body with field-forced phase transformation to the bottom of the Silicon tongue attached and can be controlled by an electric field.
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