WO2009010349A1 - Micromechanic component comprising position detection component for determining the position and the amplitude of an oscillatable element - Google Patents

Micromechanic component comprising position detection component for determining the position and the amplitude of an oscillatable element Download PDF

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WO2009010349A1
WO2009010349A1 PCT/EP2008/057454 EP2008057454W WO2009010349A1 WO 2009010349 A1 WO2009010349 A1 WO 2009010349A1 EP 2008057454 W EP2008057454 W EP 2008057454W WO 2009010349 A1 WO2009010349 A1 WO 2009010349A1
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WO
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axis
component
oscillatory
position detection
suspension element
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PCT/EP2008/057454
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Torsten Ohms
Janpeter Wolff
Marco Lammer
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Robert Bosch Gmbh
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    • G02B6/359Control or adjustment details, e.g. calibrating of the position of the moving element itself during switching, i.e. without monitoring the switched beams

Definitions

  • the invention is based on a micromechanical component according to the preamble of the main claim.
  • a micromechanical component which has a self-supporting mirror surface. The mirror surface is connected by torsion bars with a surrounding support body.
  • a disadvantage of the known micromechanical components according to the prior art is that the position of the oscillatory element can only be determined by complex methods, with corresponding components for carrying out the position determination with considerable space on the torsion bar of the micromechanical components must be positioned.
  • the inventive micromechanical component according to the main claim and the features of the independent claims has the advantage that the position determination of the oscillatory element is uncomplicated and also the necessary position detection component, hereinafter also referred to as position component, particularly space-saving on the second suspension element of the micromechanical Component is placed.
  • position component particularly space-saving on the second suspension element of the micromechanical Component is placed.
  • the amplitude of the oscillation or the amplitudes of the oscillations can be determined by the position component in the case of a vibration of the oscillatable element about a first axis and / or about a second axis.
  • the type of oscillation can be determined by the position component but also the amplitude of the oscillation.
  • a detection of the oscillation amplitude thus makes it possible to regulate the deflection and thus, for example, a constant image angle in the case of a micromirror as a micromechanical component or a constant sensitivity in a yaw rate sensor as a micromechanical component.
  • the second suspension element has a bending spring part and / or a torsion part.
  • a torsion and / or a bending of the torsion part and / or the bending spring part of the second suspension element takes place.
  • the bending spring part of the second suspension element preferably has the position component and / or the torsion part of the second suspension element has the position component.
  • the size of the first suspension element can be made small because no space for the positioning of the position component must be provided.
  • the oscillatable element can thus be advantageously increased, for example.
  • the design of the vibratable element and the first suspension element is more flexible, as the attachment of positional components in these areas need not be considered.
  • the torsion and / or the bending of the second suspension element by the positional component can be determined by the positional component.
  • a vibration of the oscillatory element about the first axis preferably takes place a bending of the spiral spring part.
  • a vibration of the oscillatory element about the second axis is preferably carried out a torsion of the torsion part.
  • the torsion and / or the bending of the second suspension element generates a mechanical stress within the second suspension element, wherein the mechanical stress can be evaluated piezoresistively by the position component on the second suspension element.
  • the mechanical stress within the second suspension element arises because the vibratable element is connected via the first suspension element to the inner frame and the inner frame to the second suspension element.
  • An oscillation, for example, of the oscillatable element about the first axis is connected to an antiphase oscillation of the inner frame, so that mechanical stresses within the second suspension be generated elements.
  • the position of the oscillatable element and / or the amplitude of the oscillation or the amplitudes of the oscillations about the first and / or the second axis of the oscillatable element can preferably be determined by the piezoresistive evaluation of the mechanical stress.
  • the second suspension element In a vibration of the oscillatory element only about the second axis, for example, the second suspension element is twisted.
  • the second suspension element In a vibration of the oscillatory element only about the first axis, the second suspension element is bent, for example. If, in a first embodiment, a current flows between two first points of a position component placed in the torsion part, the vibration of the oscillatable element about the first axis changes the electrical resistance between the two first points, because the second suspension element is bent.
  • the change of the resistance thus provides information about a vibration of the oscillatory element about the first axis.
  • the change of the resistance is also a measure of the deflection of the vibration of the oscillatory element. Consequently, the amplitude of the oscillation of the oscillatable element can also be determined via the change of the resistance.
  • an electrical voltage between two other points of the position component is induced by the torsion of the second suspension element.
  • a connecting line between the two other points is preferably substantially perpendicular to a connecting line between the two first points in the plane of the oscillatory element.
  • the induced voltage can also be measured, wherein the amplitude of the oscillation about the second axis can be determined via the magnitude of the voltage.
  • the amplitudes of the different oscillations of the oscillatable element can advantageously be determined by the position component.
  • the current direction to be applied must be selected as a function of the crystallographic structure. If, for example, the second suspension element has a p-doping, the current direction between 20 ° and 25 ° is preferably arranged with respect to a crystallographic (100) direction. Preferably, the applied current is kept constant by an external circuit. The necessary time-varying voltage is then a measure of the resistance change and thus for the deflection of the oscillatory element.
  • the bending spring part of the second suspension element has a first position component and the torsion part of the second suspension element has a second position component.
  • the first and the second position component are preferably the same or different structure.
  • the position determination of the oscillatory element is possible at different locations of the second suspension element, whereby the measurement results of the individual measurements can be compared and checked.
  • both the bending spring part and the torsion part have a plurality of position components, wherein the position components can be constructed here the same or different.
  • a micromechanical component may comprise two second suspension elements, wherein, for example, a first Beige spring part has four position components.
  • the position components can be interconnected differently, so that, for example, a Wheatstone bridge is formed between the four position components of the first bending spring part.
  • the oscillation of the oscillatable element about the first axis and / or about the second axis can be detected.
  • the amplitude of the respective oscillation can also be determined via the strength of the resistance change.
  • the oscillatory element is designed as a reflective surface.
  • the reflective surface can arise, for example, by a surface metallization and is preferably flat.
  • the substrate to which the second suspension member is in communication is a silicon substrate, wherein the vibratable member, the inner frame, and / or the suspension members are formed by etching from the silicon substrate, for example.
  • the micromechanical component may have further elements which are either formed from the silicon substrate and / or produced by other methods on and / or from the silicon substrate and / or applied. Conductor tracks, electrodes and / or insulating layers are possible examples of such further elements.
  • the oscillatory element may be formed without oscillating material as a vibrating surface.
  • the oscillatory surface and the first and / or the second suspension element is constructed so that the oscillatory surface or the oscillatory element can achieve the highest possible vibration amplitudes.
  • the micromechanical component is used with a specular, oscillatory surface as a micromirror.
  • the micromirror can be used, for example, in television systems for television screen construction, display systems for display screen construction, projectors, laser measurement setups or other optical measurement setups.
  • the micromechanical component can preferably also be used in a sensor. It is conceivable, for example, the use of the micromechanical component in a rotation rate sensor for rotation rate determination.
  • Another object of the present invention is a method for position detection of a vibratable element in the micromechanical component.
  • the oscillation of the oscillatory element about the first and / or about the second axis is determined piezoresistively by the position component. Since the mechanical stresses resulting from the vibration of the oscillatory element are used for this, the position is determined dynamically.
  • the position component is preferably used to determine the amplitude or the amplitudes of the oscillations of the oscillatable surface about the first axis and / or about the second axis.
  • FIG. 1 schematically illustrates a micromechanical component with a vibratable element.
  • FIG. 2 schematically illustrates the micromechanical component in a plan view.
  • FIG. 3 schematically illustrates a second suspension element with a position component.
  • FIG. 1 schematically shows a micromechanical component 1 with a vibratable element 2, an inner frame 9 and a second suspension element 4.
  • the oscillatable element 2 is formed in the embodiment as a surface, which is why the term oscillatory surface 2 is used in the further.
  • the oscillatory surface 2 is connected to the inner frame 9 by means of a first suspension element 3 (not shown in FIG. 1).
  • the inner frame 9 is connected via the second suspension element 4 to a substrate 6 (not shown in FIG. 1), for example silicon.
  • the oscillatory surface 2 can oscillate both about a first axis A and about a second axis B.
  • the inner frame 9 can oscillate in phase opposition, whereby mechanical stresses in the second suspension element 4 are generated.
  • the inner frame 9 is rotated relative to the substrate 6, whereby mechanical stresses are generated in the second suspension element 4 here too. Consequently, in the second suspension element 4, the vibrations of the oscillatory surface 2 cause mechanical stresses in the second suspension element 4.
  • FIG. 2 schematically shows a plan view of the micromechanical component 1, the first suspension element 3 being shown in FIG.
  • the micromechanical component 1 has two second suspension elements 4, 4 " , wherein each second suspension element 4, 4 " has a bending spring part 7, T and a torsion part 8, 8 X.
  • a plurality of position components 5 are shown on the two bending spring parts 7, T of the two second suspension elements 4, 4 " .
  • the second suspension element 4 X shown on the left in FIG. 2 has four position components 5 on the bending spring part T, where In the case of an oscillation of the oscillatory surface 2 about the first axis A, the mutually arranged position components 5 are uniformly loaded by a mechanical stress opposite position building 5 parts loaded in the same direction by the generated mechanical stress.
  • both the vibration of the oscillatory surface 2 about the first axis A and the vibration of the oscillatory surface 2 about the second axis B via the generated mechanical stress by means of the position component 5 can be detected.
  • An evaluation of the generated mechanical stress takes place via the application of a current to the position components 5 and the evaluation of the resistances of the position components 5, for example by means of an interconnection of the position components 5 in the manner of a Wheatstone bridge.
  • the amplitudes of the oscillations about the first axis A and / or about the second axis B can be determined via the strength of the resistance change.
  • FIG. 3 shows schematically a different placement of the position component 5 on the second suspension element 4.
  • the torsion part 8 has a single position component 5.
  • a current is preferably applied between two first points W and O, wherein the resistance in the current direction is changed by a deflection of the second suspension element 4.
  • This results in a piezoresistive effect which can be determined by measuring the voltage in the current direction.
  • the change in the resistance is also a measure of the deflection of the oscillation of the oscillatory surface 2, so that thereby the amplitude of the oscillation can be determined.
  • an electrical voltage between two further points N and S induces when a current is applied between the two first points W and O.
  • an induced voltage between the other two points N and S is measured, an oscillation of the oscillatory surface 2 about the second axis B can be concluded.
  • the height of the induced voltage provides information about the amplitude of the oscillation.
  • the resistance between the first two points W and O changes, there is consequently an oscillation of the oscillatory surface 2 about the first axis A, the amplitude of the oscillation about the first axis being determined by the change of the resistance.
  • At a voltage to be measured between the two further points N and S there is an oscillation of the oscillatory surface 2 about the second axis B, wherein the amplitude of the oscillation about the second axis B is determined by the height of the induced voltage.
  • the oscillatable surface 2 oscillates both about the first axis A and about the second axis B.
  • the position detection of the oscillatory Surface 2 thus takes place dynamically by the evaluation of the generated mechanical stress in the second suspension element 4.

Abstract

The invention relates to a micromechanic component, wherein the micromechanic component comprises an oscillatable element and a position detection component. By means of the position detection component, the oscillating mode and the amplitude of the oscillatable element can be determined in a piezoresistive manner. The position detection component is located on a second suspension element that connects an inner frame to a substrate.

Description

Beschreibung description
Titeltitle
Mikromechanisches Bauteil mit einem Positionserkennungsbauteil zur Positionsbestimmung und Amplitudenbestimmung eines schwingfähigen ElementsMicromechanical component with a position detection component for position determination and amplitude determination of a vibratable element
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Bauteil nach der Gattung des Hauptanspruchs. Aus der deutschen Patentschrift DE 198 57 946 Cl ist ein Mikrospiegel bekannt, der eine freitragende Spiegelfläche aufweist. Die Spiegelfläche ist dabei mittels Torsionsbalken mit einem umgebenden Tragekörper verbunden. Nachteilig bei den bekannten mikromechanischen Bauteilen nach dem Stand der Technik ist jedoch, dass sich die Position des schwingfähigen Elements nur über aufwändige Verfahren bestimmen lässt, wobei entsprechende Bauelemente zur Durchführung der Positionsbestimmung unter erheblichen Platzbedarf auf dem Torsionsbalken der mikromechanischen Bauteile positioniert werden müssen.The invention is based on a micromechanical component according to the preamble of the main claim. From the German patent DE 198 57 946 Cl a micromirror is known which has a self-supporting mirror surface. The mirror surface is connected by torsion bars with a surrounding support body. A disadvantage of the known micromechanical components according to the prior art, however, is that the position of the oscillatory element can only be determined by complex methods, with corresponding components for carrying out the position determination with considerable space on the torsion bar of the micromechanical components must be positioned.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Das erfindungsgemäße mikromechanische Bauteil gemäß dem Hauptanspruch und den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche hat demgegenüber den Vorteil, dass die Positionsbestimmung des schwingfähigen Elements unkompliziert erfolgt und zudem das hierfür notwendige Positionserkennungsbauteil, im weiteren auch als Positionsbauteil bezeichnet, besonders platzsparend auf dem zweiten Aufhängungselement des mikrome- chanischen Bauteils platziert ist. In vorteilhafter Weise kann so beispielsweise der Platz auf dem ersten Aufhängungselement für Zuleitungen (Leiterbahnen), die beispielsweise den Antrieb des schwingfähigen Elements bewirken, verwendet werden.The inventive micromechanical component according to the main claim and the features of the independent claims has the advantage that the position determination of the oscillatory element is uncomplicated and also the necessary position detection component, hereinafter also referred to as position component, particularly space-saving on the second suspension element of the micromechanical Component is placed. Advantageously, for example, the space on the first suspension element for leads (printed conductors), which cause the drive of the oscillatory element, for example, be used.
Vorzugsweise ist durch das Positionsbauteil bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um eine erste Achse und/oder um eine zweite Achse die Amplitude der Schwingung beziehungsweise die Amplituden der Schwingungen bestimmbar. In vorteilhafter Weise ist so nicht nur die Art der Schwingung durch das Positionsbauteil bestimmbar sondern auch die Amplitude der Schwingung. Eine Erfassung der Schwingungsamplitude ermöglicht somit die Regelung der Auslenkung und damit beispielsweise einen konstanten Bildwinkel im Fall eines Mikrospiegels als mikromechanisches Bauteil beziehungsweise eine konstante Sensitivität bei einem Drehratensensor als mikromechanisches Bauteil.Preferably, the amplitude of the oscillation or the amplitudes of the oscillations can be determined by the position component in the case of a vibration of the oscillatable element about a first axis and / or about a second axis. Advantageously, not only the type of oscillation can be determined by the position component but also the amplitude of the oscillation. A detection of the oscillation amplitude thus makes it possible to regulate the deflection and thus, for example, a constant image angle in the case of a micromirror as a micromechanical component or a constant sensitivity in a yaw rate sensor as a micromechanical component.
Bevorzugt weist das zweite Aufhängungselement einen Biegefeder- Teil und/oder einen Torsions-Teil auf. In Abhängigkeit der Bewegung der schwingfähigen Fläche erfolgt eine Torsion und/oder eine Biegung des Torsions-Teils und/oder des Biegefeder- Teils des zweiten Aufhängungselements.Preferably, the second suspension element has a bending spring part and / or a torsion part. Depending on the movement of the oscillatory surface, a torsion and / or a bending of the torsion part and / or the bending spring part of the second suspension element takes place.
Bevorzugt weist der Biegefeder- Teil des zweiten Aufhängungselements das Positionsbauteil auf und/oder der Torsions-Teil des zweiten Aufhängungselements weist das Positionsbauteil auf. In vorteilhafter Weise kann so die Baugröße des ersten Aufhängungselements klein gestaltet werden, da kein Platz für die Positionierung des Positionsbauteils bereitgestellt werden muss. Das schwingfähige Element kann so beispielsweise vorteilhaft vergrößert werden. Weiterhin ist das Design des schwingfähigen Elements und des ersten Aufhängungselements flexibler, da die Anbringung von Positionsbauteilen in diesen Bereichen nicht berücksichtigt werden muss.The bending spring part of the second suspension element preferably has the position component and / or the torsion part of the second suspension element has the position component. Advantageously, so the size of the first suspension element can be made small because no space for the positioning of the position component must be provided. The oscillatable element can thus be advantageously increased, for example. Furthermore, the design of the vibratable element and the first suspension element is more flexible, as the attachment of positional components in these areas need not be considered.
Bevorzugt ist durch das Positionsbauteil die Torsion und/oder die Biegung des zweiten Aufhängungselements durch das Positionsbauteil bestimmbar. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse erfolgt bevorzugt eine Biegung des Biegefeder-Teils. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um die zweite Achse erfolgt bevorzugt eine Torsion des Torsions-Teils. In vorteilhafter Weise wirkt sich somit sowohl eine Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse als auch eine Schwingung um die zweite Achse auf das zweite Aufhängungselement aus.Preferably, the torsion and / or the bending of the second suspension element by the positional component can be determined by the positional component. In a vibration of the oscillatory element about the first axis preferably takes place a bending of the spiral spring part. In a vibration of the oscillatory element about the second axis is preferably carried out a torsion of the torsion part. Thus, both an oscillation of the oscillatable element about the first axis and an oscillation about the second axis on the second suspension element advantageously have an effect.
Vorzugsweise erzeugt die Torsion und/oder die Biegung des zweiten Aufhängungselements eine mechanische Spannung innerhalb des zweiten Aufhängungselements, wobei die mechanische Spannung durch das Positionsbauteil am zweiten Aufhängungselement piezoresistiv ausgewertet werden kann. Die mechanische Spannung innerhalb des zweiten Aufhängungselements entsteht, da das schwingfähige Element über das erste Aufhängungselement mit dem inneren Rahmen und der innere Rahmen mit dem zweiten Aufhängungselement verbunden ist. Eine Schwingung beispielsweise des schwingfähigen Elements um die erste Achse ist mit einer gegenphasigen Schwingung des inneren Rahmens verbunden, so dass mechanische Spannungen innerhalb des zweiten Aufhän- gungselements erzeugt werden.Preferably, the torsion and / or the bending of the second suspension element generates a mechanical stress within the second suspension element, wherein the mechanical stress can be evaluated piezoresistively by the position component on the second suspension element. The mechanical stress within the second suspension element arises because the vibratable element is connected via the first suspension element to the inner frame and the inner frame to the second suspension element. An oscillation, for example, of the oscillatable element about the first axis is connected to an antiphase oscillation of the inner frame, so that mechanical stresses within the second suspension be generated elements.
Vorzugsweise ist die durch die piezoresistive Auswertung der mechanischen Spannung die Position des schwingfähigen Elements und/oder die Amplitude der Schwingung bezie- hungsweise die Amplituden der Schwingungen um die erste und/oder um die zweite Achse des schwingfähigen Elements bestimmbar. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements nur um die zweite Achse wird beispielsweise das zweite Aufhängungselement tordiert. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements nur um die erste Achse, wird das zweite Aufhängungselement beispielsweise verbogen. Fließt in einem ersten Ausfüh- rungsbeispiel ein Strom zwischen zwei ersten Punkten eines im Torsions-Teil platzierten Positionsbauteils ändert sich bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse der elektrische Widerstand zwischen den beiden ersten Punkten, da das zweite Aufhängungselement verbogen wird. Die Änderung des Widerstandes gibt hierbei folglich Aufschluss über eine Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse. Die Änderung des Widerstandes ist dabei auch ein Maß für die Auslenkung der Schwingung des schwingfähigen Elements. Folglich kann über die Änderung des Widerstandes auch die Amplitude der Schwingung des schwingfähigen Elements bestimmt werden. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements um die zweite Achse wird durch die Torsion des zweiten Aufhängungselements eine elektrische Spannung zwi- sehen zwei weiteren Punkten des Positionsbauteils induziert. Eine Verbindungslinie zwischen den zwei weiteren Punkten liegt bevorzugt im wesentlichen senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen den zwei ersten Punkten in der Ebene des schwingfähigen Elements. Die induzierte Spannung kann ebenfalls gemessen werden, wobei über die Höhe der Spannung die Amplitude der Schwingung um die zweite Achse bestimmt werden kann. Schwingt das schwingfähige Element lediglich um die erste Achse, so wird keine Spannung zwischen den zwei weiteren Punkten induziert. Schwingt das schwingfähige Element lediglich um die zweite Achse, erfolgt keine Widerstandsänderung zwischen den zwei ersten Punkten. Bei einer Schwingung des schwingfähigen Elements sowohl um die erste Achse als auch um die zweite Achse, erfolgt sowohl eine Widerstandsänderung zwi- sehen den beiden ersten Punkten als auch die Induzierung einer Spannung zwischen den beiden weiteren Punkten. In vorteilhafter Weise ist somit mit nur einem Positionsbauteil piezoresistiv an dem zweiten Aufhängungselement sowohl eine Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse als auch eine Schwingung um die zweite Achse und auch gleichzeitige Schwingungen um beide Achsen detektierbar. Weiterhin sind vorteilhaft durch das Positionsbauteil die Amplituden der verschiedenen Schwingungen des schwingfähigen Elements bestimmbar. Der Fachmann versteht, dass die anzulegende Stromrichtung in Abhängigkeit von dem kristallografischen Aufbau gewählt werden muss. Weist das zweite Aufhängungselement beispielsweise eine p- Dotierung auf, wird bevorzugt die Stromrichtung zwischen 20° und 25° bezüglich einer kristallografischen (100)- Richtung angeordnet. Bevorzugt wird der angelegte Strom durch eine äußere Schaltung konstant gehalten. Die dazu notwendige, zeitlich veränderliche Spannung ist dann ein Maß für die Widerstandsänderung und somit für die Auslenkung des schwingfähigen Elements.The position of the oscillatable element and / or the amplitude of the oscillation or the amplitudes of the oscillations about the first and / or the second axis of the oscillatable element can preferably be determined by the piezoresistive evaluation of the mechanical stress. In a vibration of the oscillatory element only about the second axis, for example, the second suspension element is twisted. In a vibration of the oscillatory element only about the first axis, the second suspension element is bent, for example. If, in a first embodiment, a current flows between two first points of a position component placed in the torsion part, the vibration of the oscillatable element about the first axis changes the electrical resistance between the two first points, because the second suspension element is bent. The change of the resistance thus provides information about a vibration of the oscillatory element about the first axis. The change of the resistance is also a measure of the deflection of the vibration of the oscillatory element. Consequently, the amplitude of the oscillation of the oscillatable element can also be determined via the change of the resistance. Upon oscillation of the oscillatory element about the second axis, an electrical voltage between two other points of the position component is induced by the torsion of the second suspension element. A connecting line between the two other points is preferably substantially perpendicular to a connecting line between the two first points in the plane of the oscillatory element. The induced voltage can also be measured, wherein the amplitude of the oscillation about the second axis can be determined via the magnitude of the voltage. If the oscillatable element only oscillates about the first axis, then no voltage is induced between the two further points. If the oscillatable element only oscillates about the second axis, there is no change in resistance between the first two points. In a vibration of the oscillatory element about both the first axis and about the second axis, both a change in resistance between see the two first points as well as the induction of a voltage between the other two points. Advantageously, thus with only one position component piezoresistive on the second suspension element both a vibration of the oscillatory element about the first axis and a vibration about the second axis and also simultaneous vibrations about both axes detectable. Furthermore, the amplitudes of the different oscillations of the oscillatable element can advantageously be determined by the position component. The person skilled in the art understands that the current direction to be applied must be selected as a function of the crystallographic structure. If, for example, the second suspension element has a p-doping, the current direction between 20 ° and 25 ° is preferably arranged with respect to a crystallographic (100) direction. Preferably, the applied current is kept constant by an external circuit. The necessary time-varying voltage is then a measure of the resistance change and thus for the deflection of the oscillatory element.
In einer bevorzugten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils weist der Biege- feder-Teil des zweiten Aufhängungselements ein erstes Positionsbauteil und der Torsions-Teil des zweiten Aufhängungselements ein zweites Positionsbauteil auf. Das erste und das zweite Positionsbauteil sind dabei bevorzugt gleich oder unterschiedlich aufgebaut. In vorteilhafter Weise ist die Positionsbestimmung des schwingfähigen Elements so an unterschiedlichen Orten des zweiten Aufhängungselements möglich, wodurch die Messergebnisse der einzelnen Messungen verglichen und überprüft werden können.In a preferred embodiment of the micromechanical component, the bending spring part of the second suspension element has a first position component and the torsion part of the second suspension element has a second position component. The first and the second position component are preferably the same or different structure. Advantageously, the position determination of the oscillatory element is possible at different locations of the second suspension element, whereby the measurement results of the individual measurements can be compared and checked.
Selbstverständlich kann sowohl der Biegefeder- Teil als auch der Torsions-Teil eine Mehrzahl von Positionsbauteilen aufweisen, wobei die Positionsbauteile auch hier gleich oder unterschiedlich aufgebaut sein können.Of course, both the bending spring part and the torsion part have a plurality of position components, wherein the position components can be constructed here the same or different.
In einer bevorzugten Ausführungsform des mikromechanischen Bauteils beispielsweise kann ein mikromechanisches Bauteil zwei zweite Aufhängungselemente aufweisen, wobei beispielsweise ein erster Beigefeder- Teil vier Positionsbauteile aufweist. Die Positionsbauteile können dabei unterschiedlich zusammengeschaltet werden, so dass beispielsweise eine Wheatstone- Brücke zwischen den vier Positionsbauteilen des ersten Biegefe- der- Teils gebildet wird. Je nach Verschaltung der vier Positionsbauteile kann dabei die Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste Achse und/oder um die zweite Achse detektiert werden. Über die Stärke der Widerstandsänderung kann dabei auch die Amplitude der jeweiligen Schwingung bestimmt werden.In a preferred embodiment of the micromechanical component, for example, a micromechanical component may comprise two second suspension elements, wherein, for example, a first Beige spring part has four position components. The position components can be interconnected differently, so that, for example, a Wheatstone bridge is formed between the four position components of the first bending spring part. Depending on the interconnection of the four position components, the oscillation of the oscillatable element about the first axis and / or about the second axis can be detected. The amplitude of the respective oscillation can also be determined via the strength of the resistance change.
Besonders bevorzugt ist das schwingfähige Element als spiegelnde Fläche ausgebildet. Die spiegelnde Fläche kann dabei beispielsweise durch eine Oberflächenmetallisierung entstehen und ist bevorzugt plan. Weiterhin bevorzugt ist das Substrat, mit dem das zweite Aufhängungselement in Verbindung steht, ein Siliziumsubstrat, wobei das schwingfähige Element, der innere Rahmen und/oder die Aufhängungselemente beispielsweise durch Ätzen aus dem Siliziumsubstrat gebildet wurden. Selbstverständlich kann das mikromechanische Bauteil weitere Elemente aufweisen, die entweder aus dem Siliziumsubstrat gebildet und/oder durch andere Verfahren auf und/oder aus dem Siliziumsubstrat erzeugt und/oder aufgebracht wurden. Leiterbahnen, Elektroden und/oder Isolationsschichten sind mögliche Beispiele für solche weiteren Elemente.Particularly preferably, the oscillatory element is designed as a reflective surface. The reflective surface can arise, for example, by a surface metallization and is preferably flat. Further preferably, the substrate to which the second suspension member is in communication is a silicon substrate, wherein the vibratable member, the inner frame, and / or the suspension members are formed by etching from the silicon substrate, for example. Of course, the micromechanical component may have further elements which are either formed from the silicon substrate and / or produced by other methods on and / or from the silicon substrate and / or applied. Conductor tracks, electrodes and / or insulating layers are possible examples of such further elements.
Selbstverständlich kann das schwingfähige Element auch ohne spiegelndes Material als schwingfähige Fläche ausgebildet sein. Bevorzugt ist die schwingfähige Fläche sowie das erste und/oder das zweite Aufhängungselement so aufgebaut, dass die schwingfähige Fläche beziehungsweise das schwingfähige Element möglichst große Schwingungsamplituden erreichen kann.Of course, the oscillatory element may be formed without oscillating material as a vibrating surface. Preferably, the oscillatory surface and the first and / or the second suspension element is constructed so that the oscillatory surface or the oscillatory element can achieve the highest possible vibration amplitudes.
Bevorzugt wird das mikromechanische Bauteil mit einer spiegelnden, schwingfähigen Fläche als Mikrospiegel verwendet. Der Mikrospiegel kann dabei beispielsweise in Fernsehsystemen zum Fernsehbildaufbau, Displaysystemen zum Displaybildaufbau, Projektoren, Lasermessaufbauten oder anderen optischen Messaufbauten verwendet werden.Preferably, the micromechanical component is used with a specular, oscillatory surface as a micromirror. The micromirror can be used, for example, in television systems for television screen construction, display systems for display screen construction, projectors, laser measurement setups or other optical measurement setups.
Bevorzugt kann das mikromechanische Bauteil jedoch auch in einem Sensor verwendet werden. Denkbar ist beispielsweise die Verwendung des mikromechanischen Bauteils in einem Drehratensensor zur Drehratenbestimmung.However, the micromechanical component can preferably also be used in a sensor. It is conceivable, for example, the use of the micromechanical component in a rotation rate sensor for rotation rate determination.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Positionsdetek- tion eines schwingfähigen Elements in dem mikromechanischen Bauteil. Hierbei wird die Schwingung des schwingfähigen Elements um die erste und/oder um die zweite Achse piezoresistiv durch das Positionsbauteil bestimmt. Da hierfür die mechanischen Spannungen, die durch die Schwingung des schwingfähigen Elements entstehen, verwendet werden, erfolgt die Positionsbestimmung dynamisch.Another object of the present invention is a method for position detection of a vibratable element in the micromechanical component. In this case, the oscillation of the oscillatory element about the first and / or about the second axis is determined piezoresistively by the position component. Since the mechanical stresses resulting from the vibration of the oscillatory element are used for this, the position is determined dynamically.
Bevorzugt wird durch das Positionsbauteil die Amplitude beziehungsweise die Amplituden der Schwingungen der schwingfähigen Fläche um die erste Achse und/oder um die zweite Achse bestimmt.The position component is preferably used to determine the amplitude or the amplitudes of the oscillations of the oscillatable surface about the first axis and / or about the second axis.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and explained in more detail in the following description.
Figur 1 stellt schematisch ein mikromechanisches Bauteil mit einem schwingfähigen Element dar. Figur 2 stellt schematisch das mikromechanische Bauteil in einer Draufsicht dar.FIG. 1 schematically illustrates a micromechanical component with a vibratable element. FIG. 2 schematically illustrates the micromechanical component in a plan view.
Figur 3 stellt schematisch ein zweites Aufhängungselement mit einem Positionsbauteil dar.FIG. 3 schematically illustrates a second suspension element with a position component.
Ausführungsform(en) der ErfindungEmbodiment (s) of the invention
In der Figur 1 ist schematisch ein mikromechanisches Bauteil 1 mit einem schwingfähigen Element 2, einem inneren Rahmen 9 und einem zweiten Aufhängungselement 4 darge- stellt. Das schwingfähige Element 2 ist im Ausführungsbeispiel als Fläche ausgebildet, weshalb im weiteren auch die Bezeichnung schwingfähige Fläche 2 verwendet wird. Die schwingfähige Fläche 2 ist mittels eines ersten Aufhängungselements 3 (in Figur 1 nicht dargestellt) mit dem inneren Rahmen 9 verbunden. Der innere Rahmen 9 ist über das zweite Aufhängungselement 4 mit einem Substrat 6 (in Figur 1 nicht dargestellt), bei- spielsweise Silizium, verbunden. Die schwingfähige Fläche 2 kann sowohl um eine erste Achse A als auch um eine zweite Achse B schwingen. Bei einer Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die erste Achse A, wie in der Figur 1 schematisch dargestellt, kann der innere Rahmen 9 gegenphasig schwingen, wodurch mechanische Spannungen im zweiten Aufhängungselement 4 erzeugt werden. Bei einer Schwingung der schwingfähi- gen Fläche 2 um die zweite Achse B verdreht sich der innere Rahmen 9 gegenüber dem Substrat 6, wodurch auch hier im zweiten Aufhängungselement 4 mechanische Spannungen erzeugt werden. Folglich entstehen im zweiten Aufhängungselement 4 durch die Schwingungen der schwingfähigen Fläche 2 mechanische Spannungen im zweiten Aufhängungselement 4.FIG. 1 schematically shows a micromechanical component 1 with a vibratable element 2, an inner frame 9 and a second suspension element 4. The oscillatable element 2 is formed in the embodiment as a surface, which is why the term oscillatory surface 2 is used in the further. The oscillatory surface 2 is connected to the inner frame 9 by means of a first suspension element 3 (not shown in FIG. 1). The inner frame 9 is connected via the second suspension element 4 to a substrate 6 (not shown in FIG. 1), for example silicon. The oscillatory surface 2 can oscillate both about a first axis A and about a second axis B. With an oscillation of the oscillatory surface 2 about the first axis A, as shown schematically in Figure 1, the inner frame 9 can oscillate in phase opposition, whereby mechanical stresses in the second suspension element 4 are generated. With an oscillation of the oscillatory surface 2 about the second axis B, the inner frame 9 is rotated relative to the substrate 6, whereby mechanical stresses are generated in the second suspension element 4 here too. Consequently, in the second suspension element 4, the vibrations of the oscillatory surface 2 cause mechanical stresses in the second suspension element 4.
In der Figur 2 ist schematisch eine Draufsicht auf das mikromechanische Bauteil 1 dargestellt, wobei in der Figur 2 auch das erste Aufhängungselement 3 dargestellt ist. Im Ausführungsbeispiel weist das mikromechanische Bauteil 1 zwei zweite Aufhängungselemente 4, 4" auf, wobei jedes zweite Aufhängungselement 4, 4" einen Biegefeder- Teil 7, T und einen Torsions-Teil 8, 8X aufweist. Eine Mehrzahl von Positionsbauteilen 5 sind auf den beiden Biegefeder- Teilen 7, T der zwei zweiten Aufhängungselemente 4, 4" dargestellt. Das in der Figur 2 links dargestellte zweite Aufhängungselement 4X weist dabei vier Positionsbauteile 5 auf dem Biegefeder- Teil T auf, wobei jeweils zwei Positionsbauteile 5 ü- bereinander angeordnet sind. Bei einer Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die erste Achse A werden die untereinander angeordneten Positionsbauteile 5 gleichmäßig durch eine mechanische Spannung belastet. Bei einer Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B werden die diagonal gegenüberliegenden Positionsbau- teile 5 durch die erzeugte mechanische Spannung gleichsinnig belastet. Somit ist sowohl die Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die erste Achse A als auch die Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B über die erzeugte mechanische Spannung mittels des Positionsbauteils 5 nachweisbar. Eine Auswertung der erzeugten mechanischen Spannung erfolgt über das Anlegen eines Stroms an den Positionsbauteilen 5 und die Auswertung der Widerstände der Positionsbauteile 5 beispielsweise mittels einer Verschaltung der Positionsbauteile 5 in der Art einer Wheatstone- Brücke. Über die Stärke der Widerstandsänderung sind dabei die Amplituden der Schwingungen um die erste Achse A und/oder um die zweite Achse B bestimmbar.FIG. 2 schematically shows a plan view of the micromechanical component 1, the first suspension element 3 being shown in FIG. In the exemplary embodiment, the micromechanical component 1 has two second suspension elements 4, 4 " , wherein each second suspension element 4, 4 " has a bending spring part 7, T and a torsion part 8, 8 X. A plurality of position components 5 are shown on the two bending spring parts 7, T of the two second suspension elements 4, 4 " . The second suspension element 4 X shown on the left in FIG. 2 has four position components 5 on the bending spring part T, where In the case of an oscillation of the oscillatory surface 2 about the first axis A, the mutually arranged position components 5 are uniformly loaded by a mechanical stress opposite position building 5 parts loaded in the same direction by the generated mechanical stress. Thus, both the vibration of the oscillatory surface 2 about the first axis A and the vibration of the oscillatory surface 2 about the second axis B via the generated mechanical stress by means of the position component 5 can be detected. An evaluation of the generated mechanical stress takes place via the application of a current to the position components 5 and the evaluation of the resistances of the position components 5, for example by means of an interconnection of the position components 5 in the manner of a Wheatstone bridge. The amplitudes of the oscillations about the first axis A and / or about the second axis B can be determined via the strength of the resistance change.
In Figur 3 ist schematisch eine andere Platzierung des Positionsbauteils 5 auf dem zweiten Aufhängungselement 4 dargestellt. Im Ausführungsbeispiel weist dabei der Torsions- Teil 8 ein einziges Positionsbauteil 5 auf. Zwischen zwei ersten Punkten W und O wird bevorzugt ein Strom angelegt, wobei der Widerstand in Stromrichtung durch eine Verbie- gung des zweiten Aufhängungselements 4 verändert wird. Es entsteht somit ein piezore- sistiver Effekt, der durch Messen der Spannung in Stromrichtung bestimmt werden kann. Die Änderung des Widerstandes ist dabei auch ein Maß für die Auslenkung der Schwingung der schwingfähigen Fläche 2, so dass hierdurch auch die Amplitude der Schwingung bestimmt werden kann. Bei einer Torsion des zweiten Aufhängungselements 4 induziert sich eine elektrische Spannung zwischen zwei weiteren Punkten N und S, wenn zwischen den zwei ersten Punkten W und O ein Strom angelegt wird. Wird folglich eine induzierte Spannung zwischen den beiden weiteren Punkten N und S gemessen, kann auf eine Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B geschlossen werden. Die Höhe der induzierten Spannung gibt dabei Aufschluss über die Amplitude der Schwingung. Bei einer Änderung des Widerstandes zwischen den zwei ersten Punkten W und O liegt folglich eine Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die erste Achse A vor, wobei über die Änderung des Widerstandes die Amplitude der Schwingung um die erste Achse bestimmt wird. Bei einer zu messender Spannung zwischen den zwei weiteren Punkten N und S liegt eine Schwingung der schwingfähigen Fläche 2 um die zweite Achse B vor, wobei über die Höhe der induzierten Spannung die Amplitude der Schwingung um die zweite Achse B bestimmt wird. Ist sowohl eine Widerstandsänderung zwischen den zwei ersten Punkten W und O als auch eine induzierte Spannung zwischen den zwei weiteren Punkten N und S messbar, schwingt die schwingfähige Fläche 2 sowohl um die erste Achse A als auch um die zweite Achse B. Die Positionsdetektion der schwingfähigen Fläche 2 erfolgt somit dynamisch durch die Auswertung der erzeugten mechanischen Spannung im zweiten Aufhängungselement 4. FIG. 3 shows schematically a different placement of the position component 5 on the second suspension element 4. In the exemplary embodiment, the torsion part 8 has a single position component 5. A current is preferably applied between two first points W and O, wherein the resistance in the current direction is changed by a deflection of the second suspension element 4. This results in a piezoresistive effect which can be determined by measuring the voltage in the current direction. The change in the resistance is also a measure of the deflection of the oscillation of the oscillatory surface 2, so that thereby the amplitude of the oscillation can be determined. In a torsion of the second suspension element 4, an electrical voltage between two further points N and S induces when a current is applied between the two first points W and O. Consequently, if an induced voltage between the other two points N and S is measured, an oscillation of the oscillatory surface 2 about the second axis B can be concluded. The height of the induced voltage provides information about the amplitude of the oscillation. When the resistance between the first two points W and O changes, there is consequently an oscillation of the oscillatory surface 2 about the first axis A, the amplitude of the oscillation about the first axis being determined by the change of the resistance. At a voltage to be measured between the two further points N and S, there is an oscillation of the oscillatory surface 2 about the second axis B, wherein the amplitude of the oscillation about the second axis B is determined by the height of the induced voltage. If both a change in resistance between the two first points W and O and an induced voltage between the two other points N and S can be measured, the oscillatable surface 2 oscillates both about the first axis A and about the second axis B. The position detection of the oscillatory Surface 2 thus takes place dynamically by the evaluation of the generated mechanical stress in the second suspension element 4.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikromechanisches Bauteil (1), wobei das mikromechanische Bauteil (1) ein schwingfähiges Element (2), einen inneren Rahmen (9), ein erstes Aufhängungselement (3) und ein zweites Aufhängungselement (4) aufweist, wobei das schwing- fähige Element (2) in einer Ruheposition in einer Ebene angeordnet ist, wobei die1. A micromechanical component (1), wherein the micromechanical component (1) comprises a vibratable element (2), an inner frame (9), a first suspension element (3) and a second suspension element (4), wherein the oscillatory element (2) is arranged in a rest position in a plane, wherein the
Ebene im wesentlichen parallel zum inneren Rahmen (9) verläuft, wobei die Ebene durch eine erste Achse (A) und eine zur ersten Achse (A) senkrecht stehenden zweiten Achse (B) aufgespannt ist und das schwingfähige Element (2) um beide Achsen (A, B) schwingfähig ist, wobei das schwingfähige Element (2) mittels des ersten Aufhängungselements (3) mit dem inneren Rahmen (9) in Verbindung steht und der innere Rahmen (9) mittels des zweiten Aufhängungselements (4) mit einem Substrat (6) in Verbindung steht, wobei eine Schwingung des schwingfähigen Elements (2) um die erste Achse (A) und/oder um die zweite Achse (B) durch ein Posi- tionserkennungsbauteil (5) bestimmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zwei- te Aufhängungselement (4) das Positionserkennungsbauteil (5) aufweist.Plane substantially parallel to the inner frame (9), wherein the plane is spanned by a first axis (A) and a first axis (A) perpendicular to the second axis (B) and the oscillatory element (2) about both axes ( A, B) is oscillatable, wherein the oscillatory element (2) by means of the first suspension element (3) with the inner frame (9) is in communication and the inner frame (9) by means of the second suspension element (4) with a substrate (6 ), wherein a vibration of the oscillatory element (2) about the first axis (A) and / or about the second axis (B) is determinable by a position detection component (5), characterized in that the second Suspension element (4) has the position detection component (5).
2. Mikromechanisches Bauteil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude der Schwingungen des schwingfähigen Elements (2) um die erste Achse (A) und/oder um die zweite Achse (B) durch das Positionserkennungsbauteil (5) be- stimmbar ist.2. Micromechanical component (1) according to claim 1, characterized in that the amplitude of the oscillations of the oscillatory element (2) about the first axis (A) and / or about the second axis (B) by the position-detecting component (5) is tunable.
3. Mikromechanisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Aufhängungselement (4) einen Biegefeder- Teil (7) und/oder einen Torsions-Teil (8) aufweist.3. micromechanical component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the second suspension element (4) has a spiral spring part (7) and / or a torsion part (8).
4. Mikromechanisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegefeder- Teil (7) des zweiten Aufhängungselements (4) das Positionserkennungsbauteil (5) aufweist.4. micromechanical component (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the bending spring part (7) of the second suspension element (4), the position detection component (5).
5. Mikromechanisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Torsions-Teil (8) des zweiten Aufhängungselements (4) das Positionserkennungsbauteil (5) aufweist. 5. Micromechanical component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the torsion part (8) of the second suspension element (4) has the position detection component (5).
6. Mikromechanisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Positionserkennungsbauteil (5) die Torsion und/oder die Biegung des zweiten Aufhängungselements (4) bestimmbar ist.6. micromechanical component (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the torsion and / or the bending of the second suspension element (4) can be determined by the position detection component (5).
7. Mikromechanisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsion und/oder die Biegung des zweiten Aufhängungselements (4) eine mechanische Spannung im zweiten Aufhängungselement7. Micromechanical component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the torsion and / or the bending of the second suspension element (4) a mechanical stress in the second suspension element
(4) erzeugen, wobei die mechanische Spannung durch das Positionserkennungs- bauteil (5) piezoresistiv auswertbar ist.(4) generate, wherein the mechanical stress by the position detection component (5) is piezoresistively evaluable.
8. Mikromechanisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die piezoresistive Auswertung die Schwingung des schwingfähigen Elements (2) um die erste und/oder um die zweite Achse (A, B) und/oder die Amplitude der Schwingung um die erste und/oder um die zweite Achse8. micromechanical component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the oscillation of the oscillatory element (2) to the first and / or about the second axis (A, B) and / or the amplitude of the. By the piezoresistive evaluation Oscillation around the first and / or the second axis
(A, B) des schwingfähigen Elements (2) bestimmbar ist.(A, B) of the oscillatory element (2) can be determined.
9. Mikromechanisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biegefeder- Teil (7) ein erstes Positionserken- nungsbauteil (5) und der Torsions-Teil (8) ein zweites Positionserkennungsbauteil9. micromechanical component (1) according to any one of the preceding claims, characterized in that the Biegefeder- part (7) a first position detection component (5) and the torsion part (8) a second position detection component
(5) aufweisen, wobei das erste und das zweite Positionserkennungsbauteil (5) gleich oder unterschiedlich aufgebaut sind.(5), wherein the first and the second position detection component (5) are constructed the same or different.
10. Mikromechanisches Bauteil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass das schwingfähige Element (2) als spiegelnde Fläche ausgebildet ist.10. Micromechanical component (1) according to any one of the preceding claims, character- ized in that the oscillatory element (2) is formed as a reflective surface.
11. Verfahren zur Positionsdetektion eines schwingfähigen Elements (2) in einem mikromechanischen Bauteil (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingung des schwingfähigen Elements (2) um die erste Achse (A) und/oder um die zweite Achse (B) piezoresistiv durch das Positionserkennungsbauteil (5) detektiert wird, wobei das zweite Aufhängungselement (4) das Positionserkennungsbauteil (5) aufweist.11. A method for detecting the position of a vibratable element (2) in a micromechanical component (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the oscillation of the oscillatory element (2) about the first axis (A) and / or about the second axis (B) piezoresistively detected by the position detecting member (5), wherein the second suspension member (4) comprises the position detecting member (5).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Positionserkennungsbauteil (5) die Amplitude der Schwingung um die erste Achse (A) und/oder um die zweite Achse (B) des schwingfähigen Elements (2) bestimmt wird. 12. The method according to claim 11, characterized in that the amplitude of the oscillation about the first axis (A) and / or about the second axis (B) of the oscillatory element (2) is determined by the position detection component (5).
13. Verwendung des mikromechanischen Bauteils (1) gemäß Anspruch 10 als Mikro- spiegel.13. Use of the micromechanical component (1) according to claim 10 as a micromirror.
14. Verwendung des mikromechanischen Bauteils (1), gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in einem Sensor zur Positionsbestimmung und/oder Drehratenbestimmung. 14. Use of the micromechanical component (1), according to one of the preceding claims, in a sensor for position determination and / or rotation rate determination.
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