DE102022204443A1 - Mechanical systems with adjusted linearity - Google Patents

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Abstract

Ein mechanisches System weist eine Biegewandlerstruktur auf, die konfiguriert ist zum Bereitstellen einer Biegung ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal und/oder zum Bereitstellen eines elektrischen Signals ansprechend auf eine angewendete äußere Kraft, die die Biegung verursacht, wobei eine strukturelle Steifheit der Biegewandlerstruktur für einen ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag der Biegung sorgt. Das mechanische System weist eine Anpassungsstruktur auf, die durch mechanische Kopplung mechanisch an die Biegewandlerstruktur gekoppelt ist, um gemeinsam mit der Biegung eine Anpassungsverformung bereitzustellen. Eine strukturelle Steifheit der Anpassungsstruktur sorgt für einen zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag zu der Biegung auf der Basis der mechanischen Kopplung bei der Verformung.A mechanical system includes a bending transducer structure configured to provide a bend in response to an applied electrical signal and/or to provide an electrical signal in response to an applied external force causing the bend, wherein a structural rigidity of the bending transducer structure for a first nonlinear mechanical stiffness contribution of the bending. The mechanical system includes an conforming structure that is mechanically coupled to the bending transducer structure through mechanical coupling to provide conforming deformation along with the bending. Structural stiffness of the conforming structure provides a second nonlinear mechanical stiffness contribution to the bending based on mechanical coupling during deformation.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mechanische Systeme, die einen Biegewandler enthalten und eine Anpassungsstruktur enthalten, die einen Beitrag zu der Biegung des Biegewandlers bereitstellt, um beispielsweise das Biegeverhalten des Biegewandlers anzupassen. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Modulation der Antwort von Biegewandlersystemen auf der Basis einer Gestaltung von elementaren Zellen.The present invention relates to mechanical systems that include a bending transducer and include an adjustment structure that provides a contribution to the bending of the bending transducer, for example to adjust the bending behavior of the bending transducer. The present invention further relates to modulating the response of flexural transducer systems based on elementary cell design.

Ein bekanntes Konzept zur Entgegenwirkung einer Nichtlinearität in einer Antwort eines Wandlersystems, das eine nichtlineare mechanische Versteifung verwendet, ist durch den Stand der Technik und durch Veröffentlichungen (1-5) bekannt. Jedoch sind die meisten dieser Lösungen stark gestaltungsspezifisch mit einem eingeschränkten Anwendungsumfang und eingeschränkten Leistungsniveaus. Beispielsweise leiden die Biegewandlersysteme, die auf eine nichtlineare Versteifung durch Kontaktbildung und Kontaktevolution verlassen, z. B. Reißverschlussaktoren (Zipping-Aktoren) basierend auf elektrostatischer Betätigung, für gewöhnlich unter einer Bewegungshysterese aufgrund von Kontaktbildung und -bruch [4, 6-9], Instabilitäten durch elektrostatische Anziehung (bzw. Pull-in) [4, 6-8], Haftreibungsprobleme, abrupte Antwortänderung [6, 8, 10], notwendige Gestaltung auf der Basis von komplizierter Eigenspannungstechnik [7], Anforderungen für dedizierte externe Strukturen [1, 2, 3, 5, 11], usw.A well-known concept for counteracting nonlinearity in a response of a transducer system using nonlinear mechanical stiffening is known in the art and publications (1-5). However, most of these solutions are highly design specific with limited application scope and performance levels. For example, the bending transducer systems that rely on nonlinear stiffening through contact formation and contact evolution, e.g. B. Zipper actuators (zipping actuators) based on electrostatic actuation, usually subject to movement hysteresis due to contact formation and breakage [4, 6-9], instabilities due to electrostatic attraction (or pull-in) [4, 6-8] , static friction problems, abrupt response change [6, 8, 10], necessary design based on complicated residual stress engineering [7], requirements for dedicated external structures [1, 2, 3, 5, 11], etc.

In den meisten der Reißverschlusskonfigurationen wird eine gerichtete Ablenkung oder Bewegung eines bestimmten strukturellen Bereichs anstelle einer Biegekrümmung der gesamten Zell- / Komponentengeometrie verwendet. Eine simultane Modulation/Linearisierung von unterschiedlichen Systemantworten (Biegekrümmung, Biegemoment, bereitstellbare Kraft, Kapazitätsänderung, Bewegungsauflösung, Frequenzantwort, usw.) mit einem Betätigungssignal in solchen Konfigurationen ist schwierig (meistens werden in einer bestimmten Gestaltung lediglich eine oder mehr als zwei Antworten moduliert). Außerdem zeigen elektrostatische Reißverschlussaktoren eine Anziehinstabilität, die eine Steuerung derselben zu einer Herausforderung macht [12].In most of the zipper configurations, directional deflection or movement of a specific structural area is used instead of bending curvature of the entire cell/component geometry. Simultaneous modulation/linearization of different system responses (bending curvature, bending moment, available force, capacitance change, motion resolution, frequency response, etc.) with an actuation signal in such configurations is difficult (most often only one or more than two responses are modulated in a particular design). In addition, electrostatic zipper actuators exhibit tightening instability, which makes controlling them challenging [12].

Somit besteht ein Bedarf nach zuverlässigen und stabilen mechanischen Systemen. There is therefore a need for reliable and stable mechanical systems.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, zuverlässige und stabile mechanische Systeme bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gelöst.An object of the present invention is to provide reliable and stable mechanical systems. This task is solved by the subject matter of the present invention.

Eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Verhalten einer Biegewandlerstruktur angepasst werden kann, d. h. in Bezug auf eine Erhöhung oder Verringerung einer Linearität durch eine mechanische Kopplung der Biegewandlerstruktur an einer Anpassungsstruktur, die für eine Verformung zusammen mit der Biegung der Biegewandlerstruktur sorgt, wobei die Verformung der Anpassungsstruktur Kräfte zur Folge hat, die auf die Biegewandlerstruktur wirken und dadurch das Biegeverhalten anzupassen. Durch die Verwendung solch einer Anpassungsstruktur kann das Verhalten der Biegestruktur auf eine gewünschte Eigenschaft abgestimmt werden.One insight of the present invention is that the behavior of a flexural transducer structure can be customized, i.e. H. in relation to an increase or decrease in linearity by a mechanical coupling of the bending transducer structure to an adapting structure which ensures a deformation together with the bending of the bending transducer structure, the deformation of the adapting structure resulting in forces acting on the bending transducer structure and thereby the bending behavior to adapt. By using such an adaptation structure, the behavior of the bending structure can be tailored to a desired property.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist ein mechanisches System eine Biegewandlerstruktur auf, die konfiguriert ist zum Bereitstellen einer Biegung ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal und/oder zum Bereitstellen eines elektrischen Signals ansprechend auf eine angewendete äußere Kraft, die die Biegung verursacht, wobei eine strukturelle Steifheit der Biegewandlerstruktur für einen ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag der Biegung sorgt. Das mechanische System weist eine Anpassungsstruktur auf, die durch eine mechanische Kopplung mechanisch an die Biegewandlerstruktur gekoppelt ist, um eine Anpassungsverformung zusammen mit der Biegung bereitzustellen. Eine strukturelle Steifheit der Anpassungsstruktur sorgt für einen zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag zu der Biegung auf der Basis der mechanischen Kopplung bei Verformung. Die Kombination des ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags und des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags ermöglicht eine präzise Gestaltung und eine zuverlässige und stabile Struktur.According to one embodiment, a mechanical system includes a bending transducer structure configured to provide a bend in response to an applied electrical signal and/or to provide an electrical signal in response to an applied external force causing the bend, wherein a structural rigidity of the bending transducer structure ensures a first nonlinear mechanical stiffness contribution from the bend. The mechanical system includes an conforming structure that is mechanically coupled to the bending transducer structure through a mechanical coupling to provide conforming deformation along with the bending. Structural stiffness of the conforming structure provides a second nonlinear mechanical stiffness contribution to the bending based on mechanical coupling during deformation. The combination of the first nonlinear mechanical stiffness contribution and the second nonlinear mechanical stiffness contribution enables precise design and a reliable and stable structure.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist ein mechanisches System eine Biegewandlerstruktur auf, die konfiguriert ist zum nichtlinearen Verformen auf der Basis einer Biegung ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal und/oder für ein nichtlineares Bereitstellen eines elektrischen Signals ansprechend auf eine angewendete äußere Kraft, die die Biegung verursacht. Das mechanische System weist eine Anpassungsstruktur auf, die mechanisch mit der Biegewandlerstruktur gekoppelt ist, wobei die Biegung und eine Verformung der Anpassungsstruktur in kausaler Korrelation stehen, wobei die Verformungsanpassungsstruktur für eine nichtlineare Kraft für die Biegewandlerstruktur sorgt, die die Größenordnung einer Nichtlinearität in der Gesamtantwort reduziert. Auf der Basis der mechanischen Implementierung kann eine Linearisierung erhalten werden, was jedoch nicht notwendig ist. Auf der Basis von Federkonfigurationen kann eine gewünschte Erhöhung einer Nichtlinearität in Teilen des Antwortregimes erhalten werden. Dennoch kann dies im Vergleich zu Systemen ohne Feder auch zu einer Reduzierung einer Nichtlinearität in der Gesamtantwort führen.According to an embodiment of the present invention, a mechanical system includes a bending transducer structure configured to non-linearly deform based on bending in response to an applied electrical signal and/or for non-linearly providing an electrical signal in response to an applied external force that the Bending caused. The mechanical system includes an accommodation structure mechanically coupled to the flexure transducer structure, the bending and deformation of the accommodation structure being causally correlated, the deformation accommodation structure providing a nonlinear force to the flexural transducer structure that reduces the magnitude of nonlinearity in the overall response . Based on the mechanical implementation, linearization can be obtained, but this is not necessary. Based on spring configurations, a desired increase in nonlinearity in parts of the response regime can be obtained. Nevertheless, this can be compared to systems without a spring also lead to a reduction in nonlinearity in the overall response.

Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Produzieren und/oder Steuern eines mechanischen Systems.Further embodiments relate to a method for producing and/or controlling a mechanical system.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.Advantageous embodiments of the present invention are defined in the dependent claims.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausführlich unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, bei denen:

  • 1a zeigt eine schematische Seitenansicht eines Biegewandlersystems, das eine Anpassungsstruktur außerhalb eines aktiven Bereichs eines Biegewandlers aufweist, die konfiguriert ist zum Kontaktieren des aktiven Bereichs des Biegewandlers, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 1b zeigt eine schematische Seitenansicht eines Biegewandlersystems, das eine Anpassungsstruktur außerhalb eines aktiven Bereichs eines Biegewandlers aufweist, die konfiguriert ist zum Nichtkontaktieren des aktiven Bereichs des Biegewandlers, gemäß einem Ausführungsbeispiel.
  • 1c zeigt eine schematische Seitenansicht eines Biegewandlersystems, das eine Anpassungsstruktur in einem Volumen eines aktiven Bereichs eines Biegewandlers aufweist, die konfiguriert ist zum Kontaktieren des aktiven Bereichs des Biegewandlers, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 1d zeigt eine schematische Seitenansicht eines Biegewandlersystems, das eine Anpassungsstruktur in einem Volumen eines aktiven Bereichs eines Biegewandlers aufweist, die konfiguriert ist zum Nichtkontaktieren des aktiven Bereichs des Biegewandlers, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein mechanisches System gemäß einem Ausführungsbeispiel, das zwei Biegeelemente als Teil der Biegewandlerstruktur aufweist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 2b-e zeigen unterschiedliche Konfigurationen von mechanischen Systemen gemäß Ausführungsbeispielen, eine Mehrzahl von Zellen gemäß 2a in unterschiedlichen Konfigurationen gemäß Ausführungsbeispielen;
  • 2f-g zeigen unterschiedliche Modifizierungen des mechanischen Systems aus 2a gemäß Ausführungsbeispielen;
  • 3a-d zeigen schematische Ansichten mechanischer Systeme gemäß Ausführungsbeispielen, die zumindest einen Teil der Anpassungsstruktur als eine Schicht auf einem Biegeelement der Biegewandlerstruktur aufweisen;
  • 3f-g zeigen schematische Ansichten mechanischer Systeme gemäß Ausführungsbeispielen, die eine Anpassungsstruktur aufweisen, die zumindest einen Teil einer Nut/Feder-Struktur aufweist;
  • 4a-b zeigen schematische Ansichten mechanischer Systeme gemäß Ausführungsbeispielen, die eine unterschiedliche Steifheit unterschiedlicher Biegeelementabschnitte der Biegewandlerstruktur aufweisen;
  • 5a-b zeigen schematische Ansichten mechanischer Systeme gemäß Ausführungsbeispielen, die gekantete Biegeelemente der Biegestruktur aufweisen;
  • 6a zeigt eine schematische Ansicht einer Doppelkuppel-Konfiguration eines mechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 6b-e zeigen schematische Diagramme von Biegeverhalten des mechanischen Systems aus 6a;
  • 7a-d zeigen schematische Ansichten von Biegewandlersystemen gemäß Ausführungsbeispielen, bei denen die Anpassungsstruktur außerhalb eines Volumens des aktiven Bereichs des Biegewandlers angeordnet ist;
  • 8a-b zeigen schematische Ansichten mechanischer Systeme gemäß Ausführungsbeispielen, die eine Anpassungsstruktur aufweisen, die eine nichtlineare Feder aufweist;
  • 8c zeigt ein schematisches Diagramm eines Biegeverhaltens des mechanischen Systems aus 8b;
  • 8d zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine Anpassungsstruktur aufweist, die eine mehrschichtige nichtlineare Feder aufweist;
  • 8e-g zeigen schematische Ansichten mechanischer Systeme gemäß Ausführungsbeispielen, bei denen die Anpassungsstruktur auf zwei äußeren Seiten der Biegewandlerstruktur angeordnet ist;
  • 9a-c zeigen schematische Ansichten mechanischer Systeme gemäß Ausführungsbeispielen, die zumindest zwei Biegewandlerstrukturen aufweisen; und
  • 10a-c zeigen schematische Ansichten mechanischer Systeme gemäß Ausführungsbeispielen, die unterschiedliche Betätigungsprinzipien implementieren.
Embodiments of the present invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings, in which:
  • 1a shows a schematic side view of a bending transducer system having a matching structure outside an active region of a bending transducer configured to contact the active region of the bending transducer, according to an embodiment;
  • 1b 1 shows a schematic side view of a flexural transducer system that includes a matching structure outside an active region of a flexural transducer configured to non-contact the active region of the flexural transducer, according to an embodiment.
  • 1c 1 shows a schematic side view of a flexural transducer system that includes a matching structure in a volume of an active region of a flexural transducer configured to contact the active region of the flexural transducer, according to an embodiment;
  • 1d 1 shows a schematic side view of a flexural transducer system that includes an accommodation structure in a volume of an active region of a flexural transducer configured to non-contact the active region of the flexural transducer, according to an embodiment;
  • 2a shows a schematic top view of a mechanical system according to an exemplary embodiment, which has two bending elements as part of the bending transducer structure, according to an exemplary embodiment;
  • 2b-e show different configurations of mechanical systems according to exemplary embodiments, according to a plurality of cells 2a in different configurations according to exemplary embodiments;
  • 2f-g show different modifications of the mechanical system 2a according to exemplary embodiments;
  • 3a-d show schematic views of mechanical systems according to exemplary embodiments that have at least a part of the adaptation structure as a layer on a bending element of the bending transducer structure;
  • 3f-g show schematic views of mechanical systems according to exemplary embodiments that have an adaptation structure that has at least part of a tongue and groove structure;
  • 4a-b show schematic views of mechanical systems according to exemplary embodiments that have different stiffness of different bending element sections of the bending transducer structure;
  • 5a-b show schematic views of mechanical systems according to exemplary embodiments that have folded bending elements of the bending structure;
  • 6a shows a schematic view of a double dome configuration of a mechanical system according to an embodiment;
  • 6b-e show schematic diagrams of the bending behavior of the mechanical system 6a ;
  • 7a-d show schematic views of bending transducer systems according to exemplary embodiments in which the adaptation structure is arranged outside a volume of the active region of the bending transducer;
  • 8a-b show schematic views of mechanical systems according to embodiments that include an adjustment structure that includes a nonlinear spring;
  • 8c shows a schematic diagram of a bending behavior of the mechanical system 8b ;
  • 8d shows a schematic view of a mechanical system according to an embodiment having an adjustment structure that includes a multi-layer nonlinear spring;
  • 8e-g show schematic views of mechanical systems according to exemplary embodiments in which the adaptation structure is arranged on two outer sides of the bending transducer structure;
  • 9a-c show schematic views of mechanical systems according to exemplary embodiments that have at least two bending transducer structures; and
  • 10a-c show schematic views of mechanical systems according to execution examples that implement different operating principles.

Gleiche oder äquivalente Elemente oder Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktionalität sind in der folgenden Beschreibung mit gleichen oder äquivalenten Bezugszeichen versehen, auch wenn sie in unterschiedlichen Figuren auftreten.The same or equivalent elements or elements with the same or equivalent functionality are provided with the same or equivalent reference numerals in the following description, even if they appear in different figures.

In der folgenden Beschreibung ist eine Mehrzahl von Details dargelegt, um eine umfassendere Erläuterung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Jedoch ist es Fachleuten ersichtlich, dass Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen in Blockdiagrammform anstatt im Detail gezeigt, um eine Verschleierung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zu vermeiden. Zusätzlich dazu können Merkmale der im Folgenden beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden, sofern dies nicht spezifisch anders angegeben ist.In the following description, a variety of details are presented to provide a more complete explanation of embodiments of the present invention. However, it will be apparent to those skilled in the art that embodiments of the present invention may be practiced without these specific details. In other instances, known structures and devices are shown in block diagram form rather than in detail to avoid obscuring embodiments of the present invention. In addition, features of the different exemplary embodiments described below can be combined with one another unless specifically stated otherwise.

Im Folgenden werden mechanische Systeme beschrieben. Ein Teil der im Folgenden dargelegten Offenbarung bezieht sich auf mikromechanische Systeme (MMS), und insbesondere auf mikroelektromechanische Systeme (MEMS) und nanoelektromechanische Systeme (NEMS). Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf Mikromaschinen beschränkt. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Beeinflussung des Biegeverhaltens einer Biegewandlerstruktur, die ein nichtlineares Auslenkungsverhalten aufweist, mit einer anderen Struktur, die mechanisch mit der Wandlerstruktur gekoppelt ist, um das Biegeverhalten durch das Einführen zusätzlicher Kräfte anzupassen. Solch ein Einfluss kann für mikromechanische Systeme sowie für mikromechanische Systeme oder im Allgemeinen für mechanische Systeme implementiert werden.Mechanical systems are described below. Part of the disclosure set forth below relates to micromechanical systems (MMS), and in particular to microelectromechanical systems (MEMS) and nanoelectromechanical systems (NEMS). However, the present invention is not limited to micromachines. Embodiments of the present invention relate to influencing the bending behavior of a bending transducer structure that has a nonlinear deflection behavior with another structure that is mechanically coupled to the transducer structure to adjust the bending behavior by introducing additional forces. Such an influence can be implemented for micromechanical systems as well as for micromechanical systems or in general for mechanical systems.

Einige der im Folgenden dargelegten Figuren beziehen sich auf Biegewandler, die dazu konfiguriert sind, planar in Bezug auf einen Stapel von Schichten auszulenken, was insbesondere im technischen Gebiet von MEMS veranschaulicht wird. Jedoch sind die hierin dargelegten Ausführungsbeispiele nicht auf eine planare Auslenkung beschränkt. Auf der Basis einer frei auswählbaren Konfiguration einer Klemmung und/oder Wölbungsrichtung kann jede Richtung, z. B. planar oder außerplanar, realisiert werden.Some of the figures presented below relate to bending transducers configured to deflect planarly with respect to a stack of layers, which is particularly illustrated in the technical field of MEMS. However, the embodiments presented herein are not limited to planar deflection. Based on a freely selectable configuration of a clamping and/or arching direction, any direction, e.g. B. planar or extra-planar.

Typische Abmessungen (nicht notwendigerweise die Grenzen) von hierin dargelegten Strukturen unterschiedlicher Ausführungsbeispiele sind:

  1. A. MEMS-/NEMS-Bereich:
    1. 1. Isolator / dielektrische Schichten: Breite: 10 nm - 10 µm (Höhe und Länge sind normalerweise gleich wie die Biegezellenabmessungen)
    2. 2. Elektrodenabmessungen: Breite: 10 nm - 100 µm (Höhe und Länge sind normalerweise gleich wie die Biegezellenabmessungen)
    3. 3. Abmessungen von Luftzwischenräumen: Breite: 10 nm - 100 µm (Höhe und Länge sind normalerweise gleich wie die Biegezellenabmessungen)
    4. 4. Zellabmessungen: Länge: 10 nm - 10 mm; Breite: 50 nm - 500 µm; Höhe: 10 nm-10 mm, Länge ist normalerweise gleich wie die Biegezellenabmessungen;
  2. B. Makroebene: alle Abmessungen können von wenigen mm bis mehrere cm reichen.
Typical dimensions (not necessarily the limits) of structures of various embodiments set forth herein are:
  1. A. MEMS/NEMS area:
    1. 1. Insulator/dielectric layers: Width: 10nm - 10µm (Height and length are usually the same as the bending cell dimensions)
    2. 2. Electrode dimensions: Width: 10 nm - 100 µm (height and length are usually the same as the bending cell dimensions)
    3. 3. Air gap dimensions: Width: 10 nm - 100 µm (height and length are usually the same as the bending cell dimensions)
    4. 4. Cell dimensions: Length: 10 nm - 10 mm; Width: 50 nm - 500 µm; Height: 10nm-10mm, length is usually the same as the bending cell dimensions;
  2. B. Macro level: all dimensions can range from a few mm to several cm.

Spannungsbereiche:Voltage ranges:

  1. A. MEMS/NEMS: 0 - 500 VA. MEMS/NEMS: 0 - 500V
  2. B: Gestaltungen auf Makroebene: 0 - 10.000 V (normalerweise bis elektrischer Durchschlag von verwendetem Isolator / Luftzwischenraum erreicht wird)B: Macro-level designs: 0 - 10,000 V (typically until electrical breakdown of used insulator/air gap is achieved)

Materialien:Materials:

A. Mögliche Materialien für MEMS/NEMS (die genannten sind hauptsächlich CMOSkompatibel, dies ist jedoch keine notwendige Bedingung):

  1. 1. Elektroden: hochdotierte Halbleiter (Si, GaAs, usw.), Metalle (Aluminium (Al), Wolfram (W), TiAl, usw.), leitfähige Polymere / Polymere beschichtet mit Metall (bei Produktion basierend auf Additivherstellung), kunststoffbasierte Materialien, piezoelektrische Keramiken, usw.
  2. 2. Dielektrikum: Al2O3, SiO2, Si3N4, Polymere (bei Produktion basierend auf Additivherstellung), usw.
A. Possible materials for MEMS/NEMS (those mentioned are mainly CMOS compatible, but this is not a necessary condition):
  1. 1. Electrodes: highly doped semiconductors (Si, GaAs, etc.), metals (aluminum (Al), tungsten (W), TiAl, etc.), conductive polymers / polymers coated with metal (in production based on additive manufacturing), plastic-based materials , piezoelectric ceramics, etc.
  2. 2. Dielectric: Al2O3, SiO2, Si3N4, polymers (for production based on additive manufacturing), etc.

B. Mögliche Materialien für Makroebene:

  1. 1. Elektroden: alle Metalle/Leiter (Stahl, Al, usw.) oder leitfähige Polymere / Polymere beschichtet mit Metall (bei Produktion basierend auf Additivherstellung)
  2. 2. Dielektrikum: Al2O3, SiO2, Si3N4, Polymere (bei Produktion basierend auf Additivherstellung), Keramiken, usw.
B. Possible materials for macro level:
  1. 1. Electrodes: all metals/conductors (steel, Al, etc.) or conductive polymers/polymers coated with metal (for production based on additive manufacturing)
  2. 2. Dielectric: Al2O3, SiO2, Si3N4, polymers (for production based on additive manufacturing), ceramics, etc.

Mögliche Produktionsprozesse (jedoch nicht die einzigen):Possible production processes (but not the only ones):

A. MEMS/NEMS:

  1. 1. Planare Biegestrukturen: standardmäßige Mengenmikrobearbeitungsprozesse für einzelne kristalline Wafer (z. B. SOI-Wafer-DRIE, ALD, chemische Nassätzung über TMAH, usw.), hochauflösende Additivherstellung mit Drucken von leitfähigem Material / Metallbeschichtung von Polymeren zusammen mit konformen Abscheidungsprozessen für dielektrisches Material (z. B. ALD).
  2. 2. Außerplanare Biegestrukturen: Oberflächenmikrobearbeitungsprozesse, Kristallines-Silizium-Wafer-Bonding von zwei Schichten und Strukturieren derselben durch DRIE und anisotrope TMAH-Ätzprozesse, hochauflösende Additivherstellung mit Drucken von leitfähigem Material / Metallbeschichtung von Polymeren zusammen mit konformen Abscheidungsprozessen für dielektrisches Material (z. B. ALD).
A. MEMS/NEMS:
  1. 1. Planar bending structures: standard volume micromachining processes for one single crystalline wafers (e.g. SOI wafer DRIE, ALD, wet chemical etching via TMAH, etc.), high resolution additive manufacturing with conductive material printing/metal plating of polymers along with conformal dielectric material deposition processes (e.g. ALD) .
  2. 2. Extra-planar bending structures: surface micromachining processes, crystalline silicon wafer bonding of two layers and patterning the same by DRIE and anisotropic TMAH etching processes, high-resolution additive manufacturing with printing of conductive material / metal coating of polymers along with conformal deposition processes for dielectric material (e.g .ALD).

B. Makroskala:

  1. 1. Additivherstellungsprozesse (mit Drucken von leitfähigem Material / Metallbeschichtung von Polymeren)
  2. 2. Hochpräzise mechanische Herstellungsprozesse wie Spritzgießen, hochpräzise maschinelle Bearbeitung wie CNC, usw.
B. Macro scale:
  1. 1. Additive manufacturing processes (with printing of conductive material / metal coating of polymers)
  2. 2. High-precision mechanical manufacturing processes such as injection molding, high-precision machining such as CNC, etc.

Ein Biegewandlersystem kann als mechanisches System oder zumindest als Teil davon verstanden werden. Solche hierin beschriebenen Systeme können einen aktiven Bereich aufweisen, der einen elektrostatischen Zwischenraum und potenzialführende Elektroden, z. B. für NED, und/oder potenzialführende Elektroden für Aktoren, wie Piezokonfigurationen und thermische Konfigurationen aufweist oder dadurch definiert wird. Es ist zu beachten, dass hierin beschriebene Anpassungsstrukturen weiterhin Teil der gesamten Zelle (= gesamte Biegewandlerstruktur) sein können, da sie im Vergleich zu Fällen, wenn sie nicht vorhanden sind (obwohl sie dennoch inaktive Teile einer Zelle sind, da sie möglicherweise keine Potenzialdifferenz in Bezug auf einen aktiven Bereich aufweisen und hauptsächlich als Lasten oder Systeme für mechanische Rückkopplung beitragen) immer einen kausalen direkten/indirekten Einfluss auf die Zellantwort bei Biegung haben werden. Die Anpassungsstruktur kann somit als Teil einer Zelle angesehen werden, unabhängig davon, ob sie innerhalb oder außerhalb des aktiven Bereichs angeordnet ist oder sich dort befindet.A bending transducer system can be understood as a mechanical system or at least as part of it. Such systems described herein may include an active region that includes an electrostatic gap and potential-carrying electrodes, e.g. B. for NED, and / or potential-carrying electrodes for actuators, such as piezo configurations and thermal configurations or is defined thereby. It should be noted that matching structures described herein may still be part of the entire cell (=entire bending transducer structure) as compared to cases when they are not present (although they are still inactive parts of a cell as there may be no potential difference in it). reference to an active area and contribute primarily as loads or mechanical feedback systems) will always have a causal direct/indirect influence on the cell response to bending. The adaptation structure can thus be viewed as part of a cell, regardless of whether it is arranged or located inside or outside the active area.

Hierin dargelegte Ausführungsbeispiele beziehen sich für gewöhnlich auf eine mechanische Kopplung einer Biegewandlerstruktur mit einer Anpassungsstruktur. Die Ausführungsbeispiele können sich voneinander auf der Basis mehrerer Kriterien unterscheiden. Darunter besteht die Aufnahme der Anpassungsstruktur in ein Volumen der Biegewandlerstruktur, beispielsweise ob die Anpassungsstruktur „in“ dem Volumen der Biegewandlerstruktur ist oder nicht. Ein weiteres Kriterium besteht darin, ob die Anpassungsstruktur dazu angepasst ist, für eine Kontaktbildung, z. B. Reißverschluss (bzw. Zipping) mit einer anderen Struktur, etwa der Biegewandlerstruktur, zu sorgen oder nicht, oder alternativ dazu, ob eine Kopplungsfläche sich verändert oder nicht. Das Letztere ermöglicht eine hochflexible Anpassung des mechanischen Systems im Hinblick auf sein Verhalten. Im Einzelnen kann eine Linearität oder eine Nichtlinearität des mechanischen Gesamtsystems auch auf der Basis davon beeinflusst werden, ob es eine (Änderung einer) Kontaktbildung aufweist oder nicht.Embodiments presented herein typically relate to a mechanical coupling of a flexural transducer structure to an accommodation structure. The embodiments may differ from each other based on several criteria. This includes the inclusion of the adaptation structure in a volume of the bending transducer structure, for example whether the adaptation structure is “in” the volume of the bending transducer structure or not. Another criterion is whether the adaptation structure is adapted for contact formation, e.g. B. zipper (or zipping) with a different structure, such as the bending transducer structure, or not, or alternatively, whether a coupling surface changes or not. The latter enables highly flexible adjustment of the mechanical system in terms of its behavior. In particular, a linearity or a nonlinearity of the overall mechanical system can also be influenced on the basis of whether it has (change in) contact formation or not.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Biegewandlerstruktur. Die mechanische Kopplung der Anpassungsstruktur kann sich zumindest bei einigen Ausführungsbeispielen auf eine Kopplung der Anpassungsstruktur an zwei unzusammenhängende Bereiche der Biegewandlerstruktur beziehen, etwa an beide Enden derselben. In solch einem Fall kann die Anpassungsstruktur als eine Art von paralleler Verbindung mit der Biegewandlerstruktur wirken, anstatt einen zusätzlichen Tragepunkt oder eine Verbindung mit einem Substrat oder dergleichen bereitzustellen.Embodiments of the present invention relate to a flexural transducer structure. The mechanical coupling of the adaptation structure can, at least in some embodiments, refer to a coupling of the adaptation structure to two disjointed regions of the bending transducer structure, for example at both ends thereof. In such a case, the conforming structure may act as a type of parallel connection to the flexural transducer structure, rather than providing an additional support point or connection to a substrate or the like.

Die Erfindung befasst sich mit Biegewandlerkonfigurationen, die als Aktor, Sensor oder beides arbeiten können und ihr Anwendungsbereich liegt hauptsächlich im Bereich von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS), ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Erfindung bezieht sich auf alle Biegebetätigungsprinzipien, wie etwa elektrostatisch, piezoelektrisch, elektrothermisch, elektroaktive Polymeraktoren (z. B. dielektrische Elastomeraktoren (DEAs, Dielectric Elastomer Actuators)), usw. und gebräuchlich verwendete Erfassungsmechanismen, wie etwa kapazitive Erfassung, piezoresistive Erfassung, piezoelektrische Erfassung, usw.The invention is concerned with bending transducer configurations that can operate as an actuator, sensor or both and its scope is primarily in the field of microelectromechanical systems (MEMS), but is not limited thereto. The invention relates to all bending actuation principles such as electrostatic, piezoelectric, electrothermal, electroactive polymer actuators (e.g. dielectric elastomer actuators (DEAs), etc. and commonly used sensing mechanisms such as capacitive sensing, piezoresistive sensing, piezoelectric capture, etc.

Bei zahlreichen Biegewandlersystemen, z. B. bei elektrostatische Biegewandlern [13], weisen die Antworten wie etwa Biegekrümmung, Biegemoment, zuführbare Kraft, Kapazitätsänderung, usw. eine nichtlineare Beziehung mit dem angelegten Wandlersignal und/oder einer Lastbedingung auf. Dies führt oft zu einer komplexen Ansteuerung, Auslesung und/oder Steuerung für derartige Systeme. Die Erfindung präsentiert Konzepte zum Modulieren der Antwort des Biegesystems mit dem Wandlersignal und/oder einer Lastbedingung, um die Größenordnung der Nichtlinearität aufzuheben oder zu reduzieren. Dies wird hauptsächlich mittels einer Änderung der mechanischen Steifheit (linear/nichtlinear) der elementaren Biegezellen und/oder der Geometrie der Elektroden, mit dem angelegten Wandlersignal und/oder der Lastbedingung erreicht. Bei den vorgestellten Konfigurationen gibt es auch inhärente Möglichkeiten eines Erfassungsmechanismus mit Linearität oder reduzierter Größenordnung einer Nichtlinearität. Somit kann die Antwortmodulation effektiv verwendet werden, um die erforderlichen Ansteuerungs-, Erfassungs- und/oder Steuersysteme zu vereinfachen. Außerdem kann die vorliegende Erfindung auch für Biegewandlersysteme verwendet werden, die die erzeugte Antwort über die Änderung einer Biegezellensteifheit und/oder einer Geometrie der Elektroden für eine bestimmte Anwendungsanforderung modulieren muss, z. B. eine Reduzierung der erzeugten bereitstellbaren Ist-Kraft in einem spezifischen Bereich eines angelegten Wandlersignals für elektrothermische Biegewandler, die für eine Erzeugung hoher Kräfte für kleine Spannungsänderungen bekannt sind, für eine bessere und gesteuerte Handhabbarkeit empfindlicher biologischer Proben.In numerous bending transducer systems, e.g. B. in electrostatic bending transducers [13], the responses such as bending curvature, bending moment, deliverable force, capacitance change, etc. have a non-linear relationship with the applied transducer signal and/or a load condition. This often leads to complex activation, reading and/or control for such systems. The invention presents concepts for modulating the response of the bending system with the transducer signal and/or a load condition to eliminate or reduce the magnitude of the nonlinearity. This is achieved primarily by changing the mechanical stiffness (linear/nonlinear) of the elementary bending cells and/or the geometry of the electrodes, with the applied transducer signal and/or the loading condition. In the presented configurations there are also inherent possibilities of a detection mechanism with Linea rity or reduced magnitude of a nonlinearity. Thus, response modulation can be effectively used to simplify the required driving, sensing and/or control systems. Additionally, the present invention may also be used for bending transducer systems that need to modulate the generated response via changing a bending cell stiffness and/or geometry of the electrodes for a particular application requirement, e.g. B. a reduction of the generated available actual force in a specific range of an applied transducer signal for electrothermal bending transducers, which are known for generating high forces for small voltage changes, for better and controlled handling of sensitive biological samples.

Einer der Hauptvorteile der Erfindung besteht darin, dass die erforderliche Antwortmodulation direkt aus der Konfiguration der elementaren Zellen des Biegewandlers stammt und somit einen hohen Freiheitsgrad bei der Gestaltung und Leistung des Biegewandlers bereitstellt. Außerdem kann die Fläche/das Volumen, die bzw. das erforderlich ist zum Implementieren des Systems, effizienter optimiert werden, während erforderliche Leistungsniveaus erzielt werden, insbesondere im Vergleich zu Konfigurationen, die extern dedizierte Lastmechanismen verwenden, um eine Systemantwort zu modulieren [1, 11].One of the main advantages of the invention is that the required response modulation comes directly from the configuration of the elementary cells of the bending transducer, thus providing a high degree of freedom in the design and performance of the bending transducer. Additionally, the area/volume required to implement the system can be optimized more efficiently while achieving required performance levels, particularly when compared to configurations that use externally dedicated loading mechanisms to modulate a system response [1, 11 ].

Somit kann die Erfindung dazu verwendet werden, alle Schemata / Mechanismen von Biegewandlern optimieren, was eine Modulation einer Systemantwort und/oder eine Linearisierung in Bezug auf ein angelegtes Wandlersignal (Betätigungs- und/oder Auslesesignal) und/oder eine Lastbedingung erfordert. Ferner sind die dargelegten grundlegenden Konzepte, um eine Antwortmodulation auf elementarer Ebene zu erhalten, in der Erfindung nicht nur auf Biegekonfiguration beschränkt, sondern können auch auf andere Wandlersysteme erweitert werden, insbesondere dort, wo die Systemantwort auf der Basis einer Änderung der mechanischen Steifheit (linear/nichtlinear) und/oder Verformung von Elektroden zu modulieren ist, was aus der Gestaltung der grundlegenden Elementzellen stammt.Thus, the invention can be used to optimize any bending transducer scheme/mechanism that requires modulation of a system response and/or linearization with respect to an applied transducer signal (actuation and/or readout signal) and/or a load condition. Furthermore, the basic concepts presented to obtain response modulation at an elementary level in the invention are not only limited to bending configuration, but can also be extended to other transducer systems, especially where the system response is based on a change in mechanical stiffness (linear /nonlinear) and/or to modulate deformation of electrodes, which comes from the design of the basic element cells.

Da die Erfindung auf die grundlegende elementare Ebene des Wandlers anwendbar ist, kann sie in zahlreichen Anwendungen und Vorrichtungen eingesetzt werden, wie etwa in MEMS-Mikropositioniersystemen, in MEMS-Pumpen, in optischen MEMS-Schaltern, in MEMS-Kapazitätsdioden, MEMS-Energiesammlern, usw.Since the invention is applicable to the basic elementary level of the transducer, it can be used in numerous applications and devices such as MEMS micropositioning systems, MEMS pumps, MEMS optical switches, MEMS capacitance diodes, MEMS energy harvesters, etc.

Die Erfindung bezieht sich im Einzelnen auf elektrostatische Biegeaktoren wie etwa nanoskopische elektrostatische Antriebe (NED, Nanoscopic Electrostatic Drive), die im Patent WO 2012/095185 A1 beschrieben sind [14].The invention relates specifically to electrostatic bending actuators such as nanoscopic electrostatic drives (NED, Nanoscopic Electrostatic Drive), which are described in the patent WO 2012/095185 A1 are described [14].

Die in dieser Erfindung dargelegten unterschiedlichen Gestaltungskonfigurationen stellen die Möglichkeiten einer Lösung der obigen Probleme bereit. Für die elektrostatischen Konfigurationen mit dem kontaktbasierten Betrieb in dieser Erfindung kann die Kontaktbildung mit/ohne Nutzung eines Anzieheffekts (bzw. Pull-in-Effekts) erzielt werden. Für Konfigurationen ohne die Nutzung eines Anzieheffekts können die Anzieh-basierten Gestaltungsherausforderungen und zugehörigen Nichtlinearitäten in der Gestaltung vermieden werden, und ein langsamer und reibungsloser Übergang in den Bereich der Antwortmodulation/- linearisierung kann erhalten werden. Wenn jedoch ein abrupter Übergang in den Kontaktbereich zur Antwortmodulation/-linearisierung erforderlich ist und ein schneller Kontaktbruch benötigt wird, um Wahrscheinlichkeiten permanenter Haftreibung zu reduzieren, kann auch ein Anzieheffekt verwendet werden. In den Konfigurationen auf der Basis einer Biegefeder (mit/ohne Rückkopplung zu den Zellelektroden) kann eine nichtlineare Versteifung in einer Biegezelle auch ohne Kontaktbildung erzielt werden, womit es somit keine Probleme hinsichtlich Reibungshaftung, kontaktbasierter Bewegungshysterese, usw. gibt. Außerdem weist eine Frequenzantwort in derartigen Konfigurationen keine plötzlichen Störungen aufgrund einer Kontaktbildung auf.The different design configurations set forth in this invention provide the possibilities of solving the above problems. For the electrostatic configurations with contact-based operation in this invention, contact formation can be achieved with/without using a pull-in effect. For configurations without the use of a tightening effect, the tightening-based design challenges and associated design nonlinearities can be avoided, and a slow and smooth transition into the response modulation/linearization realm can be obtained. However, if an abrupt transition into the contact region is required for response modulation/linearization and a rapid contact break is needed to reduce probabilities of permanent stiction, a tightening effect can also be used. In the configurations based on a bending spring (with/without feedback to the cell electrodes), non-linear stiffening in a bending cell can be achieved even without contact formation, which means that there are no problems with frictional adhesion, contact-based motion hysteresis, etc. Furthermore, a frequency response in such configurations does not exhibit sudden disturbances due to contact formation.

Die Erfindung kann dazu verwendet werden, eine Nichtlinearität zu reduzieren und/oder einen Effekt einer Bewegungshysterese (insbesondere bei Konfigurationen mit mechanischer Rückkopplung zu Zellelektroden) in DEAs und auch Piezoaktoren zu modulieren. Sie kann außerdem dazu verwendet werden, die bereitgestellte Kraft zu reduzieren und/oder eine Bewegungsauflösung für Biegesysteme auf der Basis elektrothermischer Aktoren zu erhöhen (wenn dies für bestimmte Anwendungen erforderlich ist).The invention can be used to reduce nonlinearity and/or modulate an effect of motion hysteresis (particularly in configurations with mechanical feedback to cell electrodes) in DEAs and also piezo actuators. It can also be used to reduce the force provided and/or increase motion resolution for bending systems based on electrothermal actuators (if required for specific applications).

WO 2020 078541 A1 : In diesem Dokument wurden spezifische Biegezellkonfigurationen Steuerung auf der Basis einer Steuerung mit spezialisierten Antriebssignalen implementiert, um eine Linearität in elektrostatischen Biegeaktorzellen zu erzielen (die für gewöhnlich eine stark nichtlineare Antwort aufweisen [13, 14]). Die Linearisierung wird unter Verwendung einer bestimmten Zellgeometrie und eines Betriebes derselben in einem bestimmten Bereich einer Aktorantwort erzielt. Eine spezielle Konfiguration von Antriebssignalen mit einer sehr spezifischen Konfiguration mit drei oder mehr Elektroden ist erforderlich (für die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise erforderlich). Der nutzbare Bereich für Linearisierung und Antwort ist im Vergleich zur vorliegenden Erfindung stärker eingeschränkt. Außerdem werden erzielte Kräfte im Vergleich zu kontaktbasierten Konfigurationen, die in dieser Erfindung vorgestellt sind, geringer sein und somit können in der vorliegenden Erfindung höhere Biegekrümmungen und Auslenkungen erzielt werden. WO 2020 078541 A1 : In this paper, specific bending cell configurations based on control with specialized drive signals were implemented to achieve linearity in electrostatic bending actuator cells (which usually have a highly nonlinear response [13, 14]). Linearization is achieved using a specific cell geometry and operating it in a specific range of actuator response. A special configuration of drive signals with a very specific configuration with three or more electrodes is required (not necessarily required for the present invention). The usable area for linearization and response is in ver similar to the present invention, more limited. Additionally, forces achieved will be lower compared to contact-based configurations presented in this invention and thus higher bending curvatures and deflections can be achieved in the present invention.

Patent US 7,679,261 B2 : In diesem Dokument wird eine Schwenkkonfiguration zusammen mit einer Reißverschlussbetätigung verwendet, um mehrere Bewegungsgrade zu erzeugen. Das System erfordert eine spezielle Konfiguration und stellt keine Reduzierung einer Nichtlinearität einer Systemantwort sicher. Die vorliegende Erfindung verwendet einen sehr unterschiedlichen Ansatz, um einer Nichtlinearität entgegenzuwirken, und erfordert die darin besprochene spezifische Konfiguration nicht.patent US 7,679,261 B2 : In this document, a pivot configuration is used along with a zipper actuation to create multiple degrees of motion. The system requires special configuration and does not ensure reduction of nonlinearity of a system response. The present invention uses a very different approach to counteract nonlinearity and does not require the specific configuration discussed therein.

US 2021/061648 A1 : In diesem Dokument wird eine elektrodynamische Levitation verwendet, um einem Anzieheffekt und einer Nichtlinearität elektrostatischer Wandler entgegenzuwirken. Jedoch benötigt das System eine sehr spezialisierte Gestaltungskonfiguration (somit besteht ein beschränkter Gestaltungsfreiraum) und ein kompliziertes Steuerschema mit sehr hohen Ansteuerspannungen. Die vorliegende Erfindung benutzt einen sehr unterschiedlichen Ansatz, um einer Nichtlinearität entgegenzuwirken, und erfordert kein kompliziertes Ansteuerschema. US 2021/061648 A1 : In this paper, electrodynamic levitation is used to counteract attraction effect and nonlinearity of electrostatic transducers. However, the system requires a very specialized design configuration (thus there is limited design freedom) and a complicated control scheme with very high drive voltages. The present invention uses a very different approach to counteract nonlinearity and does not require a complicated driving scheme.

US 10,693,393 B2 und US 2019/036463 A1 : In diesen Dokumenten wird eine Tri-Elektroden-Konfiguration mit einem spezifischen Ansteuerschema verwendet, um einem Anzieheffekt entgegenzuwirken und eine reduzierte Nichtlinearität bei abgesenkten Antriebsspannungen aufzuweisen. Die vorliegende Erfindung verwendet einen sehr unterschiedlichen Ansatz, um einer Nichtlinearität entgegenzuwirken, und erfordert kein solches Ansteuerungsschema, während die abgesenkten Ansteuerspannungsbedingungen auch erfüllt werden können, wenn dies erforderlich ist. Die in dieser Erfindung dargelegten Konfigurationen weisen auch einen höheren Grad an Gestaltungsfreiraum auf. US 10,693,393 B2 and US 2019/036463 A1 : In these documents, a tri-electrode configuration is used with a specific drive scheme to counteract a tightening effect and have reduced nonlinearity at reduced drive voltages. The present invention uses a very different approach to counteract non-linearity and does not require such a drive scheme, while the lowered drive voltage conditions can also be met if required. The configurations set forth in this invention also have a greater degree of design freedom.

Die Antworten des Biegeaktors, etwa die Biegekrümmung, Spitzenauslenkung, bereitstellbare Ist-Kraft, Biegemoment, erzeugte Kraft, strukturelle Steifheit (lokalisiert oder insgesamt), Frequenzantwort (mechanisch und/oder elektrisch, z. B. strukturelle Verhärtung und/oder Enthärtung mit mechanischen Bewegungen höherer Frequenz, Änderung der Grenzfrequenz des elektrischen Betätigungssignals aufgrund von Kapazitätsänderung, usw.), usw. können auf der Basis der geometrischen Gestaltung und der Elektrodenkonfigurationen in den einzelnen Elementen des Biegeaktors (als „Biegezellen“ bezeichnet) bei angelegtem Betätigungssignal moduliert werden. Die Antwortmodulation wird hauptsächlich durch eine lineare/nichtlineare Versteifung auf elementarer Zellebene unter Verwendung einer kausalen Biegung der Elektroden auf der Basis von Kontaktbildung und/oder einem internen Biegesystem erzielt.The bending actuator responses, such as bending curvature, peak deflection, actual force available, bending moment, force generated, structural stiffness (localized or total), frequency response (mechanical and/or electrical, e.g. structural hardening and/or softening with mechanical movements higher frequency, change in cut-off frequency of the electrical actuation signal due to capacitance change, etc.), etc. can be modulated based on the geometric design and electrode configurations in the individual elements of the bending actuator (referred to as “bending cells”) when the actuation signal is applied. Response modulation is achieved primarily through linear/nonlinear stiffening at the elementary cell level using causal bending of the electrodes based on contact formation and/or an internal bending system.

Die in dieser Erfindung dargelegten Konfigurationen können allgemein in folgende Grundvarianten unterteilt werden:

  1. 1. Strukturelle Versteifung (linear/nichtlinear) mit Zellbiegung auf der Basis von Kontaktbildung und ihrer Evolution in der Zellgeometrie:
    1. a. Kontaktformation und -evolution zwischen Elektroden in dem elektrostatischen Zwischenraum auf der Basis eines Materials eines elektrischen Isolators / dielektrischen Materials (z. B. Al2O3, SiO2, usw.).
    2. b. Kontaktbildung außerhalb des elektrostatischen Zwischenraums (elektrischer Isolator nicht notwendigerweise erforderlich).
  2. 2. Strukturelle Versteifung (linear/nichtlinear) mit Zellbiegung auf der Basis einer Federkonfiguration in der Zellgeometrie;
    1. a. Biegefederkonfigurationen in der Zellgeometrie ohne Rückkopplungsschleife zu der Verformung der Biegeelektroden.
    2. b. Biegefederkonfigurationen in der Zellgeometrie mit direkter/indirekter Rückkopplungsschleife zu der Verformung der Biegeelektroden.
The configurations presented in this invention can generally be divided into the following basic variants:
  1. 1. Structural stiffening (linear/nonlinear) with cell bending based on contact formation and its evolution in cell geometry:
    1. a. Contact formation and evolution between electrodes in the electrostatic gap based on an electrical insulator/dielectric material (e.g. Al2O3, SiO2, etc.).
    2. b. Contact formation outside the electrostatic gap (electrical insulator not necessarily required).
  2. 2. Structural stiffening (linear/nonlinear) with cell bending based on a spring configuration in the cell geometry;
    1. a. Bending spring configurations in the cell geometry without a feedback loop to the deformation of the bending electrodes.
    2. b. Bending spring configurations in cell geometry with direct/indirect feedback loop on the deformation of the bending electrodes.

Die Kombination der unterschiedlichen Grundvarianten zur Bildung verschiedener Zellkonfigurationen je nach Anforderungen an die Systemantwort ist immer möglich.It is always possible to combine the different basic variants to form different cell configurations depending on the system response requirements.

Die Kontaktbildung und ihre Evolutionen in der Zellgeometrie mit dem angelegten Signal kann in dem elektrostatischen Zwischenraum zwischen den Zellelektroden oder außerhalb desselben stattfinden. Die Position der anfänglichen Kontaktformbildung und der Evolution der Kontakte bei Betätigung hängt von der Geometrie und Topografie von Elektroden, Materialeigenschaften der Elektroden, der Isolierschicht in dem elektrostatischen Zwischenraum, anlegbarer Maximalspannung (Isolatordicke, die erforderlich ist, um der Spannung in dem elektrostatischen Zwischenraum zu widerstehen), usw. ab. Auf der Basis der unterschiedlichen gestaltbaren Faktoren kann somit die Antwort des Biegeaktors bei angelegter Spannung je nach Anforderung gestaltet und moduliert werden.The contact formation and its evolutions in the cell geometry with the applied signal can take place in the electrostatic gap between the cell electrodes or outside of it. The position of initial contact shape formation and evolution of contacts upon actuation depends on the geometry and topography of electrodes, material properties of the electrodes, the insulating layer in the electrostatic gap, maximum applicable voltage (insulator thickness required to withstand the voltage in the electrostatic gap ), etc. Based on the different factors that can be designed, the response of the bending actuator when voltage is applied can be designed and modulated depending on the requirements.

Das interne Biegesystem kann mit/ohne direkter Verbindung zu der Geometrie der verformenden Elektroden sein, um eine direkte/oder indirekte Wirkung auf die Elektrodenverformung aufzuweisen. Somit ist auch ein Rückkopplungsschleifensystem möglich, um die Verformungen der Elektroden auf der Basis von mechanischen Verformungen und Kräften anzupassen, die in der Zellgeometrie bei angelegtem Wandlungssignal erzeugt werden. Für Biegeaktorzellen mit elektrostatischen/elektroaktiven Polymeren (z. B. DEAs) kann das Biegesystem mit direkter/indirekter struktureller Rückkopplungsschleife zu den Elektroden verwendet werden zum Verformen, neben der geometrischen Form der Elektroden, der lokalen/allgemeinen Form des elektrostatischen Zwischenraumes beim Biegen, und somit außerdem die die in diesen Zwischenräumen erzeugten elektrostatischen Kräfte beeinflussen. Dies kann dazu verwendet werden, die Rückkopplungsschleife noch zu erweitern. Für piezoelektrische Biegeaktorzellen wird die strukturelle Rückkopplungsschleife zu piezoelektrischen Schichten ihre mechanische Ist-Verformung und eine Beanspruchung in den Schichten beeinflussen, was effektiv auch die Ist-Kräfte beeinflussen wird, die bei angelegter Spannung darin erzeugt werden.The internal bending system may be with/without direct connection to the geometry of the deforming electrodes to have a direct/or indirect effect on the electrode deformation. Thus, a feedback loop system is also possible to adjust the deformations of the electrodes based on mechanical deformations and forces generated in the cell geometry when the conversion signal is applied. For bending actuator cells with electrostatic/electroactive polymers (e.g. DEAs), the bending system with direct/indirect structural feedback loop to the electrodes can be used to deform, in addition to the geometric shape of the electrodes, the local/general shape of the electrostatic gap during bending, and thus also influencing the electrostatic forces generated in these gaps. This can be used to widen the feedback loop even further. For piezoelectric bending actuator cells, the structural feedback loop to piezoelectric layers will affect their actual mechanical deformation and a stress in the layers, which will effectively also affect the actual forces generated therein when voltage is applied.

Einer der Hauptvorteile der Erfindung besteht darin, dass die Antwortmodulation direkt aus der Zellgeometrie selbst erhalten werden kann, womit die Verwendung externer Federmechanismen [2, 3], externer Mechanismen für nichtlineare Last, Gelenktes-Ende-Bedingungen [1], usw. vermieden werden, und somit die Gesamtsystemfläche effektiv reduziert wird, da die Aktoren ohne weiteres in Reihe und parallel auf der Basis der Zellgeometrie gestapelt werden können.One of the main advantages of the invention is that the response modulation can be obtained directly from the cell geometry itself, thereby avoiding the use of external spring mechanisms [2, 3], external mechanisms for nonlinear loading, articulated-end conditions [1], etc , and thus the overall system area is effectively reduced since the actuators can be easily stacked in series and parallel based on the cell geometry.

Außerdem können im Fall von Konfigurationen elektrostatischer Biegeaktoren auf der Basis von Kontaktbildung größere Kräfte erzielt werden, als bei herkömmlichen, die lediglich auf der Basis von Luftzwischenräumen ohne Kontaktbildung zwischen Elektroden verwendet werden (z. B. herkömmliche NEDs [13, 14, 15]). Aufgrund der Verwendung einer Kontaktbildung auf der Basis eines dielektrischen Materials dazwischen können viel größere elektrostatische Kräfte (∝ εr,g2) erzeugt werden, da ein Zwischenraum (g) im Vergleich zu typischen Mindestwerten von 1/3-tel eines Luftzwischenraums drastisch reduziert werden (um eine Anziehung zwischen Elektroden herkömmlicher NEDs zu vermeiden), und eine höhere effektive relative Permittivität (εr) kann in dem elektrostatischen Zwischenraum bei Kontakt auf der Basis eines Materials mit hoher dielektrischer Konstante erzielt werden.Furthermore, in the case of configurations of electrostatic bending actuators based on contact formation, larger forces can be achieved than conventional ones used only on the basis of air gaps without contact formation between electrodes (e.g. conventional NEDs [13, 14, 15]) . Due to the use of contact formation based on a dielectric material therebetween, much larger electrostatic forces (∝ ε r ,g 2 ) can be generated as a gap (g) is drastically reduced compared to typical minimum values of 1/3rd of an air gap (to avoid attraction between electrodes of conventional NEDs), and a higher effective relative permittivity (ε r ) can be achieved in the electrostatic gap upon contact based on a high dielectric constant material.

In den Konfigurationen der vorliegenden Erfindung kann das dielektrische Material konform auf die Elektroden oder als losgelöste Schichten zwischen die Elektroden (unter Verwendung spezieller Produktionsverfahren) aufgebracht werden, so dass die Vorauslenkung bei Freigabe in den Zellen aufgrund von Eigenspannung vernachlässigbar ist. Dieser auf dielektrischer Abscheidung basierende Ansatz kann dazu verwendet werden, den effektiven elektrostatischen Luftzwischenraum zwischen den Elektroden zu reduzieren, im Vergleich zur Produktionsauflösungsbegrenzung, d. h. wo direkt produzierte elektrostatische Luftzwischenräume nicht über eine bestimmte Abmessungsgrenze hinweg reduziert werden können, etwa planare NED-Zellen auf der Basis von DRIE-Ätzung, wo eine Mindestgrabenbreite durch ein bestimmtes Aspektverhältnis im Bezug zur Tiefe begrenzt ist. Dies ermöglicht es weiterhin, die erzeugten Maximalkräfte durch das Erzielen eines schmaleren effektiven elektrostatischen Luftzwischenraumes zwischen Elektroden als im Hinblick auf Produktionsbegrenzungen zu erhöhen, wodurch die Systemfläche und/oder der Spannungspegel, die bzw. der erforderlich ist, um erforderliche Kraft-und Verschiebungsniveaus zu erzielen, reduziert werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass außerdem die Betätigung bei Spannungen ermöglicht wird, die höher als die Anziehspannung (laterale und/oder vertikale Anziehung) der Elektroden der elektrostatischen Biegeaktoren im Gegensatz zu herkömmlichen NEDs sind. Dies ermöglicht es, jegliche Verluste im Hinblick auf die Zielfunktionalität aufgrund von Variationen, die durch Produktion, Lastbedingungen, usw. eingebracht werden, durch das einfache Anpassen der angelegten Spannung zu kompensieren.In the configurations of the present invention, the dielectric material may be conformally applied to the electrodes or as detached layers between the electrodes (using special production processes) so that pre-deflection upon release in the cells due to residual stress is negligible. This dielectric deposition based approach can be used to reduce the effective electrostatic air gap between electrodes compared to the production resolution limitation, i.e. H. where directly produced electrostatic air gaps cannot be reduced beyond a certain dimensional limit, such as planar NED cells based on DRIE etching, where a minimum trench width is limited by a certain aspect ratio with respect to depth. This further allows the maximum forces generated to be increased by achieving a narrower effective electrostatic air gap between electrodes than given production limitations, thereby increasing the system area and/or voltage level required to achieve required force and displacement levels , be reduced. Another significant advantage is that it also enables actuation at voltages higher than the attraction voltage (lateral and/or vertical attraction) of the electrodes of the electrostatic bending actuators, in contrast to conventional NEDs. This makes it possible to compensate for any losses in target functionality due to variations introduced by production, load conditions, etc. by simply adjusting the applied voltage.

Außerdem sind die Hauptvorteile der dargelegten Konfigurationen auf der Basis von Kontaktbildung (um eine Änderung einer Biegezellsteifheit zu erzielen) in Bezug auf herkömmliche Reißverschlussaktoren [1-8, 10-12] wie folgt:

  1. 1. Eine Kontaktbildung in einer einzelnen Zelle wird verwendet, um eine Biegeverformung einer gesamten Zellgeometrie zu erzielen, statt einer fortlaufenden Reißverschlussfunktion eines Aktors (was für gewöhnlich eine stationäre Elektrode und eine Reißverschluss-/Biege-Elektrode verwendet), zur Antwortmodulation bei angelegtem Signal. Somit können viele Zellen, mit mehreren Elektroden und Luftzwischenräumen, in Reihe und/oder parallel verwendet werden, um erforderliche Antwortparameter, wie etwa Auslenkung, Kraft, usw., bei einer geringeren effektiven Kontaktfläche im Vergleich zu herkömmlichen Reißverschlussaktoren zu erzielen. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit einer Reibungshaftung und Bewegungshysterese während der Lösung der Reißverschlussverbindung, da die Kontaktbildungsfläche erheblich reduziert sein kann, während ähnliche oder bessere Leistungsparameter erzielt werden.
  2. 2. Biegeverformung auf der Basis limitierter Kontaktpunkte (oder bei einigen Konfigurationen sogar nur ein einzelner Kontaktpunkt) kann außerdem anstatt der kontinuierlichen kontaktbasierten Reißverschlussfunktion wie bei herkömmlichen Reißverschlussaktoren verwendet werden. Außer dem ersten Kontaktpunkt sind die weiteren Direktkontaktpunkte nicht dafür erforderlich, dass das Prinzip funktioniert, in den äußeren Ecken einer Biegezelle ist es sogar möglich, keine Kontaktposition aufzuweisen, während eine Modulation / Linearisierung aufgrund einer Biegung der gesamten Zellgeometrie erzielt wird. Dies reduziert Wahrscheinlichkeiten einer Reibungshaftung und Bewegungshysterese während der Lösung der Reißverschlussverbindung weiter und verbessert somit die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Leistung des Systems erheblich.
  3. 3. Im Vergleich zur herkömmlichen elektrostatischen Reißverschlussaktoren ist eine elektrostatische Anziehung nicht erforderlich für eine erste Kontaktbildung oder ihre Evolution, womit ein reibungsloser Übergang in einen Kontaktbereich erhalten werden kann, ohne abrupte Bewegungen der Systemantwort während eines Überganges in einen Bereich einer Modulation / Linearisierung bei angelegtem Signal, und wobei außerdem anziehungsbezogene Instabilitäten zur Kontaktbildung vermieden werden. Falls ein plötzlicher Übergang erforderlich ist, um beispielsweise die Änderung in einem Bereich einer Modulation / Linearisierung zu kennzeichnen oder den Kontakt während eines Prozesses zur Lösung der Reißverschlussverbindung stark zu unterbrechen, um Haftreibungswahrscheinlichkeiten weiter zu reduzieren, kann ein Anziehungseffekt in den vorliegenden Konfigurationen auch je nach Anforderung verwendet werden.
Furthermore, the main advantages of the presented configurations based on contact formation (to achieve a change in flexural cell stiffness) with respect to conventional zipper actuators [1-8, 10-12] are as follows:
  1. 1. Contact formation in a single cell is used to achieve bending deformation of an entire cell geometry, rather than a continuous zipping function of an actuator (which usually uses a stationary electrode and a zip/bend electrode) for response modulation when a signal is applied. Thus, many cells, with multiple electrodes and air gaps, can be used in series and/or parallel to achieve required response parameters, such as deflection, force, etc., with a smaller effective contact area compared to conventional zipper actuators. This reduces the likelihood of frictional adhesion and motion hysteresis during zipper connection release as the contact formation area can be significantly reduced while achieving similar or better performance parameters.
  2. 2. Bending deformation based on limited contact points (or even just a single contact point in some configurations) can also be used instead of the continuous contact-based zipper function found in traditional zipper actuators. Apart from the first contact point, the further direct contact points are not necessary for the principle to work, in the outer corners of a bending cell it is even possible to have no contact position while modulation/linearization is achieved due to a bending of the entire cell geometry. This further reduces probabilities of frictional adhesion and motion hysteresis during zipper connection release, thereby significantly improving the repeatability and reliability of the system's performance.
  3. 3. Compared to conventional electrostatic zipper actuators, electrostatic attraction is not required for initial contact formation or its evolution, whereby a smooth transition into a contact area can be obtained without abrupt movements of the system response during a transition into a modulation/linearization area when applied Signal, and in which attraction-related instabilities for contact formation are also avoided. If a sudden transition is required, for example to mark the change in a region of a modulation/linearization or to sharply break contact during a zipper release process to further reduce stiction probabilities, an attraction effect in the present configurations may also vary depending on requirement can be used.

Für Konfigurationen auf der Basis von Kontaktbildung könnten die möglichen Probleme, die aufgrund von Haftreibung zwischen den Elektroden auftreten, durch die Erhöhung der Rauigkeit der Kontaktoberflächen (z. B. Seitenwandwellungen aus DRIE-Ätzung), Strukturierung von Kontaktoberflächen und/oder Verwendung von Antihaftreibungsbeschichtung dazwischen, z. B. mit ALD (Atomlagenabscheidung) abgeschiedene konforme FDTS-(Perfluordecyltrichlorsilan)-Einschichtbeschichtungen, reduziert werden.For configurations based on contact formation, the potential problems arising due to stiction between electrodes could be caused by increasing the roughness of the contact surfaces (e.g. sidewall undulations from DRIE etching), texturing of contact surfaces, and/or use of anti-stick coating therebetween , e.g. B. conformal FDTS (perfluorodecyltrichlorosilane) single-layer coatings deposited with ALD (atomic layer deposition) can be reduced.

Die dielektrische Aufladung elektrischer Isolierungen kann in den vorliegenden Konfigurationen aufgrund eines eingeschränkten Volumens an dielektrischem Material und einer entsprechenden Schnittstellenverwendung, reduzierten Bereichen zur effektiven Kontaktbildung (insbesondere für isolierungskontaktbasierte Konfigurationen), schwebende Elektroden (zum Laden und/oder Entladen von dielektrischen Bereichen zur Antwortregulierung), usw. auch reduziert und/oder reguliert werden. Dies hilft weiter dabei, eine Systemantwortreproduzierbarkeit zu erhöhen und eine Haftreibungswahrscheinlichkeit aufgrund einer dielektrischen Aufladung zwischen den Kontaktoberflächen zu reduzieren.Dielectric charging of electrical insulation may occur in present configurations due to limited dielectric material volume and interface usage, reduced areas for effective contact formation (particularly for insulation contact-based configurations), floating electrodes (for charging and/or discharging dielectric areas for response regulation), etc. can also be reduced and/or regulated. This further helps to increase system response reproducibility and reduce probability of stiction due to dielectric charging between the contact surfaces.

Die Linearisierung/Modulation der Biegezellenantwort kann auch unter Verwendung eines Erfassungssignals ausgelesen werden, und aufgrund einer Reduzierung einer erfassten Nichtlinearität der Antwort kann das erforderliche Erfassungssystem auch vereinfacht werden. Die Erfassung kann auf der Basis von inhärenten Antwortänderungen wie etwa einer Kapazitätsänderung zwischen den Biegeelektroden (z. B. Kapazitätsänderung in dem elektrostatischen Zwischenraum kann auch linearisiert werden oder auf eine Linearität niedrigerer Größenordnung moduliert werden, zusammen mit der Krümmung der Zelle bei Zellbiegung), eine strukturelle Verformung und/oder Beanspruchung in Elektroden (was z. B. eine Widerstandsänderung auf der Basis eines Piezowiderstands verursacht (Material wie etwa kristallines Silizium), oder eine Spannung aufgrund des piezoelektrischen Effekts erzeugt), usw. stattfinden.The linearization/modulation of the bending cell response can also be read out using a detection signal, and due to a reduction in detected nonlinearity of the response, the required detection system can also be simplified. The detection can be based on inherent response changes such as a change in capacitance between the bending electrodes (e.g. change in capacitance in the electrostatic gap can also be linearized or modulated to a lower order linearity, along with the curvature of the cell upon cell bending). structural deformation and/or stress in electrodes (e.g. causing a change in resistance based on a piezoresistor (material such as crystalline silicon), or generating a voltage due to the piezoelectric effect), etc. take place.

1a zeigt eine schematische Seitenansicht eines mechanischen Systems 101, z. B. ein Biegewandlersystem, gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das mechanische System weist eine Biegewandlerstruktur auf, die konfiguriert ist zum Bereitstellen einer Biegung, z. B. entlang einer Biegerichtung 14. Die Biegerichtung 14 ist gemäß einem nicht einschränkenden kartesischen Koordinatensystem entlang einer z-Richtung, die im Sinne eines MEMS planar oder außerplanar sein kann. Ohne die hierin beschriebenen Beispiele einzuschränken, kann eine x/y-Richtung bei Bezugnahme auf ein MEMS als planare Richtung bezeichnet werden, während eine Richtung entlang der z-Koordinate als außerplanare Biegung oder Bewegung bezeichnet werden kann. 1a shows a schematic side view of a mechanical system 10 1 , e.g. B. a bending transducer system, according to one embodiment. The mechanical system includes a bending transducer structure configured to provide bending, e.g. B. along a bending direction 14. The bending direction 14 is according to a non-restrictive Cartesian coordinate system along a z-direction, which can be planar or extra-planar in the sense of a MEMS. Without limiting the examples described herein, when referring to a MEMS, an x/y direction may be referred to as a planar direction, while a direction along the z coordinate may be referred to as an extra-planar bend or movement.

Die Biegewandlerstruktur kann als Aktor konfiguriert sein, um sich ansprechend auf ein elektrischen Signal 16 zu biegen. Das kann beispielsweise elektrostatische und/oder elektrodynamische Aktoren sowie kapazitive Aktoren oder piezoelektrische Aktoren umfassen. Jedoch kann die mit dem elektrischen Signal 16 bereitgestellte Energie auch beispielsweise in andere Arten von Energie umgewandelt werden, z. B. thermische Energie, Magnetkräfte oder dergleichen.The bending transducer structure may be configured as an actuator to bend in response to an electrical signal 16. This can include, for example, electrostatic and/or electrodynamic actuators as well as capacitive actuators or piezoelectric actuators. However, the energy provided with the electrical signal 16 can also be converted, for example, into other types of energy, e.g. B. thermal energy, magnetic forces or the like.

Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Biegewandlerstruktur wirksam sein zum Bereitstellen des elektrischen Signals 16 ansprechend auf eine angewendete Kraft F, wobei die Kraft F die Biegung verursacht. Das heißt, die Biegewandlerstruktur kann auch als Sensor arbeiten. Beide Funktionsweisen können auf Entweder/Oder-Weise ausgeführt werden, d. h. die Biegewandlerstruktur kann ein Sensor oder ein Aktor sein. Jedoch kann auch eine kombinierte Funktionsweise möglich sein, wenn die Biegewandlerstruktur beispielsweise sequenziell während eines ersten Zeitraums als Sensor betrieben wird und während eines unzusammenhängenden zweiten Zeitraums als Aktor verwendet wird. Eine weitere Art der Verwendung beider Mechanismen, eine Funktionsweise als Sensor und eine Funktionsweise als Aktor, kann beispielsweise vorliegen, wenn die Biegewandlerstruktur durch Bereitstellen des elektrischen Signals 16, beispielsweise durch die Verwendung einer Steuereinheit und/oder eines Verstärkers oder dergleichen, und durch Auswerten des elektrischen Signals 16 (oder eines anderen Signals) im Hinblick auf eine Überlagerung oder Modulation, die durch die Kraft F verursacht wird, betrieben oder gesteuert wird, die Funktionsweise als Sensor und die Funktionsweise als Aktor können also gleichzeitig ausgeführt werden.Alternatively or additionally, the bending transducer structure may be operative to provide the electrical signal 16 in response to an applied force F, the force F causing the bending. That is, the bending transducer structure can also work as a sensor. Both functions can be carried out in an either/or manner, that is, the bending transducer structure can be a sensor or an actuator. However, a combined mode of operation may also be possible if, for example, the bending transducer structure is operated sequentially as a sensor during a first period of time and is used as an actuator during an unrelated second period of time. Another way of using both mechanisms, functioning as a sensor and functioning as an actuator, can be present, for example, if the bending transducer structure is activated by providing the electrical signal 16, for example by using a control unit and/or an amplifier or the like, and by evaluating the electrical signal 16 (or another signal) is operated or controlled with regard to a superposition or modulation caused by the force F, the functioning as a sensor and the functioning as an actuator can therefore be carried out simultaneously.

Die Biegewandlerstruktur 12 kann eine strukturelle Steifheit aufweisen, die auf einem Material und einer Geometrie der Biegewandlerstruktur basieren kann. Die strukturelle Steifheit S1 der Biegewandlerstruktur kann für einen nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag der Biegung sorgen, das heißt auf der Basis einer sich ändernden Auslenkung der Biegewandlerstruktur kann eine zusätzliche Kraft F für einen erhöhten oder verringerten Auslenkungsbetrag sorgen und/oder das Auslenkungsverhalten kann im Hinblick auf eine lineare Amplitude des elektrischen Signals 16 nicht linear sein.The flexural transducer structure 12 may have a structural stiffness that may be based on a material and geometry of the flexural transducer structure. The structural stiffness S 1 of the bending transducer structure can provide a nonlinear mechanical stiffness contribution of the bend, that is, based on a changing deflection of the bending transducer structure, an additional force F can provide an increased or reduced deflection amount and/or the deflection behavior can be in With regard to a linear amplitude of the electrical signal 16, it may not be linear.

Das mechanische System 101 weist eine Anpassungsstruktur 18 auf, die durch die Verwendung einer mechanischen Kopplung mechanisch an die Biegewandlerstruktur 12 gekoppelt ist. Das heißt, die Anpassungsstruktur 18 ist mechanisch mit der Biegewandlerstruktur 12 verbunden. Die Anpassungsstruktur 18 ist dazu konfiguriert, zusammen mit der Biegung der Biegewandlerstruktur eine Anpassungsverformung bereitzustellen. Das heißt, die Kraft F und/oder das elektrische Signal 16 verursacht eine Biegung des Biegewandlers 12 und dadurch die Verformung der Anpassungsstruktur 18. Eine mechanische Steifheit S2 der Anpassungsstruktur 12 sorgt für einen weiteren nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag der Biegung der Wandlerstruktur auf der Basis der mechanischen Kopplung. Beispielsweise kann die Anpassungsstruktur 18 einen Teil der Kraft F oder der durch elektrische Signale 16 erzeugten Kraft absorbieren oder aufbrauchen. Durch das nichtlineare Verhalten der mechanischen Steifheit S2 kann das Verhalten, das durch die mechanische Steifheit S1 der Biegewandlerstruktur 12 verursacht wird, beeinflusst werden, um eine Gesamtlinearität im Vergleich zu dem nichtlinearen Beitrag der Steifheit S1 zu erhöhen. Jedoch kann es wünschenswert sein, die Nichtlinearität zu erhöhen, was ohne spezifische Einschränkung möglich ist, indem eine jeweilige mechanische Steifheit S2 bzw. ein Verhalten davon ausgewählt wird. Dies kann erreicht werden, indem ein geeignetes Material und/oder eine geeignete Geometrie ausgewählt wird. Sowohl die Biegewandlerstruktur 12 als auch die Anpassungsstruktur 18 können zur Verformung konfiguriert sein. Das heißt, ein bestimmter Betrag an Elastizität kann in beiden enthalten sein, sowohl in der Biegewandlerstruktur 12 als auch in der Anpassungsstruktur 18. Im Hinblick auf eine MEMS-Struktur können halbleiterbasierte Materialien und/oder dielektrische Materialien oder Metall-enthaltene Materialen geeignet sein. Im Hinblick auf mikromechanische Systeme können neben einem Metallmaterial oder anderen dielektrischen oder leitfähigen Materialien andere Arten von Material verwendet werden, etwa Holz, Plastik oder dergleichen.The mechanical system 10 1 has an adaptation structure 18 that is mechanically coupled to the bending transducer structure 12 through the use of a mechanical coupling. That is, the adaptation structure 18 is mechanically connected to the bending transducer structure 12. The conforming structure 18 is configured to provide conforming deformation along with the bending of the bending transducer structure. That is, the force F and/or the electrical signal 16 causes a bending of the bending transducer 12 and thereby the deformation of the adaptation structure 18. A mechanical stiffness S 2 of the adaptation structure 12 ensures a further nonlinear mechanical stiffness contribution to the bending of the transducer structure the basis of the mechanical coupling. For example, the adaptation structure 18 can absorb or use up a portion of the force F or the force generated by electrical signals 16. Through the nonlinear behavior of the mechanical stiffness S 2 , the behavior caused by the mechanical stiffness S 1 of the bending transducer structure 12 can be influenced to increase an overall linearity compared to the nonlinear contribution of the stiffness S 1 . However, it may be desirable to increase the nonlinearity, which is possible without specific limitation, by selecting a respective mechanical stiffness S 2 or a behavior thereof. This can be achieved by selecting an appropriate material and/or geometry. Both the bending transducer structure 12 and the conforming structure 18 may be configured for deformation. That is, a certain amount of elasticity may be included in both the flexural transducer structure 12 and the conforming structure 18. With respect to a MEMS structure, semiconductor-based materials and/or dielectric materials or metal-containing materials may be suitable. With regard to micromechanical systems, other types of material may be used in addition to a metal material or other dielectric or conductive materials, such as wood, plastic or the like.

Bei dem in 1 dargelegten Beispiel ist die Anpassungsstruktur 18 dazu angepasst, einen mechanischen Kontakt an einer Kontaktfläche 22a und an einer Kontaktfläche 22b der Biegewandlerstruktur zu bilden, d. h. die Kontaktbegrenzungen werden eingesetzt, um für einen mechanischen Kontakt zu sorgen. Eine Kraft, die durch den Kontakt zwischen den Kontaktflächen 22a und 22b erzeugt wird, kann sich während der Kontaktbildung und im Hinblick auf eine Erhöhung oder Verringerung einer Amplitude entlang der Biegerichtung veränderlich oder nicht konstant sein. Beispielsweise kann eine Größe einer Kontaktfläche, in der sich die Kontaktflächen 22a und 22b kontaktieren, zunehmen oder abnehmen.At the in 1 In the example presented, the adaptation structure 18 is adapted to form a mechanical contact on a contact surface 22a and on a contact surface 22b of the bending transducer structure, ie the contact boundaries are used to provide mechanical contact. A force generated by the contact between the contact surfaces 22a and 22b may be variable or non-constant during contact formation and with respect to an increase or decrease in amplitude along the bending direction. For example, a size of a contact area in which the contact areas 22a and 22b contact each other may increase or decrease.

1b zeigt eine schematische Seitenansicht eines mechanischen Systems 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei dem die Anpassungsstruktur 18 dazu angepasst ist, für den zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag zu sorgen, ohne dass über die mechanische Kopplung oder andere unveränderliche oder gleichbleibende Verbindungen hinaus ein zusätzlicher Kontakt zu der Biegewandlerstruktur 12 gebildet wird. Während der Kontakt in den Kontaktflächen 22a und 22b des mechanischen Systems 101 solch ein variierbarer oder veränderlicher Kontakt ist, ist das mechanische System 102 ohne solche Kontaktflächen implementiert. 1b shows a schematic side view of a mechanical system 10 2 according to an embodiment, in which the adaptation structure 18 is adapted to provide the second nonlinear mechanical stiffness contribution without any additional contact beyond the mechanical coupling or other fixed or constant connections to the bending transducer structure 12 is formed. While the contact in the contact surfaces 22a and 22b of the mechanical system 10 1 is such a variable or changeable contact, the mechanical system 10 2 is implemented without such contact surfaces.

1c zeigt eine schematische Seitenansicht eines mechanischen Systems 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu den mechanischen Systemen 101 und 102, die die Anpassungsstruktur 18 außerhalb eines Volumens 24 aufweisen, das von den äußeren Seiten der Biegewandlerstruktur 12 umschlossen ist, weist das mechanische System 103 eine Konfiguration auf, in der die Anpassungsstruktur 18 in dem Volumen 24 angeordnet ist. Dies kann so verstanden werden, dass die Anpassungsstruktur außerhalb eines aktiven Bereichs des Biegewandlers angeordnet ist. Bei dem in 1c bereitgestellten Beispiel kann die Anpassungsstruktur 12 zwischen Biegeelementen 261 und 262 eingeklemmt sein, die möglicherweise an Enden derselben aneinander befestigt sind, wobei optionale Verbindungen dazwischen nicht ausgeschlossen sind. Beispielsweise können das Biegeelement 261 und 262 aktive Elemente wie etwa Elektroden, thermoaktive Elemente, piezoelektrische Elemente oder dergleichen sein. Dies kann es ermöglichen, Paare von Kontaktflächen 22a und 22b, 22c und 22d zu erhalten, von denen, zum Beispiel in einem Szenario wie dem veranschaulichten, kein Kontakt gebildet wird, oder, auf der Basis einer Auslenkung der Biegewandlerstruktur entlang einer positiven oder negativen Biegerichtung 14, lediglich eine des Paares von Kontaktflächen 22a und 22b einerseits oder 22c und 22d andererseits für einen mechanischen Kontakt sorgt. Anstelle einer Ausführung des mechanischen Kontakts in einem der Paare von Kontaktflächen 22a/22b oder 22c/22d kann es möglich sein, einen Kontakt in beiden Paaren gleichzeitig zu bilden, z. B. auf der Basis einer ausreichenden Biegeamplitude. 1c shows a schematic side view of a mechanical system 10 4 according to an exemplary embodiment. Compared to the mechanical systems 10 1 and 10 2 which have the adjustment structure 18 outside of a volume 24 enclosed by the outer sides of the flexural transducer structure 12, the mechanical system 10 3 has a configuration in which the adaptation structure 18 is arranged in the volume 24. This can be understood to mean that the adaptation structure is arranged outside an active area of the bending transducer. At the in 1c In the example provided, the adjustment structure 12 may be clamped between flexures 26 1 and 26 2 , which may be attached to each other at ends thereof, not excluding optional connections therebetween. For example, the bending element 26 1 and 26 2 can be active elements such as electrodes, thermoactive elements, piezoelectric elements or the like. This may make it possible to obtain pairs of contact surfaces 22a and 22b, 22c and 22d, of which no contact is formed, for example in a scenario such as that illustrated, or based on a deflection of the bending transducer structure along a positive or negative bending direction 14, only one of the pair of contact surfaces 22a and 22b on the one hand or 22c and 22d on the other hand ensures mechanical contact. Instead of making the mechanical contact in one of the pairs of contact surfaces 22a/22b or 22c/22d, it may be possible to form a contact in both pairs simultaneously, e.g. B. based on sufficient bending amplitude.

1d zeigt eine schematische Seitenansicht eines mechanischen Systems 104 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das mit dem mechanischen System 103 vergleichbar ist, während die Anpassungsstruktur 18 angepasst ist, zumindest während eines Normalbetriebs, für keine zusätzlichen Kontaktflächen außer der mechanischen Kopplung zu sorgen, die beispielsweise durch eine Klemmung 281 und/oder 282 an Enden von Abschnitten oder den gesamten Biegeelementen 261 und 262 implementiert werden kann. 1d shows a schematic side view of a mechanical system 10 4 according to an embodiment that is comparable to the mechanical system 10 3 , while the adaptation structure 18 is adapted, at least during normal operation, to provide no additional contact surfaces other than the mechanical coupling, for example by a Clamping 28 1 and/or 28 2 can be implemented at ends of sections or the entire bending elements 26 1 and 26 2 .

Die Ausführungsbeispiele gemäß 1a-d können unterschiedlichen Gruppen von Strukturen zugeordnet sein. Während die mechanischen Systeme 101 und 103 für temporäre zusätzliche Kontakte in den Kontaktflächen 22a, 22b oder optional 22c und 22d sorgen, sind die mechanischen Systeme 102 und 104 ohne solche Kontaktbildungen gebildet. Dies schließt zeitlich gleichbleibende mechanische Kopplungen nicht aus.The exemplary embodiments according to 1a-d can be assigned to different groups of structures. While the mechanical systems 10 1 and 10 3 provide temporary additional contacts in the contact surfaces 22a, 22b or optionally 22c and 22d, the mechanical systems 10 2 and 10 4 are formed without such contact formations. This does not exclude mechanical couplings that remain constant over time.

Eine weitere Gruppierung kann so aussehen, dass die Anpassungsstruktur 18 außerhalb des Volumens 24 oder innerhalb des Volumens 24 angeordnet ist.A further grouping can be such that the adaptation structure 18 is arranged outside the volume 24 or within the volume 24.

2a zeigt eine schematische Draufsicht auf ein mechanisches System 201 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die kartesischen Koordinaten x, y und z sind als nicht einschränkendes Beispiel dargestellt. Gemäß der veranschaulichten Konfiguration ist die Biegerichtung 14 planar. Wie aus der Struktur des mechanischen Systems 102 ersichtlich ist, kann die Struktur im Raum gedreht werden, was auch die Biegerichtung 14 dreht. 2a shows a schematic top view of a mechanical system 20 1 according to an exemplary embodiment. The Cartesian coordinates x, y and z are shown as a non-limiting example. According to the illustrated configuration, the bending direction 14 is planar. As can be seen from the structure of the mechanical system 10 2 , the structure can be rotated in space, which also rotates the bending direction 14.

Biegeelemente 261 und 262 können einen im Wesentlichen parallelen Verlauf aufweisen. In einem unbetätigten Zustand oder einem Referenzzustand einer Sensorimplementierung können die Biegeelemente 261 und 262, die möglicherweise als Biegebalken gebildet sind, beispielsweise jeweils gekrümmte Formen aufweisen, die parallel zueinander sind. Als unbetätigten Zustand kann ein Referenzzustand ohne Anwendung eines elektrischen Signals 16 in einer Aktorkonfiguration oder eine Kraft F in einer Sensorkonfiguration verstanden werden. Der unbetätigte Zustand kann dennoch eine Vorauslenkung der Biegewandlerstruktur 12 zulassen.Bending elements 26 1 and 26 2 can have a substantially parallel course. For example, in an unactuated state or a reference state of a sensor implementation, the flexure elements 26 1 and 26 2 , which may be formed as flexure beams, may each have curved shapes that are parallel to one another. An unactuated state can be understood as a reference state without application of an electrical signal 16 in an actuator configuration or a force F in a sensor configuration. The unactuated state can still allow the bending transducer structure 12 to be deflected forward.

Eine neutrale Achse 271 des Biegeelements 261 verläuft im Wesentlichen parallel zu einer neutralen Achse 272 des Biegeelements 262. Auf der Basis einer jeweiligen Konfiguration verlaufen auch die Oberflächen 261A und 262B im Wesentlichen parallel zueinander, genauso wie die äußeren Oberflächen 261 B und 262A, als nicht einschränkendes Beispiel.A neutral axis 27 1 of the bending element 26 1 runs essentially parallel to a neutral axis 27 2 of the bending element 26 2 . Based on a respective configuration, surfaces 26 1 A and 26 2 B are also substantially parallel to each other, as are outer surfaces 26 1 B and 26 2 A, by way of non-limiting example.

Wie in 2a gezeigt ist, kann die Biegewandlerstruktur 12 zumindest zwei Biegeelemente 261 und 262 aufweisen, die mechanisch parallel zueinander gekoppelt sind, und einen Zwischenraum 38 mit einem benachbarten Biegeelement der Biegewandlerstruktur bilden. In dem Zwischenraum 38 kann beispielsweise die Anpassungsstruktur 18 angeordnet sein, zumindest zum Teil, um die Zwischenräume in Zwischenräume 381 und 382 zu trennen.As in 2a As shown, the bending transducer structure 12 may have at least two bending elements 26 1 and 26 2 that are mechanically coupled parallel to one another and form a gap 38 with an adjacent bending element of the bending transducer structure. For example, the adaptation structure 18 can be arranged in the gap 38, at least in part, in order to separate the gaps into gaps 38 1 and 38 2 .

Klemmungen 281 und 282 befestigen die Biegeelemente 261 und 262 aneinander und sorgen für einen Abstand dazwischen, z. B. als Abstandshalterelement. Die Klemmungen 281 und 282 können durch ein einzelnes einstückiges Element gebildet sein, können jedoch auch durch mehrere Elemente gebildet sein, wie in 2a gezeigt ist. Beispielsweise kann die Klemmung 281 Abstandselemente 28a1 und 28b1 aufweisen, die Teil der Biegeelemente 261 bzw. 262 sind. Beispielsweise kann das Abstandselement 28a1 einstückig mit dem Biegeelement 261 gebildet sein, und das Abstandselement 28b1 kann einstückig mit dem Biegeelement 262 gebildet sein. Dies kann eine einfache Herstellung ermöglichen, insbesondere im Fall, dass die Biegeelemente 261 und 262 leitfähig sind, so dass ein leitfähiges Abstandselement 28a1 und 28b1 es ermöglichen kann, für einen elektrischen Kontakt sorgen kann, um beispielsweises mit einem Betriebspotenzial, das durch GND und +V gezeigt ist, kontaktiert zu werden, was es ermöglichen kann, eine Betriebsspannung, z. B. auf der Basis eines elektrischen Signals 16, zwischen den Biegeelementen 261 und 262 anzulegen, die zu einer Anziehungskraft zwischen den Biegeelementen 261 und 262 und dadurch zu Bewegungskomponenten 341 und 342 der Biegeelemente 261 und 262 zueinander führen kann.Clamps 28 1 and 28 2 fasten the bending elements 26 1 and 26 2 to one another and ensure a distance between them, e.g. B. as a spacer element. The clamps 28 1 and 28 2 may be formed by a single integral element, but may also be formed by multiple elements, as in 2a is shown. For example, the clamping 28 1 can have spacer elements 28a 1 and 28b 1 , which are part of the bending elements 26 1 and 26 2 , respectively. For example, the spacer element 28a 1 may be formed integrally with the bending element 26 1 , and the spacer element 28b 1 may be formed integrally with the bending element 26 2 . This may enable ease of manufacture, particularly in the case that the bending elements 26 1 and 26 2 are conductive, so that a conductive spacer element 28a 1 and 28b 1 may enable electrical contact to be provided, for example with an operating potential that shown by GND and +V to be contacted, which may enable an operating voltage, e.g. B. based on an electrical signal nals 16, between the bending elements 26 1 and 26 2 , which can lead to an attraction between the bending elements 26 1 and 26 2 and thereby to movement components 34 1 and 34 2 of the bending elements 26 1 and 26 2 to one another.

Die Anpassungsstruktur 18 kann ein dielektrisches Material aufweisen und kann konfiguriert sein zum Kontaktieren zumindest zweier Elemente der Biegewandlerstruktur 12 und zum Isolieren derselben auf der Basis der Biegung, z. B. die Biegeelemente 261 und 262. Vorzugsweise ist ein Isolator 361 zwischen den leitfähigen Abstandselementen 28a1 und 28b1 angeordnet. Entsprechend ist es bevorzugt, einen Isolator 362 zwischen den Abstandselementen 28a2 und 28b2 anzuordnen, um Kurzschlüsse zwischen den jeweiligen Abstandselementen zu vermeiden. Gemäß einem anderen Beispiel können jedoch zumindest die Abstandselemente 28a2 und 28b2 durch die Verwendung eines dielektrischen Materials implementiert sein, was es ermöglicht, den Isolator 362 zu vermeiden. Wenn das mechanische System 201 als Schichtstruktur erzeugt wird, ist es dennoch möglich, den Isolator 361/362 ohne komplizierte zusätzliche Schritte als eine Schicht des Systems bereitzustellen.The matching structure 18 may include a dielectric material and may be configured to contact at least two elements of the flexural transducer structure 12 and to isolate them based on the flexure, e.g. B. the bending elements 26 1 and 26 2 . Preferably, an insulator 36 1 is arranged between the conductive spacers 28a 1 and 28b 1 . Accordingly, it is preferred to arrange an insulator 36 2 between the spacer elements 28a 2 and 28b 2 in order to avoid short circuits between the respective spacer elements. However, according to another example, at least the spacers 28a 2 and 28b 2 may be implemented by using a dielectric material, allowing the insulator 36 2 to be avoided. If the mechanical system 20 1 is created as a layered structure, it is still possible to provide the insulator 36 1 /36 2 as a layer of the system without complicated additional steps.

Einer der Vorteile, der durch die Anpassungsstruktur 18 als separate Schicht in dem elektrostatischen Luftzwischenraum bereitgestellt wird, z. B. statt direkt auf den Elektroden 261 und/oder 262 produziert zu werden, besteht darin, dass die Flächen mit Schnittstellen von Leiter/Metall zu Dielektrikum/Isolatormaterial erheblich reduziert sind. Solche Schnittstellen, insbesondere in typischen Materialsystem und Produktionsprozessen im Bereich MEMS und nanoelektromechanischer Systeme, NEMS, sind aus der Literatur als gute Ladungsfängerstellen bekannt, die den dielektrischen Aufladungseffekt und somit die Haftreibungswahrscheinlichkeiten zwischen Kontaktoberflächen erhöhen können, insbesondere bei häufiger kontaktbasierter Betätigung. Die Reduzierung dieser Schnittstellen kann dabei helfen, die Hysterese der Systemantwort zu reduzieren, sowie um eine bessere funktionelle Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit der Systemantwort aufzuweisen.One of the advantages provided by the conforming structure 18 as a separate layer in the electrostatic air gap, e.g. B. instead of being produced directly on the electrodes 26 1 and / or 26 2 is that the areas with interfaces from conductor / metal to dielectric / insulator material are significantly reduced. Such interfaces, especially in typical material systems and production processes in the area of MEMS and nanoelectromechanical systems, NEMS, are known from the literature as good charge trapping points that can increase the dielectric charging effect and thus the static friction probabilities between contact surfaces, especially with frequent contact-based actuation. Reducing these interfaces can help to reduce the hysteresis of the system response, as well as to have better functional reliability and reproducibility of the system response.

Da die dielektrische Schicht in dem Zellzwischenraum alleinstehend ist, kann die Eigenbeanspruchung insgesamt in den Dünnfilmstrukturen der Zelle aufgrund der Produktion, insbesondere für den MEMS- und NEMS-Bereich, erheblich niedriger sein als im Vergleich zu Fällen, in denen dielektrische Schichten auf den Elektroden sind, insbesondere für eine ungleichförmige (z. B. 3b) Konfiguration, aufgrund einer reduzierten Fläche der Schnittstellen zwischen zwei oder mehr unterschiedlichen Arten von Materialsystemen (Leiter/Metall zu Dielektrikum/Isolatormaterial). Dies kann die Gestaltung erleichtern, da komplexere Technik zur Kompensation von Eigenbeanspruchung nicht erforderlich ist und Zellen eine vernachlässigbare Vorauslenkung nach Freigabe von Strukturen während der Produktion aufweisen.Since the dielectric layer is standalone in the cell space, the overall self-stress in the thin film structures of the cell due to production, especially for the MEMS and NEMS area, can be significantly lower than compared to cases where dielectric layers are on the electrodes , especially for a non-uniform (e.g. 3b) Configuration, due to a reduced area of interfaces between two or more different types of material systems (conductor/metal to dielectric/insulator material). This can facilitate design because more complex technology to compensate for self-stress is not required and cells have negligible pre-deflection after structures are released during production.

Andererseits kann die Produktion solcher alleinstehenden dielektrischen Schichten als Struktur 18, insbesondere im MEMS- und NEMS-Bereich an den Mindestauflösungsgrenzen des Produktionsprozesses (d. h. bei kleinsten elektrostatischen Luftzwischenräumen, die für die tiefstmöglichen Betätigungsspannungen produziert werden können), einhergehen mit einer vergleichsweise erhöhten Komplexität, und es ist schwierig, ihre Abmessungen in der Praxis angemessen während der Produktion bei solchen Auflösungsgrenzen zu steuern.On the other hand, the production of such stand-alone dielectric layers as a structure 18, particularly in the MEMS and NEMS area at the minimum resolution limits of the production process (i.e. at the smallest electrostatic air gaps that can be produced for the lowest possible actuation voltages), can be accompanied by a comparatively increased complexity, and it is difficult in practice to adequately control their dimensions during production at such resolution limits.

Außerdem kann es schwierig sein, für eine gegebene Gestaltung eine strukturelle Integrität und eine ausreichende Robustheit alleinstehender Dielektrikum/Isolator-Schichten 18 bei geringerer Dicke aufrechtzuerhalten, insbesondere an den Auflösungsgrenzen der Produktionsprozesse im MEMS- und NEMS-Bereich. Somit kann eine Mindestdicke der Struktur 18 angewendet werden, um die Form einer dünnen alleinstehenden dielektrischen Schicht, insbesondere um kontaktbasierten hohen elektrostatischen Druckkräften mehrere Male während des Betriebs zu widerstehen, ohne mechanischen und/oder elektrischen Ausfall aufrechtzuerhalten. Dies kann die Mindestdicke der Struktur 18 begrenzen, die verwendet werden kann, auch wenn eine Grenze einer elektrischen Durchschlagspannung nicht für die dielektrische Schicht bei der erforderlichen Betriebsspannung erreicht wurde. Dies kann wiederum die Abwärtsskalierung des Systems auf verwendbare Mindestluftzwischenräume beschränken, und somit eine höhere Spannung zur Betätigung im Vergleich zu Fällen erfordern, in denen dielektrische Schichten direkt auf den Elektroden sind (z. B. 3a-c, usw.), wobei in diesem Fall die Mindestdicke der dielektrischen Schicht auf der Elektrode lediglich durch die Grenze des elektrischen Durchschlages bei der erforderlichen Betriebsspannung begrenzt ist (da die erforderliche strukturelle Integrität und Robustheit von den Elektroden kommt, auf denen eine dielektrische Schicht produziert ist).Additionally, it may be difficult to maintain structural integrity and sufficient robustness of stand-alone dielectric/insulator layers 18 at lower thicknesses for a given design, particularly at the resolution limits of MEMS and NEMS production processes. Thus, a minimum thickness of the structure 18 may be applied to maintain the shape of a thin stand-alone dielectric layer, particularly to withstand contact-based high electrostatic compressive forces multiple times during operation without mechanical and/or electrical failure. This may limit the minimum thickness of the structure 18 that can be used even if an electrical breakdown voltage limit has not been reached for the dielectric layer at the required operating voltage. This in turn may limit downscaling of the system to minimum usable air gaps, and thus require a higher voltage for actuation compared to cases where dielectric layers are directly on the electrodes (e.g. 3a-c , etc.), in which case the minimum thickness of the dielectric layer on the electrode is limited only by the limit of electrical breakdown at the required operating voltage (since the required structural integrity and robustness comes from the electrodes on which a dielectric layer is produced ).

Die Anpassungsstruktur 18 kann zwischen den Biegeelementen 261 und 262 eingeklemmt sein, wie für die mechanischen Systeme 103 und 104 veranschaulicht ist. Die Anpassungsstruktur 18 kann einstückig mit den Isolatoren 361 und/oder 363 gebildet sein. Eine Isoliereigenschaft der Anpassungsstruktur 18 kann vorteilhaft sein, ist jedoch in einem Fall optional, in dem die Biegeelemente 261 und/oder 262 elektrisch isoliert sind, wenn dieselben beispielsweise eine darauf angeordnete Isolierschicht aufweisen und/oder wenn dieselben nicht-elektrisch betrieben werden, z. B. thermisch.The adjustment structure 18 may be clamped between the flexures 26 1 and 26 2 , as illustrated for the mechanical systems 10 3 and 10 4 . The adaptation structure 18 can be formed in one piece with the insulators 36 1 and/or 36 3 . An insulating property of the adaptation structure 18 may be advantageous, but is optional in a case where the bending elements 26 1 and/or 26 2 are electrically insulated, for example if they have an insulating layer arranged thereon sen and/or if they are operated non-electrically, e.g. B. thermal.

Auf der Basis einer Betätigung unter Verwendung des elektrischen Signals 16 und/oder ansprechend auf die Kraft F können die Zwischenräume 381 und 382 ihre Ausdehnung ändern. Beispielsweise können die Zwischenräume 381 und 382 zumindest in einem Bereich der Kontaktflächen 22a/22b zwischen dem Biegeelement 261 und der Anpassungsstruktur 18 und/oder zwischen der Anpassungsstruktur 18 und dem Biegeelement 262 in den Kontaktflächen 22c und 22d kleiner werden.Based on actuation using the electrical signal 16 and/or in response to the force F, the spaces 38 1 and 38 2 can change their extent. For example, the gaps 38 1 and 38 2 can become smaller at least in a region of the contact surfaces 22a/22b between the bending element 26 1 and the adaptation structure 18 and/or between the adaptation structure 18 and the bending element 26 2 in the contact surfaces 22c and 22d.

Ausgehend von einem Scheitel des Verlaufs, beispielsweise eine Position, an der die Ebene A-A' angeordnet ist, können sich die Kontaktflächen 22a-d entlang von Kontaktevolutionsrichtungen 441 und 442 vergrößern. Eine Vergrößerung der Kontaktfläche kann eine Vergrößerung des mechanischen Widerstands ermöglichen, der von der Anpassungsstruktur 18 durch den Mechanische-Steifheit-Beitrag derselben bereitgestellt wird, um Nichtlinearitäten in der möglichen elektrostatischen Betätigung der Biegeelemente 261 und 262 entgegenzuwirken.Starting from a vertex of the course, for example a position at which the plane AA' is arranged, the contact surfaces 22a-d can increase along contact evolution directions 44 1 and 44 2 . Increasing the contact area may enable an increase in the mechanical resistance provided by the conforming structure 18 through the mechanical stiffness contribution thereof to counteract nonlinearities in the possible electrostatic actuation of the flexures 26 1 and 26 2 .

Das mechanische System 201 kann als einzelner Aktor/Sensor verwendet werden, kann jedoch auch in Verbindung mit anderen mechanischen Systemen verwendet werden, beispielsweise als eine Menge davon. Mit anderen Worten zeigt 2a eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer Isolatorschicht 18 zwischen den Elektroden, anstelle des elektrostatischen Luftzwischenraums 381/382, in einer Draufsicht einer planaren Biegung bzw. einer Seitenansicht zur außerplanaren Biegung.The mechanical system 20 1 can be used as a single actuator/sensor, but can also be used in conjunction with other mechanical systems, for example as a set thereof. In other words shows 2a an exemplary base cell configuration with an insulator layer 18 between the electrodes, in place of the electrostatic air gap 38 1 /38 2 , in a planar bend top view and an extra-planar bend side view, respectively.

Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration kann sich auf einen elektrostatischen Biegeaktor (NED) zur Antwortmodulation auf der Basis von Kontaktbildung zwischen den Elektroden (261, 262) in dem elektrostatischen Zwischenraum über eine losgelöste Dielektrikum/Isolator-Schicht (18) beziehen, die mit einer Zellgeometrie an den Abstandhalterbereichen (28) durch elektrische Isolierungen (361, 362) der Elektroden verbunden ist. Wenn eine Potenzialdifferenz an die Elektroden angelegt wird, biegt sich die Zelle in der Richtung 14 (auf der Basis des NED-Prinzips) entlang der neutralen Faser der Zellgeometrie. Die größte Bewegung in den Elektroden 261, 262 wird in der Mitte der Zelle (AA-Ebene) entlang der Richtungen 341 bzw. 342 stattfinden. Über eine bestimmte Spannung (nicht notwendigerweise eine Anziehungsspannung der Zellgeometrie) hinaus, auf der Basis von Zellgestaltungsparametern wie etwa der Elektrodendicke, -länge, Zelltopografiewinkel, usw., werden die Elektroden in Kontakt mit der dielektrischen Schicht (18) treten, was eine erste Kontaktbildung zur Folge hat und was somit den Übergang in einen Bereich einer modulierten Antwort startet. The exemplary basic cell configuration may refer to an electrostatic bending actuator (NED) for response modulation based on contact formation between the electrodes (26 1 , 26 2 ) in the electrostatic gap via a detached dielectric / insulator layer (18) having a cell geometry is connected to the spacer areas (28) by electrical insulation (36 1 , 36 2 ) of the electrodes. When a potential difference is applied to the electrodes, the cell bends in the direction 14 (based on the NED principle) along the neutral fiber of the cell geometry. The greatest movement in the electrodes 26 1 , 26 2 will occur in the center of the cell (AA plane) along directions 34 1 and 34 2 , respectively. Beyond a certain voltage (not necessarily an attraction voltage of the cell geometry), based on cell design parameters such as electrode thickness, length, cell topography angle, etc., the electrodes will come into contact with the dielectric layer (18), resulting in initial contact formation and which thus starts the transition into a region of a modulated response.

Nach der ersten Kontaktbildung wird die Kontaktevolution entlang der Zelllänge in den Richtungen 5a bzw. 5b stattfinden und somit eine erhöhte Steifheit der Zellgeometrie, insbesondere in der Zellbiegerichtung, zur Folge haben, was der Nichtlinearität der Zellantwort bei angelegtem Betätigungsspannungssignal entgegenwirkt. Die Zellsymmetrie (entlang der AA-Ebene) hilft bei einer einfacheren Gestaltung und Steuerung des Aktors, ist jedoch nicht zwingend erforderlich, damit das Prinzip funktioniert. Die Geometrie kann über die Verwendung unterschiedlicher Produktionsprozesse, wie etwa Mengenmikrobearbeitung, Oberflächenmikrobearbeitung, 3D-Drucken, usw., oder über ihre Kombinationen sowohl planar als auch außerplanar realisiert werden.After the first contact formation, the contact evolution will take place along the cell length in the directions 5a and 5b and thus result in increased stiffness of the cell geometry, especially in the cell bending direction, which counteracts the nonlinearity of the cell response when the actuation voltage signal is applied. Cell symmetry (along the AA plane) helps simplify actuator design and control, but is not essential for the principle to work. The geometry can be realized through the use of different production processes, such as bulk micromachining, surface micromachining, 3D printing, etc., or through their combinations, both planar and extra-planar.

2b zeigt die schematische Draufsicht eines mechanischen Systems 2001, das eine Mehrzahl von Zellen 201 gemäß 2a aufweist. Die Zellen 201 sind in Reihe eine entlang der anderen angeordnet und an der jeweiligen Klemmung 282 einer vorherigen Zelle verbunden. Dadurch kann im Vergleich zu einer einzelnen Zelle eine Amplitude einer Auslenkung entlang der Biegerichtung 14 an einem nicht-geklemmten Ende 46 erhöht werden. 2c zeigt eine schematische Draufsicht eines mechanischen Systems 2002 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei eine zweite Hälfte 842 von Zellen 201 beispielsweise um 180 Grad gedreht ist. Während beispielsweise alle der Zellen des mechanischen Systems 201 eine Wölbung entlang der +y-Richtung aufweisen können, ist die Hälfte 481 der Zellen des mechanischen Systems 2002 dementsprechend angeordnet und die zweite Hälfte 482 weist Wölbungen entlang der -y-Richtung auf. Im Vergleich zu dem mechanischen System 2001 kann somit eine sogenannte s-Konfiguration erhalten werden, die es ermöglicht, zumindest teilweise eine Drehung des Endes 46 und zumindest teilweise eine geradlinige Bewegung des Endes 46 zu vermeiden. Die Gruppen oder Hälften 481 und 482 können auch umgekehrt angeordnet sein und/oder Zellen mit einer Wölbung entlang der +y-Richtung und entlang der -y-Richtung können abwechselnd angeordnet sein. Ferner kann eine beliebige Sequenz oder Art der Gruppierung ausgeführt werden. 2 B shows the schematic top view of a mechanical system 200 1 , which has a plurality of cells 20 1 according to 2a having. The cells 20 1 are arranged in series one along the other and connected to the respective clamp 28 2 of a previous cell. As a result, an amplitude of a deflection along the bending direction 14 at a non-clamped end 46 can be increased compared to a single cell. 2c shows a schematic top view of a mechanical system 200 2 according to an exemplary embodiment, with a second half 84 2 of cells 20 1 being rotated, for example, by 180 degrees. For example, while all of the cells of the mechanical system 20 1 may have a curvature along the +y direction, half 48 1 of the cells of the mechanical system 200 2 are arranged accordingly and the second half 48 2 have curvatures along the -y direction . In comparison to the mechanical system 200 1 , a so-called s-configuration can thus be obtained, which makes it possible to at least partially avoid rotation of the end 46 and at least partially avoid a rectilinear movement of the end 46. The groups or halves 48 1 and 48 2 can also be arranged in reverse and/or cells with a curvature along the +y direction and along the -y direction can be arranged alternately. Furthermore, any sequence or type of grouping can be carried out.

2d zeigt eine schematische Draufsicht eines mechanischen Systems 2003, das eine zweifach-geklemmte Konfiguration aufweist, d. h. beide Enden der Kette von Zellen sind geklemmt. Dies kann es ermöglichen, eine Auslenkung des mechanischen Systems 2003 entlang der Biegerichtung 14 stärker an einer Mitte oder einem Zentrum des mechanischen Systems 2003 zu erhalten. 2d shows a schematic top view of a mechanical system 200 3 that has a double-clamped configuration, ie both ends of the chain of cells are clamped. This may make it possible to obtain deflection of the mechanical system 200 3 along the bending direction 14 more at a center or center of the mechanical system 200 3 .

2e zeigt eine schematische Draufsicht auf ein weiteres mechanisches System 2004 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Ausgehend von einer Mitte 48 des mechanischen Systems 2004 bzw. dem auslenkbaren Teil desselben ist vorzugsweise eine symmetrische Anzahl von beispielsweise zwei Zellen 201 in einer derartigen Ausrichtung angeordnet, dass die Wölbung entlang der y-Richtung auftritt, und dann folgt darauf eine vorzugsweise symmetrische Anzahl von Zellen 201, die eine alternative Wölbung entlang der +y-Richtung aufweisen. Die Anzahl von Zellen, die die Richtung der Wölbung entlang der +y-Richtung und entlang der-y-Richtung aufweisen, kann gleich sein. Ausführungsbeispiele sorgen auch für Strukturen, bei denen, ausgehend von der Mitte 48, die Zellen asymmetrisch im Hinblick auf eine Anzahl von Zellen und/oder im Hinblick auf die Struktur von Zellen und/oder im Hinblick auf die Ausrichtung davon angeordnet sind. 2e shows a schematic top view of another mechanical system 200 4 according to an exemplary embodiment. Starting from a center 48 of the mechanical system 200 4 or the deflectable part thereof, a symmetrical number of, for example, two cells 20 1 is preferably arranged in such an orientation that the curvature occurs along the y-direction, and then this is followed by a preferably symmetrical one Number of cells 20 1 that have an alternative curvature along the +y direction. The number of cells having the direction of curvature along the +y direction and along the -y direction may be equal. Embodiments also provide for structures in which, starting from the center 48, the cells are arranged asymmetrically with respect to a number of cells and/or with respect to the structure of cells and/or with respect to the orientation thereof.

Obwohl die mechanischen Systeme 2001 bis 2004 dahingehend veranschaulicht sind, dass sie acht Zellen aufweisen, kann die Anzahl davon unterschiedlich sein, beispielsweise zumindest 2, zumindest 3, zumindest 4, zumindest 8, oder sogar höher. Mechanische Systeme gemäß Ausführungsbeispielen können unterschiedliche Implementierungen von einzelnen Zellen derselben aufweisen, wobei diese Zellen ähnlich oder unterschiedlich implementiert sind. Das heißt, jedes hierin beschriebene mechanische System kann einzeln oder in Kombination mit zumindest einer Zelle oder einer höheren Anzahl von Zellen verwendet werden, wobei die Zellen von derselben Art oder vom selben Ausführungsbeispiel oder von einer unterschiedlichen Art oder einem unterschiedlichen Ausführungsbeispiel sind. Gleiche oder unterschiedliche Konfigurationen können auf beliebige Weise oder mit jedem Konzept kombiniert werden.Although the mechanical systems 200 1 to 200 4 are illustrated as having eight cells, the number thereof may vary, for example at least 2, at least 3, at least 4, at least 8, or even higher. Mechanical systems according to embodiments may have different implementations of individual cells thereof, with these cells being implemented similarly or differently. That is, each mechanical system described herein may be used individually or in combination with at least one cell or a greater number of cells, the cells being of the same type or embodiment or of a different type or embodiment. Same or different configurations can be combined in any way or with any concept.

Mit anderen Worten zeigen 2b bis 2e beispielhafte Biegebalkenkonfigurationen. 2b zeigt eine klemmfreie Konfiguration, 2c zeigt eine klemmfreie S-Konfiguration, 2d zeigt eine zweifach-geklemmte Konfiguration, und 2e zeigt eine zweifach-geklemmte S-Konfiguration, jeweils in Draufsicht für eine planare Biegung oder in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. 2b-2e zeigen grundlegende Biegeaktorbalkenkonfigurationen für die beispielhafte Zelle, die in 2a dargestellt wird: (i) klemmfreie Konfiguration: alle Zellen biegen sich in derselben Richtung, was eine Biegebewegung in einer Richtung 14 des freien Endes des Balkens zur Folge hat; (ii) klemmfreie S-Konfiguration: Zellen einer Gruppe 481 und Zellen einer Gruppe 482 biegen sich in entgegengesetzten Richtungen, um bei Betätigung eine S-Konfiguration zu bilden, um eine Drehung des freien Endes des Balkens zu vermeiden und eine geradlinige Bewegung in der Richtung 14 zu ermöglichen; (iii) zweifach-geklemmte Konfiguration: alle Zellen biegen sich in derselben Richtung, was eine Bewegung in der Richtung 14 des Balkenzentrums zur Folge hat; (iv) zweifach-geklemmte S-Konfiguration: Zellen, die sich entlang +y biegen, und Zellen, die sich entlang -y biegen, biegen sich in entgegengesetzte Richtung, um bei Betätigung eine S-Konfiguration auf jeder Seite der Mitte des Balkens zu bilden, um eine geradlinige Bewegung in der Richtung 14 zu erzielen.In other words, show 2 B until 2e exemplary bending beam configurations. 2 B shows a clamp-free configuration, 2c shows a clamp-free S configuration, 2d shows a double-clamped configuration, and 2e shows a double-clamped S configuration, each in a top view for a planar bend or in a side view for an out-of-planar bend. 2b-2e show basic bending actuator beam configurations for the example cell shown in 2a illustrating: (i) clamp-free configuration: all cells bend in the same direction, resulting in a bending movement in one direction 14 of the free end of the beam; (ii) Clamp-free S configuration: Cells of a group 48 1 and cells of a group 48 2 bend in opposite directions to form an S configuration when actuated to avoid rotation of the free end of the beam and allow rectilinear movement in to enable direction 14; (iii) double-clamped configuration: all cells bend in the same direction, resulting in movement in the direction 14 of the beam center; (iv) double-clamped S-configuration: cells that bend along +y and cells that bend along -y bend in opposite directions to form an S-configuration on each side of the center of the beam when actuated form to achieve a rectilinear movement in the direction 14.

2f zeigt eine schematische Draufsicht eines mechanischen Systems 202, das im Vergleich zu dem mechanischen System 201 eine mehrschichtige Anpassungsstruktur aufweist, bei der eine Mehrzahl von Schichten 181 und 182, optional zusätzliche Schichten, einen jeweiligen Zwischenraum 383 zwischen benachbarten Schichten 181 und 182 aufweist, wobei der Zwischenraum 383 in einem ausgelenkten Zustand der Biegewandlerstruktur 12 teilweise geschlossen ist. Die Anpassungsstruktur 18 kann eine Schichtstruktur aufweisen, die planar zwischen dem ersten Biegeelement 261 und dem zweiten Biegeelement 262 angeordnet ist. Die unterschiedlichen Schichten 181 und 182 können einen fortlaufenden Zwischenraum dazwischen aufweisen oder können einen unterbrochenen Zwischenraum aufweisen, beispielsweise wenn sie miteinander an diskreten Positionen kontaktiert werden. 2f shows a schematic top view of a mechanical system 20 2 , which, in comparison to the mechanical system 20 1 , has a multi-layer adaptation structure, in which a plurality of layers 18 1 and 18 2 , optionally additional layers, a respective gap 38 3 between adjacent layers 18 1 and 18 2 , wherein the gap 38 3 is partially closed in a deflected state of the bending transducer structure 12. The adaptation structure 18 may have a layer structure that is arranged in a planar manner between the first bending element 26 1 and the second bending element 26 2 . The different layers 18 1 and 18 2 may have a continuous gap therebetween, or may have a discontinuous gap, for example when contacted with each other at discrete positions.

Mit anderen Worten zeigt 2f eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit mehreren Isolatorschichten zwischen den Elektroden in dem elektrostatischen Luftzwischenraum für Möglichkeiten der Bildung mehrerer Kontakte in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist mehrere losgelöste Dielektrikum/Isolator-Schichten (181, 182) zwischen den Elektroden (261, 262) in den elektrostatischen Luftzwischenräumen (381-383) für Möglichkeiten der Bildung mehrerer Kontakte bei Betätigung auf. In Abhängigkeit von der Steifheit (Dicke, Elastizitätsmodul, usw.) der dielektrischen Schichten in der Biegerichtung und der Positionierung der separaten Isolatorschichten in Bezug auf eine neutrale Faser der Zellgeometrie (d. h. wie weit sich die dielektrische Schicht in Bezug auf die Elektroden ausdehnen oder zusammenziehen wird) können je nach Anforderung unterschiedliche Konfiguration zur Kontaktbildung und -evolution erzielt werden. Eine Kontaktbildung und -evolution nur zwischen den Isolatorschichten 181 und 182 ist auch durch ihre Bewegung in den Richtungen 34a3 und 34b3 mit einer Kontaktevolution in den Richtungen 44a3 und 44b3 möglich. Dies hilft dabei, die Wahrscheinlichkeiten der dielektrischen Aufladung zu reduzieren, da Elektroden mit einem Potenzial nicht in Kontakt mit den Oberflächen der dielektrischen Schicht zur nichtlinearen Versteifung einer Zelle über eine Kontaktbildung bei Betätigung sein werden. Alternativ dazu kann eine Kontaktbildung aller Elektroden (261, 262) und der dielektrischen Schichten (181, 182) insgesamt mit Kontaktevolution in den Zellbiegerichtungen (44) erzielt werden, um eine höhere Zellsteifheit bei angelegtem Spannungssignal zusammen mit höheren bereitstellbaren elektrostatischen Kräften zu erhalten.In other words shows 2f an exemplary base cell configuration with multiple insulator layers between the electrodes in the electrostatic air gap for possibilities of forming multiple contacts in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend. The exemplary base cell configuration has multiple detached dielectric/insulator layers (18 1 , 18 2 ) between the electrodes (26 1 , 26 2 ) in the electrostatic air gaps (38 1 -38 3 ) for possibilities of forming multiple contacts upon actuation. Depending on the stiffness (thickness, elastic modulus, etc.) of the dielectric layers in the bending direction and the positioning of the separate insulator layers with respect to a neutral fiber of the cell geometry (i.e. how far the dielectric layer will expand or contract with respect to the electrodes ) different configurations for contact formation and evolution can be achieved depending on the requirements. Contact formation and evolution only between the insulator layers 18 1 and 18 2 is also possible through their movement in directions 34a 3 and 34b 3 with contact evolution in directions 44a 3 and 44b 3 . This helps reduce the chances of dielectric charging since electrodes with a potential are not in contact with the surfaces of the dielectric layer to non-linearly stiffen a cell via a contact pattern when operated. Alternatively, contact formation of all electrodes (26 1 , 26 2 ) and the dielectric layers (18 1 , 18 2 ) as a whole can be achieved with contact evolution in the cell bending directions (44) in order to achieve higher cell stiffness when a voltage signal is applied together with higher electrostatic forces that can be provided to obtain.

Die Konfiguration aus 2f sorgt für Vorteile, z. B. im Vergleich zu 2a, da sogar mit derselben Zelle unterschiedliche lineare Regime mit unterschiedlichen Neigungen auf der Basis eines Auftretens unterschiedlicher Regime zur Kontaktbildung und -ausbreitung und ihrer Überlagerung nur durch die Erhöhung der Betätigungsspannung erhalten werden können. Die Abmessung von Elektroden, dielektrischen Schichten und Luftzwischenräumen kann in derselben Größenordnung wie bei 2a liegen, jedoch muss entsprechend die Gesamtsteifheit der Zelle reduziert werden oder die Betätigungsspannung muss erhöht werden, um aus 2f denselben Biegebereich wie in 2a zu erhalten, da das Vorhandensein mehrerer Schichten und Luftzwischenräume den Gesamtzwischenraum zwischen den Elektroden 261 und 262 erhöht (insbesondere bei den Produktionsauflösungsgrenzen des verwendeten Produktionsprozesses), was die elektrostatischen Gesamtkräfte reduzieren wird (was durch das Reduzierung der Zellbiegesteifheit insgesamt oder durch Erhöhung der Betätigungsspannung kompensiert werden kann). Die Zellbiegesteifheit kann für gewöhnlich durch die Verwendung dünnerer und/oder längerer Elektrode/Dielektrikum-Schichten mit höheren Kuppelwinkeln reduziert werden.The configuration 2f provides advantages, e.g. B. compared to 2a , since even with the same cell, different linear regimes with different slopes can be obtained on the basis of occurrence of different contact formation and propagation regimes and their superposition only by increasing the actuation voltage. The dimension of electrodes, dielectric layers and air gaps can be of the same order of magnitude as in 2a However, the overall stiffness of the cell must be reduced accordingly or the actuation voltage must be increased in order to be off 2f same bending range as in 2a since the presence of multiple layers and air gaps increases the total gap between the electrodes 26 1 and 26 2 (particularly at the production resolution limits of the production process used), which will reduce the overall electrostatic forces (which can be achieved by reducing the overall cell bending stiffness or by increasing the actuation voltage can be compensated). Cell bending stiffness can usually be reduced by using thinner and/or longer electrode/dielectric layers with higher dome angles.

2g zeigt eine schematische Draufsicht auf ein mechanisches System 203 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei die Anpassungsstruktur 18 einen veränderlichen Abstand zu zumindest einem Biegeelement 261 und/oder 262 der Biegewandlerstruktur 12 aufweist, beispielsweise bei einem Vergleich des mechanischen Systems 203 mit dem mechanischen System 201, kann eine Schicht 52 der Anpassungsstruktur 18 eine oder mehrere Erhebungen 541, 542 auf einer oder beiden Seiten der Schicht 52 aufweisen, wobei eine Position einer Erhebung 541 und/oder 542 symmetrisch oder asymmetrisch im Hinblick auf die Seite, die auf das Biegeelement 261 zeigt, und die Seite, die auf das Biegeelement 262 zeigt, und/oder entlang der Verlaufsrichtung x sein kann. Das heißt, eine Anzahl von Erhebungen 54i, 542 auf einer ersten Seite 52A und auf einer zweiten, gegenüberliegenden Seite 52B der Schicht 52 kann gleich oder unterschiedlich sein, eine Höhe der Erhebungen 541 und 542 kann auf der Basis der Gestaltungskriterien gleich oder unterschiedlich sein. Durch die Erhöhungen 541 und 542 kann ein veränderlicher Abstand der Anpassungsstruktur zu zumindest einem der Biegeelemente 261 und 262 entlang einer Axialrichtung davon erhalten werden. 2g shows a schematic top view of a mechanical system 20 3 according to an exemplary embodiment, wherein the adaptation structure 18 has a variable distance to at least one bending element 26 1 and/or 26 2 of the bending transducer structure 12, for example when comparing the mechanical system 20 3 with the mechanical system 20 1 , a layer 52 of the adaptation structure 18 may have one or more elevations 54 1 , 54 2 on one or both sides of the layer 52, a position of a elevation 54 1 and/or 54 2 being symmetrical or asymmetrical with respect to the side, which points to the bending element 26 1 , and the side which points to the bending element 26 2 , and/or may be along the direction x. That is, a number of elevations 54i, 54 2 on a first side 52A and on a second, opposite side 52B of the layer 52 may be the same or different, a height of the elevations 54 1 and 54 2 may be the same or different based on the design criteria be different. Through the elevations 54 1 and 54 2 , a variable distance of the adaptation structure to at least one of the bending elements 26 1 and 26 2 can be obtained along an axial direction thereof.

Die Erhöhungen 541 und/oder 542 können aus einem selben Material wie die Schicht 52 oder aus einem unterschiedlichen Material bestehen. Das Bilden der Schicht 52 und der Erhöhungen 541, 542 aus einem selben, möglicherweise dielektrischen Material kann eine einfache Herstellung ermöglichen. Die Erhöhungen 541 und 542 können es ermöglichen, Haftreibungseffekte zu reduzieren, indem die Fläche, an der ein Kontakt gebildet wird, reduziert wird. Aus einem anderen Blickwinkel kann die Kontaktfläche 22a/22b einerseits und/oder 22c/22d andererseits getrennt oder strukturiert sein.The elevations 54 1 and/or 54 2 can consist of the same material as the layer 52 or of a different material. Forming the layer 52 and the ridges 54 1 , 54 2 from the same, possibly dielectric, material may allow for ease of manufacture. The ridges 54 1 and 54 2 may make it possible to reduce stiction effects by reducing the area on which contact is formed. From another perspective, the contact surface 22a/22b on the one hand and/or 22c/22d on the other hand can be separated or structured.

2g zeigt somit eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer strukturierten Isolatorschicht in einem elektrostatischen Luftzwischenraum zwischen den Elektroden, um Kontaktpunkte bei Betätigung zu reduzieren, in einer Draufsicht zur planaren Biegung bzw. einer Seitenansicht zur außerplanaren Biegung. 2g thus shows an exemplary base cell configuration with a structured insulator layer in an electrostatic air gap between the electrodes to reduce contact points during actuation, in a top view for planar bending and a side view for extra-planar bending, respectively.

Mit anderen Worten weist die beispielhafte Basiszellenkonfiguration eine strukturierte Dielektrikum/Isolator-Schicht 52 in dem elektrostatischen Luftzwischenraum zwischen den Elektroden auf, um eine effektive Kontaktfläche zwischen der dielektrischen Schicht 52 und den Elektroden 261 und 262 bei Kontaktbildung und -evolution in den Richtungen 441, 442 bei Betätigung zu reduzieren.In other words, the exemplary base cell configuration includes a patterned dielectric/insulator layer 52 in the electrostatic air gap between the electrodes to provide an effective contact area between the dielectric layer 52 and the electrodes 26 1 and 26 2 upon contact formation and evolution in the directions 44 1 , 44 2 to reduce when actuated.

Ein Hauptvorteil der Konfiguration gemäß 2g, beispielsweise im Vergleich zu 2a oder 2f, kann darin liegen, dass eine niedrige Anzahl von Kontaktpunkten vorhanden ist, die die Haftreibungswahrscheinlichkeiten und auch die dielektrische Aufladung der dielektrischen Schichten aufgrund des sich wandelnden Kontakts mit den Elektroden stark reduzieren kann. Die Konfiguration aus 2g kann eine Reduktion einer Nichtlinearität einer Zellantwort nur durch einen anfänglichen Kontakt auf der AA'-Ebene und ein Ausdehnen von Elektroden in der Biegerichtung erreichen. Um dies zu erreichen, ist eine fortlaufende Kontaktverbreitung nicht erforderlich, und andere strukturierte Bereiche sind nicht zwingend zur Reduzierung einer Nichtlinearität der Antwort erforderlich. Die anderen Kontaktstellen (541 und/oder 542) können zur besseren Führung und zur höheren Steifheitszunahme verwendet werden, wenn eine Kontaktbildung an denselben auftritt, während eine höhere elektrostatische Kraft aufgrund einer höheren effektiven relativen Permittivität erzeugt wird.A main advantage of the configuration 2g , for example compared to 2a or 2f , may be due to the presence of a low number of contact points, which can greatly reduce the static friction probabilities and also the dielectric charging of the dielectric layers due to the changing contact with the electrodes. The configuration 2g can achieve reduction of nonlinearity of cell response only by initial contact at the AA' plane and extending electrodes in the bending direction. To achieve this, continuous contact propagation is not required, and other structured areas are not necessarily required to reduce response nonlinearity. The other contact points (54 1 and/or 54 2 ) may be used for better guidance and greater stiffness gain when contact formation occurs thereon while generating a higher electrostatic force due to a higher effective relative permittivity.

Alternativ können die zwei Elektroden 261 und 262 auch strukturiert sein (in einer Nut/Feder-Konfiguration), um einen reduzierten Kontaktbereich für eine einfachere Produktion aufzuweisen. Die elektrische Schicht und die Elektroden können sogar gleichzeitig mit Nut/Feder versehen sein oder zu Oberflächen mit einer höheren Rauigkeit gefertigt werden (z. B. unter Verwendung von DRIE-Ätzungsprozessen von kristallinem Silizium, um tiefe Wellungen auf Seitenwänden von Si-Elektroden und Si-Gräben zu erzeugen, die mit dem konformen dielektrischen Material, beispielsweise Al2O3, unter Verwendung eines Prozesses zur Atomlagenabscheidung, ALD, gefüllt werden, um die Form des Grabens anzunehmen und bei Freigabe eine hohe Oberflächenrauigkeit aufzuweisen).Alternatively, the two electrodes 26 1 and 26 2 may also be structured (in a tongue and groove configuration) to have a reduced contact area for easier production. The The electrical layer and the electrodes can even be tongue-and-groove at the same time or manufactured into surfaces with a higher roughness (e.g. using DRIE etching processes of crystalline silicon to create deep corrugations on sidewalls of Si electrodes and Si- to create trenches that are filled with the conformal dielectric material, for example Al2O3, using an atomic layer deposition (ALD) process to take the shape of the trench and have a high surface roughness when released).

Die Abmessung der Elektroden, dielektrischen Schichten und Luftzwischenräume kann in derselben Größenanordnung wie bei 2a liegen, jedoch muss entsprechend die Gesamtsteifheit der Zelle reduziert werden oder eine Betätigungsspannung muss erhöht werden, um aus 2g denselben Biegebereich wie bei 2a zu erhalten, da das Vorhandensein von strukturierten dielektrischen Schichten und Luftzwischenräumen den Gesamtzwischenraum zwischen Elektroden 261 und 262 erhöhen wird (insbesondere an den Produktionsauflösungsgrenzen des verwendeten Produktionsprozesses, was die elektrostatischen Gesamtkräfte reduzieren wird), was durch die Reduzierung der Gesamtbiegesteifheit der Zelle oder die Erhöhung der Betätigungsspannung kompensiert werden kann). Die Zellbiegesteifheit kann für gewöhnlich durch die Verwendung dünnerer und/oder längerer Elektrode/Dielektrikum-Schichten mit höheren Kuppelwinkeln verwendet werden.The dimension of the electrodes, dielectric layers and air gaps can be in the same size arrangement as in 2a However, the overall stiffness of the cell must be reduced accordingly or an actuation voltage must be increased in order to be off 2g same bending range as in 2a since the presence of structured dielectric layers and air gaps will increase the total gap between electrodes 26 1 and 26 2 (particularly at the production resolution limits of the production process used, which will reduce the overall electrostatic forces), which is achieved by reducing the overall bending stiffness of the cell or the Increasing the actuation voltage can be compensated for). Cell bending stiffness can usually be achieved by using thinner and/or longer electrode/dielectric layers with higher dome angles.

3a zeigt eine schematische Draufsicht oder Seitenansicht eines mechanischen Systems 301, das, beispielsweise im Vergleich zu dem mechanischen System 202, Schichten 181 bis 184 der Anpassungsstruktur 18 aufweist, um die Biegeelemente 261 und/oder 262 auf beiden Seiten abzudecken, was beispielsweise eine Anzahl von vier Schichten zur Folge haben kann. Das heißt, statt einer Mehrzahl von Zwischenräumen, wie sie das mechanische System 202 aufweist, kann ein einzelner Zwischenraum 38 erhalten werden. 3a shows a schematic top view or side view of a mechanical system 30 1 which, for example in comparison to the mechanical system 20 2 , has layers 18 1 to 18 4 of the adaptation structure 18 in order to cover the bending elements 26 1 and/or 26 2 on both sides, which can, for example, result in a number of four layers. That is, instead of a plurality of gaps as the mechanical system 20 2 has, a single gap 38 can be obtained.

Mit anderen Worten zeigt 3a eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer Dielektrikum/Isolator-Schicht auf allen Seiten der Elektroden als Draufsicht für eine planare Biegung bzw. Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist eine Dielektrikum/Isolator-Schicht auf allen Seiten der Elektroden für eine hohe dielektrische Konstante in einem elektrostatischen Zwischenraum (für höhere Kräfte) und für eine vollständige und sichere elektrische Isolation auf (auch mit einer benachbarten äußeren Balkenelektrode). Außerdem ist die Eigenbeanspruchung bei solch einer Konfiguration inhärent niedriger, insbesondere im Fall einer homogenen dielektrischen Schicht, die über konforme Abscheidungsprozesse wie etwa Atomlagenabscheidung (ALD) erzielt werden kann. Für ein System mit einer kompakten Stapelung der Biegezellenbalken (2b-e) auf parallele Weise kann eine Kontaktbildung mit äußeren Elektroden von Zellen von benachbarten Balken auch unter Verwendung einer Zellgeometrie, wie sie in 3a gezeigt ist, hergestellt werden (über die äußerste Isolationsschicht auf Elektroden), um die Steifheit des gesamten Stapels der Aktorbalken (neben der Kontaktbildung und -evolution in dem elektrostatischen Zwischenraum der Zelle) zu modulieren.In other words shows 3a an exemplary base cell configuration with a dielectric/insulator layer on all sides of the electrodes as a top view for a planar bend and a side view for an extra-planar bend, respectively. The exemplary basic cell configuration has a dielectric/insulator layer on all sides of the electrodes for a high dielectric constant in an electrostatic gap (for higher forces) and for complete and secure electrical isolation (even with an adjacent outer bar electrode). Furthermore, the intrinsic stress is inherently lower in such a configuration, particularly in the case of a homogeneous dielectric layer, which can be achieved via conformal deposition processes such as atomic layer deposition (ALD). For a system with a compact stacking of the bending cell beams ( 2b-e ) in a parallel manner, contact formation with external electrodes of cells from adjacent bars can also be achieved using a cell geometry as shown in 3a shown (via the outermost insulation layer on electrodes) to modulate the stiffness of the entire stack of actuator beams (in addition to contact formation and evolution in the electrostatic gap of the cell).

Die Struktur gemäß 3a sorgt neben den bereits erwähnten, z. B. im Vergleich zu 2a oder 2f, für weitere Vorteile.The structure according to 3a In addition to those already mentioned, e.g. B. compared to 2a or 2f , for more benefits.

Beispielsweise sorgt sie für eine einfache und besser steuerbare Produktion dielektrischer Schichten (181-4) mit einer erforderlichen Dicke auf den Elektroden, insbesondere unter Verwendung von standardmäßigen MEMS- und NEMS-Produktionsprozessen und -materialen. Auf der Basis von konformen Abscheidungsprozessen wie etwa ALD können die dielektrischen Schichten auch abgeschieden werden, um viel geringere Luftzwischenräume als die Produktionsauflösungsgrenzen zu erhalten, indem die Zellgeometrie nach der Produktion beschichtet wird, um niedrigere Betätigungsspannungen aufzuweisen.For example, it provides simple and more controllable production of dielectric layers (18 1-4 ) with a required thickness on the electrodes, in particular using standard MEMS and NEMS production processes and materials. Based on conformal deposition processes such as ALD, the dielectric layers can also be deposited to obtain much smaller air gaps than the production resolution limits by coating the cell geometry after production to have lower actuation voltages.

Ferner ist die Grenze der strukturellen Integrität kein einschränkender Faktor der erforderlichen minimalen Dicke der dielektrischen Schicht, die einzige Hauptgrenze ist die elektrische Durchschlaggrenze bei der maximalen Betriebsspannung.Furthermore, the limit of structural integrity is not a limiting factor of the required minimum thickness of the dielectric layer, the only main limit is the electrical breakdown limit at the maximum operating voltage.

Jedoch sind Flächen mit Schnittstellen von Leiter/Metall zu Dielektrikum/Isolatormaterial signifikant mehr, was zu einer höheren Aufladungswirkung und zu zunehmenden Reibungshaftungswahrscheinlichkeiten zwischen Kontaktoberflächen führen kann. Für höhere Aufladungseffekte, die zu Reibungshaftungsproblemen führen, welche durch Gestaltungsverfahren, wie etwa steifere Elektroden mit elektrostatischen Anzieh- und/oder Abstoß-Effekten (Pull-in bzw. Pull-out) zur Kontaktbildung bzw. ihrer einfacheren Öffnung lösbar sind, können konforme Antihaftreibungsbeschichtungen, wie etwa eine ALD-aufgebrachte FDTS-(Perfluordecyltrichlorsilan)-Schicht verwendet werden, oder das System kann über Amplituden-modulierte elektrische Wechselstromsignale bei viel höherer Frequenz als der maximalen mechanischen Antwortfrequenz einer Zelle betrieben werden, um die Zellen schnell elektrisch zu entladen und jegliche Aufladungseffekte zu reduzieren.However, there are significantly more areas with conductor/metal to dielectric/insulator material interfaces, which can lead to higher charging effects and increasing frictional adhesion probabilities between contact surfaces. For higher charging effects that lead to frictional adhesion problems, which can be solved by design methods such as stiffer electrodes with electrostatic attraction and/or repulsion effects (pull-in or pull-out) for contact formation or their easier opening, conformal non-stick friction coatings can be used , such as an ALD-deposited FDTS (perfluorodecyltrichlorosilane) layer, or the system can be operated via amplitude-modulated AC electrical signals at much higher frequency than a cell's maximum mechanical response frequency to rapidly electrically discharge the cells and any Reduce charging effects.

3b zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 302, bei dem im Vergleich zu dem mechanischen System 301 lediglich die inneren Anpassungsstrukturschichten 181 und 182 angeordnet sind, als nicht einschränkendes Beispiel. Der zweite nichtlineare Mechanische-Steifheit-Beitrag kann somit im Vergleich zu dem mechanischen System 301 unterschiedlich sein. Jedoch kann die elektrische Isolierung dennoch erhalten werden. 3b shows a schematic view of a mechanical system 30 2 in which only the internal adaptation structure layers 18 1 and 18 2 are arranged compared to the mechanical system 30 1 , as a non-limiting example. The second nonlinear mechanical stiffness contribution can thus be different compared to the mechanical system 30 1 . However, electrical insulation can still be maintained.

Mit anderen Worten zeigt 3b eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer Isolatorschicht auf Elektroden nur auf der Seite des elektrostatischen Zwischenraums zwischen den Elektroden, um eine dielektrische Aufladung zu reduzieren, in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist eine Isolatorschicht auf Elektroden lediglich auf der Seite der elektrostatischen Zwischenräume zwischen den Elektroden auf, um Wahrscheinlichkeiten einer möglichen dielektrischen Aufladung und zugeordnete Haftreibungswahrscheinlichkeiten zu reduzieren, während eine hohe dielektrische Konstante in dem elektrostatischen Zwischenraum (für höhere Kräfte) und eine erforderliche elektrische Isolierung beibehalten werden.In other words shows 3b an exemplary base cell configuration with an insulator layer on electrodes only on the side of the electrostatic gap between the electrodes to reduce dielectric charging, in a top view for a planar bend and a side view for an extra-planar bend, respectively. The exemplary basic cell configuration has an insulator layer on electrodes only on the side of the electrostatic gaps between the electrodes to reduce probabilities of possible dielectric charging and associated stiction probabilities, while having a high dielectric constant in the electrostatic gap (for higher forces) and a required electrical Isolation should be maintained.

Im Vergleich zu den Strukturen aus 2a, 2f und/oder 3a können Vorteile der Struktur gemäß 3b, neben den bereits erwähnten, darin liegen, dass die Struktur eine Zwischenkompromisskonfiguration zwischen 2a und 3a ist - die weniger Aufladung, Haftreibung und Schnittstellen im Vergleich zu 3a aufweist, während dieselbe weiterhin die mechanische strukturelle Integrität von dielektrischen Schichten aufweist, die von den Elektroden kommt, im Gegensatz zu 2a. Dieselbe wird jedoch aufgrund eines Nichtvorhandenseins von entgegenwirkenden Eigenbeanspruchungen von umgekehrten Schnittstellen eine höherer Gesamteigenbeanspruchung als 2a und 3 aufweisen,.Compared to the structures 2a , 2f and or 3a can have advantages according to the structure 3b , in addition to those already mentioned, is that the structure is an intermediate compromise configuration between 2a and 3a is - which has less charging, static friction and interfaces compared to 3a while still having the mechanical structural integrity of dielectric layers coming from the electrodes, as opposed to 2a . However, due to the absence of counteracting self-stresses from reversed interfaces, the total self-stress will be higher than 2a and 3 exhibit,.

3c zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 303, das ausgehend von dem mechanischen System 302 lediglich eine der Anpassungsstrukturen 181 und 182 aufweist, beispielsweise die Anpassungsstruktur 181. Das kann die dielektrische Aufladung weiter verringern und dennoch für eine Isolierung zwischen den Elektroden 261 und 162 sorgen. Der zweite nichtlineare Steifheitsbeitrag kann vorteilhafterweise auf eines der Biegeelemente 261 und 162 angewendet werden, wodurch ein weiterer Freiheitsgrad bereitgestellt wird. Im Vergleich zu dem mechanischen System 201, bei dem die Anpassungsstruktur 18 symmetrisch zwischen den Biegeelementen 261 und 262 ist, können unterschiedliche Abstände im Hinblick auf die Biegeelemente 261 und 262 implementiert werden, wobei einer der Abstände möglicherweise auf null reduziert wird, wie für das mechanische System 303 gezeigt ist. 3c shows a schematic view of a mechanical system 30 3 , which, starting from the mechanical system 30 2 , has only one of the adaptation structures 18 1 and 18 2 , for example the adaptation structure 18 1 . This can further reduce the dielectric charge while still providing insulation between the electrodes 26 1 and 16 2 . The second nonlinear stiffness contribution can advantageously be applied to one of the bending elements 26 1 and 16 2 , thereby providing a further degree of freedom. Compared to the mechanical system 20 1 in which the adjustment structure 18 is symmetrical between the flexures 26 1 and 26 2 , different spacings can be implemented with respect to the flexures 26 1 and 26 2 , with one of the spacings possibly being reduced to zero , as shown for the mechanical system 30 3 .

Mit anderen Worten zeigt 3c eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer Isolatorschicht lediglich auf einer Elektrode auf der Seite des elektrostatischen Zwischenraums zwischen den Elektroden, um eine dielektrische Ladung zu reduzieren, in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist eine Isolatorschicht lediglich auf einer Elektrode auf der Seite des elektrostatischen Zwischenraums zwischen den Elektroden auf, um Wahrscheinlichkeiten einer potenziellen dielektrischen Aufladung und zugehörige Haftreibungswahrscheinlichkeiten weiter zu reduzieren, während eine hohe dielektrische Konstante in dem elektrostatischen Zwischenraum (für höhere Kräfte) und eine erforderliche elektrostatische Isolierung ermöglicht werden.In other words shows 3c an exemplary base cell configuration with an insulator layer only on an electrode on the side of the electrostatic gap between the electrodes to reduce a dielectric charge, in a plan view for a planar bend and a side view for an extra-planar bend, respectively. The exemplary basic cell configuration includes an insulator layer only on one electrode on the side of the electrostatic gap between the electrodes to further reduce probabilities of potential dielectric charging and associated stiction probabilities, while having a high dielectric constant in the electrostatic gap (for higher forces) and a required electrostatic insulation can be made possible.

Anstelle einer Anwendung einer einzelnen Anpassungsstruktur 181 auf dem Biegeelement 261 kann die Schicht auch auf der äußeren Seite davon und/oder auf der inneren oder äu-ßeren Seite des Biegeelements 262 aufgetragen werden.Instead of applying a single adaptation structure 18 1 on the bending element 26 1 , the layer can also be applied on the outer side thereof and/or on the inner or outer side of the bending element 26 2 .

Im Vergleich zu 3b kann die Struktur aus 3c vorteilhafterweise für weniger Schnittstellenflächen und somit weniger Aufladung sorgen sowie für eine für gewöhnlich niedrigere Gesamteigenbeanspruchung in der Zelle für gleiche Gestaltungsparameter (da eine Eigenbeanspruchung von Schnittstellen für gewöhnlich dominanter ist). Ferner kann eine noch bessere strukturelle Integrität und Robustheit der dielektrischen Schicht für niedrigere Dickenwerte erhalten werden, insbesondere an den Auflösungsgrenzen der Produktionsprozesse im MEMS- und NEMS-Bereich, im Vergleich zu 3b, da für das Erhalten desselben Niveaus der elektrischen Durchschlaggrenze (was die maximal anlegbare Spannung bestimmt) die Dicke der dielektrischen Schicht auf einer Elektrode aus 3c die Gesamtsumme der Dicke auf jeder Elektrode aus 3b sein sollte.Compared to 3b can the structure 3c advantageously ensure fewer interface areas and thus less charging, as well as usually lower overall self-stress in the cell for the same design parameters (since self-stress of interfaces is usually more dominant). Furthermore, even better structural integrity and robustness of the dielectric layer can be obtained for lower thickness values, especially at the resolution limits of the production processes in the MEMS and NEMS area, compared to 3b , since to obtain the same level of electrical breakdown limit (which determines the maximum voltage that can be applied) the thickness of the dielectric layer on an electrode is different 3c the total thickness on each electrode 3b should be.

Aufgrund der erhöhten erforderlichen Dicke der dielektrischen Schicht auf einer Elektrode wäre andererseits die lokale Eigenbeanspruchung auf dieser spezifischen Elektrode aufgrund der höheren Dicke der dielektrischen Schicht höher. Somit könnte eine lokale Bearbeitung zur Kompensation von Eigenbeanspruchung für diese Elektrode für bestimmte Gestaltungen erforderlich sein. Wenn herkömmliche konforme, jedoch langsame Abscheidungsprozesse wie ALD verwendet werden, um die dielektrische Schicht abzuscheiden, wird dies außerdem die Abscheidungszeit um das Zweifache verlängern, um dasselbe Niveau an Dielektrikumdicke auf einer Seite der Elektrode zu erreichen.On the other hand, due to the increased required thickness of the dielectric layer on an electrode, the local self-stress on that specific electrode would be higher due to the higher thickness of the dielectric layer. Thus, local machining to compensate for self-stress on this electrode may be required for certain designs. Additionally, if traditional conformal but slow deposition processes such as ALD are used to deposit the dielectric layer, this will increase the deposition time by two times like to achieve the same level of dielectric thickness on one side of the electrode.

3d zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 304 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine einzelne Anpassungsstrukturschicht aufgebracht ist, so wie für das mechanische System 303 beschrieben, wobei die einzelne Schicht derart strukturiert ist, dass sie eine unterbrochene Struktur bildet, die zwischen dem ersten Biegeelement 261 und dem zweiten Biegeelement 262 angeordnet ist. 3d shows a schematic view of a mechanical system 30 4 according to an embodiment in which a single adaptation structure layer is applied, as described for the mechanical system 30 3 , the single layer being structured such that it forms an interrupted structure between the first Bending element 26 1 and the second bending element 26 2 is arranged.

Im Vergleich zu dem mechanischen System 303 ermöglicht eine Strukturierung der Anpassungsschicht 181, die, als nicht einschränkendes Beispiel, in dem mechanischen System 304 bei dem Biegeelement 262 angeordnet ist, die Implementierung eines definierten Verhaltens des nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags einerseits und eine weiter reduzierte dielektrische Aufladung andererseits gemeinsam mit einem niedrigen Reibungshaftungsrisiko. Die Anpassungselemente 561, 562, ..., die durch Strukturieren der Anpassungsstruktur 18 erhalten werden, können auf einem einzelnen Biegeelement 262 und/oder zumindest in Teilen an einer gegenüberliegenden Seite, z. B. das Biegeelement 261, angeordnet sein.In comparison to the mechanical system 30 3 , a structuring of the adaptation layer 18 1 , which, as a non-limiting example, is arranged in the mechanical system 30 4 at the bending element 26 2 , enables the implementation of a defined behavior of the nonlinear mechanical stiffness contribution on the one hand and a further reduced dielectric charge on the other hand, together with a low risk of frictional adhesion. The adaptation elements 56 1 , 56 2 , ..., which are obtained by structuring the adaptation structure 18, can be on a single bending element 26 2 and/or at least in parts on an opposite side, e.g. B. the bending element 26 1 , may be arranged.

Mit anderen Worten zeigt 3d eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit strukturierter Isolatorschicht lediglich auf einer Elektrode auf der Seite des elektrostatischen Zwischenraums zwischen den Elektroden, um eine dielektrische Aufladung und Kontaktpunkte bei Betätigung zu reduzieren, in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist eine strukturierte Isolatorschicht lediglich auf einer Elektrode auf der Seite des elektrostatischen Zwischenraums zwischen den Elektroden auf, um eine dielektrische Aufladung und Haftreibungswahrscheinlichkeiten durch das Reduzieren des erforderlichen dielektrischen Materials und der Kontaktpunkte bei Betätigung weiter zu reduzieren.In other words shows 3d an exemplary base cell configuration with a patterned insulator layer on only one electrode on the side of the electrostatic gap between the electrodes to reduce dielectric charging and contact points during actuation, in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend, respectively. The exemplary base cell configuration includes a patterned insulator layer on only one electrode on the side of the electrostatic gap between the electrodes to further reduce dielectric charging and stiction probabilities by reducing the required dielectric material and contact points upon actuation.

Im Vergleich zu 3c kann die Struktur aus 3d vorteilhafterweise für weniger Schnittstellenflächen und an dielektrischem Grundmaterial sorgen, somit für weniger Aufladung. Außerdem kann sie auch für eine reduzierte Anzahl von Kontaktpunkten mit der anderen potenziellen Elektrode sorgen. Somit gibt es insgesamt eine signifikante Reduzierung der Haftreibungswahrscheinlichkeiten. Außerdem kann eine niedrigere Gesamteigenbeanspruchung in der Zelle für gleiche Gestaltungsparameter aufgrund unterbrochener Schnittstellen und reduzierter Menge an Grundmaterial erhalten werden.Compared to 3c can the structure 3d advantageously ensure less interface areas and dielectric base material, thus less charging. Additionally, it can also provide a reduced number of contact points with the other potential electrode. There is therefore a significant overall reduction in the probabilities of static friction. Furthermore, a lower overall internal stress in the cell can be obtained for the same design parameters due to interrupted interfaces and reduced amount of base material.

Aufgrund der strukturierten dielektrischen Schicht, die dielektrische Inseln/Bereiche (561, 562) zur Folge hat, sind jedoch Wahrscheinlichkeiten einer Delaminierung zwischen der Elektrode und den dielektrischen Bereichen im Vergleich zu einer fortlaufenden dielektrischen Schicht höher, da während der Kontaktbildung und ihrer Verbreitung in jedem Zyklus alle Kontaktkräfte lokal direkt an der Basis jedes Bereichs konzentriert sein werden und von der lokalen Schnittstelle zwischen der Elektrode und dem dielektrischen Bereich ausgehalten werden müssen.However, due to the patterned dielectric layer resulting in dielectric islands/regions (56 1 , 56 2 ), probabilities of delamination between the electrode and the dielectric regions are higher compared to a continuous dielectric layer during contact formation and its propagation in each cycle all contact forces will be locally concentrated directly at the base of each region and must be sustained by the local interface between the electrode and the dielectric region.

Für dieselbe Zellgestaltung werden die elektrostatischen Kräfte bei einer gegebenen Spannung reduziert sein, da die effektive relative Permittivität (im Vergleich zur fortlaufenden dielektrischen Schicht) in dem elektrostatischen Zwischenraum aufgrund einer reduzierten Menge an dielektrischem Material mit höherer relativer Permittivität als Luft gesenkt werden.For the same cell design, the electrostatic forces at a given voltage will be reduced because the effective relative permittivity (compared to the continuous dielectric layer) in the electrostatic gap is lowered due to a reduced amount of dielectric material with higher relative permittivity than air.

3e zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 303 gemäß einem Ausführungsbeispiel, wobei in dem Zwischenraum 38 eine Nutstruktur mit einer oder mehreren Nuten 581 angeordnet ist und wobei eine Federstruktur mit einer oder mehreren Federn 62 angeordnet ist. Die Nutstruktur und die Federstruktur können einen mechanischen Kontakt in einem ausgelenkten Zustand des mechanischen Systems 304 bilden und eine relative Bewegung der Federstruktur und der Nutstruktur relativ zueinander entlang der x-Richtung, die senkrecht zu der Biegerichtung 14 der Biegewandlerstruktur ist, vermeiden. Mit einer Zunahme der Biegung entlang der Biegerichtung 14 kann eine erhöhte Anzahl von Federn einen mechanischen Kontakt mit der gegenüberliegenden Nut bilden, was beispielsweise als eine diskrete Anzahl von Schritten von Beiträgen zu dem nichtlinearen Steifheitsverhalten verstanden werden kann. 3e shows a schematic view of a mechanical system 30 3 according to an exemplary embodiment, wherein a groove structure with one or more grooves 58 1 is arranged in the intermediate space 38 and a spring structure with one or more springs 62 is arranged. The groove structure and the spring structure can form mechanical contact in a deflected state of the mechanical system 30 4 and avoid relative movement of the spring structure and the groove structure relative to each other along the x-direction that is perpendicular to the bending direction 14 of the bending transducer structure. With an increase in bending along the bending direction 14, an increased number of springs can form mechanical contact with the opposing groove, which can be understood, for example, as a discrete number of steps of contributions to the nonlinear stiffness behavior.

Die Nutstruktur und/oder die Federstruktur kann beispielsweise durch die Anpassungsstruktur 18, z. B. die Anpassungselemente 56 des mechanischen Systems 304, gebildet sein, wobei die Nuten auch in einer fortlaufenden oder unterbrochenen Schicht implementiert sein können, etwa in der Schicht 181 oder 182 des mechanischen Systems 302.The groove structure and/or the spring structure can, for example, be provided by the adaptation structure 18, e.g. B. the adaptation elements 56 of the mechanical system 30 4 , whereby the grooves can also be implemented in a continuous or interrupted layer, for example in the layer 18 1 or 18 2 of the mechanical system 30 2 .

Die Nutstruktur und/oder die Federstruktur kann aus einem Material eines der Biegeelemente, etwa des Biegeelements 261, gebildet sein. Federn 581 und/oder 582 können ein gleiches Material aufweisen und können einstückig mit dem Biegeelement 261 und 262 gebildet sein. Bei einer Implementierung, bei der die Biegeelemente 261 und 262 mit einem elektrischen Potenzial aufgeladen werden, ist vorzugsweise höchstens eine der Nutstruktur oder der Federstruktur durch das Elektrodenmaterial des Biegeelements 261 bzw. 262 gebildet, oder als Alternative oder zusätzlich dazu ist ein isolierendes Material dazwischen angeordnet.The groove structure and/or the spring structure can be formed from a material of one of the bending elements, for example the bending element 26 1 . Springs 58 1 and/or 58 2 can have the same material and can be formed in one piece with the bending element 26 1 and 26 2 . In an implementation in which the bending elements 26 1 and 26 2 are charged with an electrical potential, preferably at most one of the groove structure or the spring structure is formed by the electrode material of the bending element 26 1 or 26 2 , or as an alternative or in addition to this, an insulating material is arranged between them.

Andererseits kann sowohl die Nutstruktur als auch die Federstruktur aus einer fortlaufenden oder unterbrochenen Schicht der Anpassungsstruktur gebildet sein, beispielsweise aus den Schichten 181 und 182 des mechanischen Systems 302.On the other hand, both the groove structure and the spring structure can be formed from a continuous or interrupted layer of the adaptation structure, for example from the layers 18 1 and 18 2 of the mechanical system 30 2 .

Mit anderen Worten ist eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer strukturierten Isolatorschicht auf einer Elektrode und einer strukturierten gegenüberliegenden Elektrode für einen Biegeverriegelungsmechanismus zur besseren Kontaktverriegelung und zur Verbesserung einer effektiven Steifheitszunahme mit Kontaktverbreitung und gleichzeitiger Reduzierung von einer dielektrischen Aufladung und von Kontaktpunkten bei Betätigung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung gezeigt. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist eine strukturierte Isolatorschicht auf einer Elektrode und eine strukturierte gegenüberliegende Elektrode für einen Biegeverriegelungsmechanismus zur besseren Kontaktverriegelung und zur Verbesserung einer effektiven Steifheitszunahme mit Kontaktverbreitung und einer gleichzeitigen Reduzierung einer dielektrischen Aufladung und von Kontaktpunkten bei Betätigung auf.In other words, an exemplary base cell configuration with a patterned insulator layer on one electrode and a patterned opposing electrode for a flex locking mechanism for better contact locking and to improve effective stiffness increase with contact propagation while reducing dielectric charging and contact points upon actuation is shown in a top view for one planar bend or shown in a side view for an extra-planar bend. The exemplary base cell configuration includes a patterned insulator layer on one electrode and a patterned opposing electrode for a flex locking mechanism for better contact locking and to improve effective stiffness increase with contact propagation and a simultaneous reduction in dielectric charging and contact points upon actuation.

Die Struktur aus 3e kann im Vergleich zu 3d für eine erhöhte Verschiebungsrobustheit sorgen, auch wenn dieselbe im Vergleich zu 3d einen größeren Zwischenraum zwischen den Zellelektroden benötigt, um die erforderlichen Strukturen in dem Zwischenraum zu produzieren. Somit muss die Gesamtsteifheit der Zelle reduziert werden oder die Betätigungsspannung muss erhöht werden, um aus 3e denselben Biegebereich wie 3d zu erhalten. Im Vergleich zu 3d kann die Struktur aus 3e einfacher hergestellt werden.The structure 3e can compared to 3d provide increased displacement robustness, even if the same compared to 3d requires a larger gap between the cell electrodes in order to produce the required structures in the gap. Thus, the overall stiffness of the cell must be reduced or the actuation voltage must be increased in order to be off 3e same bending range as 3d to obtain. Compared to 3d can the structure 3e be made more easily.

3f zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 306, das im Vergleich zu dem mechanischen System 303 zusätzliche Verbindungselemente 641, 642, ... aufweist, die einen weiteren Beitrag zu der zweiten nichtlinearen Steifheit ermöglichen. Die Verbindungselemente 64 können ein gleiches Material wie die Anpassungselemente 56 aufweisen, z. B. ein dielektrisches Material. 3f shows a schematic view of a mechanical system 30 6 which, compared to the mechanical system 30 3, has additional connecting elements 64 1 , 64 2 , ... which enable a further contribution to the second non-linear stiffness. The connecting elements 64 can have the same material as the adaptation elements 56, e.g. B. a dielectric material.

Mit anderen Worten zeigt 3f eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit strukturierten und verknüpften Isolatorschichtelementen auf einer Elektrode und einer strukturierten gegenüberliegenden Elektrode zur Biegeverriegelung für eine bessere Kontaktverriegelung und eine Verbesserung einer effektiven Steifheitszunahme mit Kontaktverbreitung und zur simultanen Reduzierung von einer dielektrischen Aufladung und von Kontaktpunkten bei Betätigung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist eine strukturierte und verknüpfte Isolatorschicht auf einer Elektrode und eine strukturierte gegenüberliegende Elektrode für einen Biegeverriegelungsmechanismus zur besseren Kontaktverriegelung und Verbesserung einer effektiven Steifheitszunahme mit Kontaktverbreitung und zur simultanen Reduzierung von einer dielektrischen Aufladung und von Kontaktpunkten bei Betätigung auf.In other words shows 3f an exemplary base cell configuration with structured and linked insulator layer elements on one electrode and a structured opposing electrode for bend locking for better contact locking and improving effective stiffness increase with contact spreading and for simultaneous reduction of dielectric charging and contact points when actuated in a plan view for planar bending or in a side view for an out-of-plane bend. The exemplary base cell configuration includes a patterned and bonded insulator layer on one electrode and a patterned opposing electrode for a flex locking mechanism for better contact locking and improving effective stiffness increase with contact propagation and for simultaneous reduction of dielectric charging and contact points upon actuation.

Im Vergleich zu 3e kann es die Struktur gemäß 3f ermöglichen, die Wahrscheinlichkeiten einer Delaminierung aufgrund einer mechanischen Verknüpfung der dielektrischen Schicht zu reduzieren, auch im Vergleich zu 3e und/oder 3d, da die Kontaktkräfte jetzt auch entlang der Zelllänge bis zu dem Randisolator 36 verteilt werden und durch Seitenverknüpfungselemente geteilt werden (während dieselben weiterhin eine reduzierte Fläche von Schnittstellen aufweisen), statt sich einfach lokal direkt an der Basis jedes Bereichs zu konzentrieren (wie in 3e und 3d). Dieser Effekt kann es jedoch bewirken, dass im Vergleich zu 3e ein größerer Zwischenraum zwischen den Zellelektroden erforderlich ist, um die erforderlichen Strukturen in dem Zwischenraum mit der Biegeschicht 64 zu produzieren, insbesondere bei den Mindestproduktionsauflösungsgrenzen der typischen MEMS- und NEMS-Produktionsprozesse. Somit muss die Gesamtsteifheit der Zelle reduziert werden oder eine Betätigungsspannung muss erhöht werden, um aus 3e denselben Biegebereich wie bei 3d zu erhalten. Im Vergleich zu 3f kann die Struktur aus 3e einfacher hergestellt werden.Compared to 3e it can according to the structure 3f allow to reduce the probabilities of delamination due to mechanical bonding of the dielectric layer, also compared to 3e and or 3d , as the contact forces are now also distributed along the cell length up to the edge insulator 36 and are shared by side link elements (while still having a reduced area of interfaces) rather than simply concentrating locally directly at the base of each region (as in 3e and 3d ). However, this effect can cause it to be compared to 3e a larger gap between the cell electrodes is required to produce the required structures in the gap with the bending layer 64, particularly at the minimum production resolution limits of the typical MEMS and NEMS production processes. Thus, the overall stiffness of the cell must be reduced or an actuation voltage must be increased in order to operate 3e same bending range as in 3d to obtain. Compared to 3f can the structure 3e be made more easily.

3g zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 307 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Verbindungselemente 64 im Vergleich zu den Anpassungselementen 56 durch ein unterschiedliches Material gebildet sind, z. B. ein Material der Biegeelemente 261 und 262, z. B. ein leitfähiges Material. Da die Kontaktbildung bei dem vorliegenden Beispiel ausschließlich in dem Bereich der Nuten 58 und Federn 62 bereitgestellt ist, wird dennoch ein Risiko eines Kurzschlusses verhindert, während gleichzeitig eine niedrige Menge an dielektrischer Aufladung vorhanden ist. Optional kann in einem Bereich des Isolators 36, und 362 ein Material der Verbindungselemente 64, die von den Biegeelementen 261, 262 durch ein Isoliermaterial an der Klemmung 281 und 282 isoliert sind, angeordnet sein. 3g shows a schematic view of a mechanical system 30 7 according to an exemplary embodiment, in which the connecting elements 64 are formed by a different material compared to the adaptation elements 56, e.g. B. a material of the bending elements 26 1 and 26 2 , e.g. B. a conductive material. Since the contact formation in the present example is provided exclusively in the area of the grooves 58 and tongues 62, a risk of a short circuit is still prevented while at the same time a low amount of dielectric charging is present. Optionally, a material of the connecting elements 64, which are insulated from the bending elements 26 1 , 26 2 by an insulating material on the clamp 28 1 and 28 2 , can be arranged in a region of the insulator 36 and 36 2 .

Mit anderen Worten zeigt 3g eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer strukturierten Isolatorschicht auf einer Elektrode, verknüpft mit schwebenden Elektroden, und einer strukturierten gegenüberliegenden Elektrode (Federstruktur) für einen Biegeverriegelungsmechanismus zur besseren Kontaktverriegelung und zur Verbesserung einer effektiven Steifheitszunahme mit Kontaktverbreitung und einer simultanen Reduzierung von einer dielektrischen Aufladung und von Kontaktpunkten bei Betätigung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist eine strukturierte Isolatorschicht auf einer Elektrode auf, verknüpft mit Schwebeelektroden 64 verknüpft (die zur Aufladung und/oder Entladung der verbundenen Isolatorstrukturen zum Stabilisieren/Modulieren einer Systemantwort in oder nach/vor jedem Betriebszyklus verwendet werden können), und einer strukturierten gegenüberliegenden Elektrode für einen Biegeverriegelungsmechanismus zur besseren Kontaktverriegelung und zur Verbesserung einer effektiven Steifheitszunahme mit Kontaktverbreitung und zur gleichzeitigen Reduzierung von einer dielektrischen Aufladung und von Kontaktpunkten bei Betätigung auf.In other words shows 3g an exemplary basic cell configuration with a structured insulator layer on an electrode with floating electrodes, and a structured opposing electrode (spring structure) for a bend locking mechanism for better contact locking and to improve effective stiffness increase with contact spreading and a simultaneous reduction of dielectric charging and contact points when actuated in a planar bending plan view and in a respectively Side view for an extra-planar bend. The exemplary basic cell configuration includes a patterned insulator layer on one electrode associated with floating electrodes 64 (which may be used to charge and/or discharge the associated insulator structures to stabilize/modulate a system response in or after/before each cycle of operation), and a patterned opposite one Electrode for a bend locking mechanism for better contact locking and to improve effective stiffness increase with contact spreading and at the same time reduce dielectric charging and contact points when actuated.

Im Vergleich zu 3f kann die Struktur aus 3g vorteilhafterweise für ein besseres Verhalten sorgen, aufgrund einer mechanischen Verknüpfung dielektrischer Bereiche/Inseln über standardmäßiges Elektrodenmaterial, was für gewöhnlich bessere mechanische Eigenschaften wie etwa eine höhere Bruchfestigkeit, Elastizität, reduzierte Plastikverformung oder Kriechen, usw. im Vergleich zu standardmäßigen dielektrischen Materialen aufweist (im Vergleich zu 3f), insbesondere im MEMS- und NEMS-Bereich, und somit kann ein gut definiertes Verhalten erhalten werden.Compared to 3f can the structure 3g advantageously provide better performance due to mechanical interconnection of dielectric regions/islands via standard electrode material, which usually has better mechanical properties such as higher breaking strength, elasticity, reduced plastic deformation or creep, etc. compared to standard dielectric materials (compare to 3f) , especially in the MEMS and NEMS area, and thus well-defined behavior can be obtained.

Jedoch kann die Struktur aus 3g mechanische Verbindungen auf der Basis einer Schnittstelle von Elektrode/Dielektrikum zwischen Inseln-verknüpfenden Biegungen aufweisen (im Vergleich zu 3f, wo dasselbe dielektrische Material verwendet wird), und somit können Wahrscheinlichkeiten für eine Delaminierung höher sein (im Vergleich zu 3f), insbesondere bei den Mindestproduktionsauflösungsgrenzen der typischen MEMS- und NEMS-Produktionsprozesse. Außerdem wird die effektive relative Permittivität aufgrund von weniger dielektrischem Material niedriger sein. Somit muss die Gesamtsteifheit der Zelle reduziert werden oder eine Betätigungsspannung muss erhöht werden, um aus 3g denselben Biegebereich wie in 3f zu erhalten, was eine Basis für einen Kompromiss ist. Im Vergleich zu 3g kann eine Produktion der Struktur gemäß 3f einfacher sein. However, the structure can be made from 3g have mechanical connections based on an electrode/dielectric interface between island-linking bends (compared to 3f , where the same dielectric material is used) and thus probabilities of delamination may be higher (compared to 3f) , especially at the minimum production resolution limits of typical MEMS and NEMS production processes. Additionally, the effective relative permittivity will be lower due to less dielectric material. Thus, the overall stiffness of the cell must be reduced or an actuation voltage must be increased in order to operate 3g same bending range as in 3f to obtain what is a basis for a compromise. Compared to 3g production can be carried out according to the structure 3f be easier.

Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele beziehen sich unter anderem auf eine mechanische Kopplung der Biegewandlerstruktur und der Anpassungsstruktur. Solche eine mechanische Kopplung kann eine feste Anordnung eines Elements an einem anderen beispielsweise durch die Verwendung der Steifheit eines Substrats 66 und/oder eines Isoliermaterials und/oder eines anderen Materials, das unterschiedliche Elemente aneinander anpasst, aufweisen. Die mechanische Kopplung zwischen der Anpassungsstruktur und der Biegewandlerstruktur kann angepasst werden zum Kombinieren des ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags und des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags, um die Biegung der Biegewandlerstruktur auf der Basis einer Kombination des ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags und des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags zu erhalten. In den in 2a bis 3g bereitgestellten Beispielen kann der erste nichtlineare Mechanische-Steifheit-Beitrag und/oder der zweite nichtlineare Mechanische-Steifheit-Beitrag auf einen mechanischen Kontakt zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element des mechanischen Systems basieren, beispielsweise zwischen der Biegewandlerstruktur und der Anpassungsstruktur. Andere Kontakte sind möglich und hierin beschrieben. Der mechanische Kontakt kann für eine veränderliche Größe mechanischer Kräfte, die auf die Biegewandlerstruktur und/oder die Anpassungsstruktur wirken, mit einer Erhöhung einer Biegeamplitude, beispielsweise entlang oder entgegengesetzt zu Richtung 14, sorgen.The exemplary embodiments described herein relate, among other things, to a mechanical coupling of the bending transducer structure and the adaptation structure. Such mechanical coupling may include a fixed placement of one element to another, for example, by using the rigidity of a substrate 66 and/or an insulating material and/or another material that conforms different elements to one another. The mechanical coupling between the conforming structure and the bending transducer structure may be adjusted to combine the first nonlinear mechanical stiffness contribution and the second nonlinear mechanical stiffness contribution to control the bending of the bending transducer structure based on a combination of the first nonlinear mechanical stiffness contribution and the second nonlinear mechanical stiffness contribution. In the in 2a until 3g In the examples provided, the first nonlinear mechanical stiffness contribution and/or the second nonlinear mechanical stiffness contribution may be based on a mechanical contact between a first element and a second element of the mechanical system, for example between the bending transducer structure and the adaptation structure. Other contacts are possible and described herein. The mechanical contact may provide a variable magnitude of mechanical forces acting on the bending transducer structure and/or the adjustment structure, with an increase in bending amplitude, for example along or opposite to direction 14.

Im Hinblick auf die hierin in Verbindung mit 2a bis 3g beschriebenen Ausführungsbeispiele kann ein mechanisches System dazu konfiguriert sein, den mechanischen Kontakt zwischen der Biegewandlerstruktur 12 und der Anpassungsstruktur 18 bereitzustellen, beispielsweise durch das Kontaktieren gegenüberliegender Kontaktflächen 22. Die Biegewandlerstruktur 12 und die Anpassungsstruktur 18 sind dazu angeordnet, eine Kontaktfläche miteinander bei einer Erhöhung der Biegung der Wandlerstruktur zu vergrößern, wobei die Kontaktfläche, die zwischen der Anpassungsstruktur und der Biegewandlerstruktur gebildet ist, siehe beispielsweise 2a, und/oder zwischen einem ersten Element der Anpassungsstruktur, das mit dem ersten Element der Biegewandlerstruktur verbunden ist, und einem zweiten Element der Anpassungsstruktur, das mit dem zweiten Element der Biegewandlerstruktur verbunden ist, wie beispielsweise in 3b gezeigt ist.With regard to the provisions herein in connection with 2a until 3g In the embodiments described, a mechanical system may be configured to provide mechanical contact between the bending transducer structure 12 and the adjustment structure 18, for example by contacting opposing contact surfaces 22. The bending transducer structure 12 and the adjustment structure 18 are arranged to provide a contact surface with one another upon an increase in bending to enlarge the transducer structure, wherein the contact surface that is formed between the adaptation structure and the bending transducer structure, see for example 2a , and/or between a first element of the adaptation structure connected to the first element of the bending transducer structure and a second element of the adaptation structure connected to the second element of the bending transducer structure, such as in 3b is shown.

Wie in 2a bis 3g gezeigt ist, kann in einem nicht-ausgelenkten Zustand der Biegewandlerstruktur eine erste neutrale Achse des ersten Biegeelements 261 im Wesentlichen parallel zu einer zweiten neutralen Achse des zweiten Biegeelements 262 verlaufen, insbesondere in einem Fall, in dem beide Elemente eine ähnliche Form aufweisen und parallel zueinander verlaufen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine Oberfläche des Biegeelements 261, die auf das Biegeelement 262 zeigt, im Wesentlichen parallel zu einer Oberfläche des Elements 262 sein, die auf das Biegeelement 261 zeigt.As in 2a until 3g is shown, in a non-deflected state of the bending transducer structure, a first neutral axis of the first bending element 26 1 can run substantially parallel to a second neutral axis of the second bending element 26 2 , in particular in a case in which both elements have a similar shape and run parallel to each other. Alternatively or additionally, a surface of the bending element 26 1 that faces the bending element 26 2 may be essentially be parallel to a surface of the element 26 2 that points to the bending element 26 1 .

Wie in 2a bis 3g gezeigt ist, kann die Anpassungsstruktur 18 teilweise oder vollständig zwischen einem ersten Abschnitt der Biegewandlerstruktur und einem zweiten Abschnitt der Biegewandlerstruktur angeordnet sein, die jeweils beispielsweise durch ein jeweiliges Biegeelement 261 und 262 gebildet sind. Die Anpassungsstruktur kann dazwischen entlang einer Biegerichtung der Biegewandlerstruktur angeordnet sein. Wie beispielsweise in 2a gezeigt ist, kann die Biegewandlerstruktur zumindest zwei Biegeelemente 261 und 262 aufweisen, die mechanisch parallel gekoppelt sind und einen Zwischenraum 38 oder mehrere Zwischenräume mit einem benachbarten Biegeelement der Biegewandlerstruktur oder der Anpassungsstruktur oder einem Teil davon bilden. Zumindest ein Teil der Anpassungsstruktur ist in dem Zwischenraum angeordnet und mechanisch parallel über den mechanischen Kontakt an die benachbarten Biegeelemente gekoppelt. Die Biegung der Biegewandlerstruktur entlang der Richtung 14 kann einen mechanischen Kontakt zwischen der Anpassungsstruktur 18 und zumindest einem der benachbarten Biegeelemente in dem Zwischenraum verursachen, entweder direkt mit dem Element oder mit einer Schicht, die daran angebracht ist. Wenn beispielsweise von dem mechanischen System 201 ausgegangen wird, kann ein mechanisches System gemäß Ausführungsbeispielen außerdem drei oder mehr Biegeelemente 26 aufweisen, die mechanisch parallel gekoppelt sind, um zumindest einen ersten Zwischenraum zwischen einem ersten Biegeelement und einem zweiten Biegeelement zu bilden und zumindest einen anderen Zwischenraum zwischen dem zweiten Biegeelement und einem dritten Biegeelement zu bilden. Beispielsweise kann das mechanische System 201 zumindest ein drittes Biegeelement 263 aufweisen, das beispielsweise dahingehend angeordnet ist, das Biegeelement 262 zwischen dem nicht-gezeigten Biegeelement und dem Biegeelement 261 einzuklemmen. Unterschiedliche Teile der Anpassungsstruktur können in den unterschiedlichen Zwischenräumen angeordnet sein, um unterschiedliche Kontakte zu bilden, entweder gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten.As in 2a until 3g As shown, the adaptation structure 18 can be arranged partially or completely between a first section of the bending transducer structure and a second section of the bending transducer structure, each of which is formed, for example, by a respective bending element 26 1 and 26 2 . The adaptation structure can be arranged therebetween along a bending direction of the bending transducer structure. Like for example in 2a As shown, the bending transducer structure may have at least two bending elements 26 1 and 26 2 that are mechanically coupled in parallel and form a gap 38 or more gaps with an adjacent bending element of the bending transducer structure or the adaptation structure or a part thereof. At least part of the adaptation structure is arranged in the intermediate space and mechanically coupled in parallel to the adjacent bending elements via the mechanical contact. Bending of the bending transducer structure along direction 14 may cause mechanical contact between the conforming structure 18 and at least one of the adjacent bending elements in the gap, either directly with the element or with a layer attached thereto. For example, assuming the mechanical system 20 1 , a mechanical system according to embodiments may further include three or more bending elements 26 that are mechanically coupled in parallel to form at least a first gap between a first bending element and a second bending element and at least one other To form a space between the second bending element and a third bending element. For example, the mechanical system 20 1 may have at least a third bending element 26 3 , which is arranged, for example, to clamp the bending element 26 2 between the bending element, not shown, and the bending element 26 1 . Different parts of the matching structure may be located in the different spaces to form different contacts, either simultaneously or at different times.

4a zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 401 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu anderen hierin beschriebenen mechanischen Systemen, beispielsweise dem mechanischen System 201 oder 301, können die Biegeelemente 261 und 262 unterschiedliche Formen und/oder unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. Obwohl neutrale Achsen der Biegeelemente 261 und 262 bei dem Beispiel aus 4a nicht parallel verlaufen, verlaufen die Seiten 261 A und 262 B der Biegeelemente 261 und 262 in dem gezeigten unbetätigten Zustand im Wesentlichen parallel. 4a shows a schematic view of a mechanical system 40 1 according to an exemplary embodiment. Compared to other mechanical systems described herein, for example mechanical system 20 1 or 30 1 , the flexures 26 1 and 26 2 may have different shapes and/or different properties. Although neutral axes of the bending elements 26 1 and 26 2 in the example 4a do not run parallel, the sides 26 1 A and 26 2 B of the bending elements 26 1 and 26 2 run essentially parallel in the unactuated state shown.

Ähnlich wie bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine Betätigung und/oder eine äußere Kraft F dazu führen, dass ein Kontakt in den Kontaktflächen 22a/22b zwischen den Anpassungsstrukturschichten 181 und 182 gebildet wird, der entlang der Richtungen 441 und 442 mit einer Zunahme der Auslenkung zunimmt.Similar to other embodiments, actuation and/or an external force F may cause contact to be formed in the contact surfaces 22a/22b between the conforming structure layers 18 1 and 18 2 , increasing along the directions 44 1 and 44 2 the deflection increases.

Mit anderen Worten zeigt 4a eine beispielhafte Zellenkonfiguration mit vollständig isolierten Elektroden und Elektroden mit geradem Boden zur Abwärtsbiegung entlang der Richtung 14 in eine Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Der Begriff Abwärtsbiegung bezieht sich auf eine Blickrichtung in 4a und ist nicht notwendigerweise mit einer Ausrichtung des mechanischen Systems 401 im Raum verknüpft. Es ist Fachleuten ersichtlich, dass sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten oder dergleichen beim Drehen eines mechanischen Systems 40, oder anderer Ausführungsbeispiele willkürlich im Raum ändern können.In other words shows 4a an exemplary cell configuration with fully insulated electrodes and straight bottom electrodes for downward bending along the direction 14 in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend, respectively. The term downward bend refers to a direction of view 4a and is not necessarily linked to an orientation of the mechanical system 40 1 in space. It will be apparent to those skilled in the art that terms such as up, down, left, right, front, back, or the like may change arbitrarily in space as a mechanical system 40, or other embodiments, rotates.

Trotz des Vorhandenseins eines planaren oder geraden Elements 262 kann die Biegerichtung 14 zumindest durch die Form oder Struktur des Biegeelements 261 beeinflusst werden. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist vollständig isolierte Elektroden und Elektroden mit geradem Boden zur Abwärtsbiegung auf. Eine Geometrie mit geraden Elektroden ist insbesondere nützlich zum Erzeugen außerplanarer S-Konfiguration-Biegebalken, da eine gewöhnliche Elektrode mit geradem Boden zur Erzeugung von Aufwärts- und Abwärtsbiegezellen in dem Zellbalken zur einfacheren Produktion genutzt werden kann. Außerdem reduziert die Nutzung abscheidungsbasierter konformer dielektrischer Schichten, die für eine isolationsbasierte Kontaktbildung (341 und 342) und ihre Evolution (441 und 442) in einem elektrostatischen Zwischenraum erforderlich sind, den erzielten effektiven Luftzwischenraum viel stärker als die typische Produktionsgrenze des physikalischen Luftzwischenraums. Dies erhöht die elektrostatischen Kräfte aufgrund einer Erhöhung der effektiven dielektrischen Konstante in dem elektrostatischen Zwischenraum erheblich. Es erhöht außerdem die elektrische Zuverlässigkeit des Systems gegenüber elektrischen Kurzschlüssen zwischen Elektroden gegen zufällige Kontaktbildungen. Die Seite der geraden Elektrode (planar und außerplanar) kann auch direkt verwendet werden, wenn dies für bestimmte Anwendungen erforderlich ist, beispielsweise die Anwendungen, die eine gut definierte Bildung von Umrandungen auf Basis einer geraden Wand wie etwa bei Mikropumpen, Mikroventilen, Mikrolautsprechern, usw. erfordern, um die Fluiddruckverteilung effektiv zu steuern.Despite the presence of a planar or straight element 26 2, the bending direction 14 can be influenced at least by the shape or structure of the bending element 26 1 . The exemplary cell configuration includes fully insulated electrodes and straight bottom electrodes for downward bending. A straight electrode geometry is particularly useful for creating extra-planar S-configuration bending beams, as an ordinary straight bottom electrode can be used to create up and down bending cells in the cell beam for ease of production. Furthermore, the use of deposition-based conformal dielectric layers required for isolation-based contact formation (34 1 and 34 2 ) and their evolution (44 1 and 44 2 ) in an electrostatic gap reduces the achieved effective air gap much more than the typical production limit of the physical one air space. This significantly increases the electrostatic forces due to an increase in the effective dielectric constant in the electrostatic gap. It also increases the electrical reliability of the system against electrical short circuits between electrodes against accidental contact formation. The straight electrode side (planar and extra-planar) can also be used directly if required for certain applications, such as those applications requiring well-defined formation of borders based on a straight wall such as micropumps, microvalves, microspeakers, etc .require to effectively control the fluid pressure distribution.

4a zeigt unter anderem ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gemäß dem das erfinderische Konzept nicht auf eine Geometrie von gekrümmten Elektroden / Kuppelelektroden schränkt ist. Andere bereitgestellte Vorteile sind beispielsweise, dass diese Art der Geometrie im Vergleich zu gekrümmten Elektroden / Kuppelelektroden einfacher auf Wafer-Ebene produziert werden kann, um ein außerplanares, z. B. abwärtiges, Biegesystem unter Verwendung von standardmäßigen MEMS-Produktionsprozessen auf Wafer-Ebene (z. B. Waferbonding und Strukturierung der Elektroden über Mengenmikrobearbeitungsprozesse) aufgrund der planaren Natur der Elektrodengeometrie zu erhalten. Aufgrund der Verwendung von Waferbonding und Mengenmikrobearbeitungsprozessen kann die Vorbeanspruchung in diesen Strukturen im Vergleich zu außerplanaren Konfigurationen, die durch Oberflächenmikrobearbeitung gebildet werden, welche Dünnfilmabscheidungen erfordern, wesentlich niedriger sein. Eine allgemeine Gestaltungseinschränkung (die jedoch nicht absolut ist) für ein effektives Biegeverhalten besteht darin, dass die lokale Elektrodendicke in Bereichen derart geringer ist, dass die Biegung in dieser bestimmten Richtung erleichtert wird. 4a shows, among other things, another embodiment of the present invention, according to which the inventive concept is not limited to a geometry of curved electrodes/dome electrodes. Other advantages provided include, for example, that this type of geometry can be more easily produced at the wafer level compared to curved electrodes/dome electrodes to achieve an extra-planar, e.g. B. downward bending system using standard wafer-level MEMS production processes (e.g. wafer bonding and patterning of the electrodes via volume micromachining processes) due to the planar nature of the electrode geometry. Due to the use of wafer bonding and bulk micromachining processes, the prestress in these structures can be significantly lower compared to out-of-plane configurations formed by surface micromachining, which require thin film deposits. A general design constraint (but not absolute) for effective bending behavior is that the local electrode thickness is thinner in areas such that bending in that particular direction is facilitated.

4b zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 402 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das im Hinblick auf das mechanische System 401 als komplementär angesehen werden kann. Während das mechanische System 401 eine erhöhte Steifheit in einer Mitte des Biegeelements 261 entlang eines axialen Verlaufs aufweisen kann, kann ein Biegeelement 261 eine Verdünnung 68 in der Mitte aufweisen, wodurch die Struktur lokal geschwächt oder die mechanische Steifheit reduziert wird. Im Vergleich zu dem mechanischen System 401 ist die Biegerichtung 14 im Hinblick auf die Richtung umgekehrt. Während das Biegeelement 261 des mechanischen Systems 401 und 402 komplementäre Eigenschaften aufweisen können, ist das Biegeelement 262, als nicht einschränkendes Beispiel, auf beide Weisen planar, wobei auch eine nicht planare Implementierung für das mechanische System 401 und 402 ausgewählt und implementiert werden kann. 4b shows a schematic view of a mechanical system 40 2 according to an exemplary embodiment, which can be viewed as complementary to the mechanical system 40 1 . While the mechanical system 40 1 may have increased stiffness at a center of the flexure 26 1 along an axial path, a flexure 26 1 may have a thinning 68 in the center, thereby locally weakening the structure or reducing mechanical stiffness. Compared to the mechanical system 401 , the bending direction 14 is reversed in direction. While the flexure 26 1 of the mechanical system 40 1 and 40 2 may have complementary properties, as a non-limiting example, the flexure 26 2 is planar in both ways, with a non-planar implementation also selected for the mechanical system 40 1 and 40 2 and can be implemented.

In beiden Konfigurationen kann die Biegewandlerstruktur zumindest zwei Biegeelemente 261 und 262 aufweisen, die an diskreten Positionen, beispielsweise den Klemmungen 281 und 282, aneinander befestigt sein können. Entlang einer Biegerichtung 14, entlang der die Biegewandlerstruktur 12 dazu konfiguriert ist, die Biegung bereitzustellen, unterscheidet sich eine Steifheit eines der Biegeelemente im Vergleich zu dem anderen Biegeelement. In both configurations, the bending transducer structure may include at least two bending elements 26 1 and 26 2 which may be secured to one another at discrete positions, such as clamps 28 1 and 28 2 . Along a bending direction 14 along which the bending transducer structure 12 is configured to provide the bend, a stiffness of one of the bending elements differs compared to the other bending element.

Das heißt, eine lokale Steifheit kann von Abschnitt zu Abschnitt der Elektroden veränderlich sein, um eine Aufwärts- oder Abwärtsbiegung zu erzielen, während eine spezifische gewünschte Topologie einer planaren Elektrode auf einer Seite des Wandlerelements vorhanden ist.That is, local stiffness may be variable from section to section of the electrodes to achieve upward or downward bending while having a specific desired planar electrode topology on one side of the transducer element.

Mit anderen Worten zeigt 4b eine beispielhafte Konfiguration mit vollständig isolierten Elektroden und Elektroden mit geradem Boden zur Aufwärtsbiegung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist vollständig isolierte Elektroden und eine Elektrode mit geradem Boden zur Aufwärtsbiegung auf. Die Zellenkonfiguration aus 4a kann gemeinsam mit dieser Konfiguration verwendet werden, um einen Biegebalken mit außerplanarer/planarer S-Konfiguration unter Verwendung einer gewöhnlichen Elektrode mit geradem Boden zu erzeugen.In other words shows 4b an exemplary configuration with fully insulated electrodes and straight bottom electrodes for upward bending in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend, respectively. The exemplary cell configuration includes fully insulated electrodes and a straight bottom electrode for upward bending. The cell configuration 4a can be used together with this configuration to create a cantilever with extra-planar/planar S configuration using an ordinary straight-bottom electrode.

4b veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gemäß dem das Konzept nicht auf eine Geometrie von gekrümmten Elektroden / Kuppelelektroden beschränkt ist. Weitere erzielte Vorteile bestehen darin, dass diese Art von Geometrie einfacher auf Wafer-Ebene produziert werden kann (im Vergleich zu gekrümmten Elektroden / Kuppelelektroden), um ein außerplanares, z. B. aufwärtiges, Biegesystem unter Verwendung von standardmäßigen MEMS-Produktionsprozessen auf Wafer-Ebene (z. B. Waferbonding und Strukturierung der Elektroden über Mengenmikrobearbeitungsprozesse) aufgrund einer planaren Natur der Elektrodengeometrie zu erhalten. Aufgrund der Verwendung von Waferbonding und Mengenmikrobearbeitungsprozessen kann die Vorbeanspruchung in diesen Strukturen im Vergleich zu außerplanaren Konfigurationen, die durch Oberflächenmikrobearbeitung gebildet sind, welche eine Dünnfilmabscheidungen erfordert, wesentlich niedriger sein. Eine allgemeine Gestaltungseinschränkung (die jedoch nicht absolut ist) für ein effektives Biegeverhalten besteht darin, dass die lokale Elektrodendicke in Bereichen derart geringer ist, dass die Biegung in dieser bestimmten Richtung erleichtert wird. 4b illustrates another embodiment of the present invention, according to which the concept is not limited to a geometry of curved electrodes/dome electrodes. Other advantages achieved are that this type of geometry can be more easily produced at the wafer level (compared to curved electrodes/dome electrodes) to achieve an extra-planar, e.g. B. upward, bending system using standard wafer-level MEMS production processes (e.g. wafer bonding and patterning of the electrodes via volume micromachining processes) due to a planar nature of the electrode geometry. Due to the use of wafer bonding and bulk micromachining processes, the prestress in these structures can be significantly lower compared to out-of-planar configurations formed by surface micromachining, which requires thin film deposition. A general design constraint (but not absolute) for effective bending behavior is that the local electrode thickness is thinner in areas such that bending in that particular direction is facilitated.

Während andere Ausführungsbeispiele dahingehend beschrieben worden sind, dass sie in einem nicht ausgelenkten Zustand des mechanischen Systems ein oder mehrere Biegeelemente mit einem gekrümmten Verlauf zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende des Biegeelements 261/262 aufweisen, um die Richtung 14 der Biegung zu definieren, ist es auch möglich, kantige Verläufe zu implementieren, wie beispielsweise in 5a gezeigt ist, welche eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 501 veranschaulicht. Auf symmetrische oder asymmetrische Weise sind gekrümmte, jedoch möglicherweise gerade Elemente der Biegeelemente 261 und 262 mit einem Winkel α dazwischen angeordnet, wobei der Winkel α beispielsweise einen Wert von weniger als 170° oder mehr als 190° beträgt. Beispielsweise im Vergleich zu dem mechanischen System 201 kann dies zu einer Kontaktbildung an zwei getrennten Flächen 22a/22b einerseits und 22c/22d andererseits führen, neben einer Mittelebene A-A', angegeben durch die Ebenen B-B' und C-C'. Dadurch kann der Betrag des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags angepasst werden, z. B. erhöht werden.While other embodiments have been described as having, in a non-deflected state of the mechanical system, one or more bending elements with a curved path between a first end and a second end of the bending element 26 1 /26 2 to the direction 14 of the bend define, it is also possible to implement angular gradients, such as in 5a is shown, which illustrates a schematic view of a mechanical system 50 1 . In a symmetrical or asymmetrical manner, curved but possibly straight elements of the bending elements 26 1 and 26 2 arranged with an angle α between them, the angle α being, for example, a value of less than 170° or more than 190°. For example, in comparison to the mechanical system 201 , this can lead to contact formation on two separate surfaces 22a/22b on the one hand and 22c/22d on the other hand, next to a central plane A-A', indicated by the planes BB' and C-C'. This allows the amount of the second nonlinear mechanical stiffness contribution to be adjusted, e.g. B. be increased.

Es kann eine starke Abhängigkeit von α in Bezug auf den Abstand der Kontaktbildungsebenen B-B' und C-C' von der Symmetrieebene A-A' gesehen werden (sowie von dem Biegungseffekt / der Biegungskrümmung, die bei angelegter Spannung erzielt werden). Wenn beispielsweise α zunimmt (und andere Abmessungen fast konstant bleiben), können die B-B'- und C-C'-Ebenen näher zur A-A'-Ebene kommen (an einer Stelle werden sie fast überlappen, wie in 2a, wenn das System flach „genug“ wird, und der erste Kontakt wird fast an der A-A'-Symmetrieebene auftreten). Dies ist jedoch nur ein allgemeiner Fall und es kann Ausnahmen für unsymmetrische Gestaltungen oder extreme α-Werte geben.A strong dependence of α can be seen with respect to the distance of the contact formation planes BB' and CC' from the symmetry plane AA' (as well as on the bending effect/curvature achieved when voltage is applied). For example, as α increases (and other dimensions remain almost constant), the B-B' and C-C' planes may come closer to the A-A' plane (at one point they will almost overlap, as in 2a , when the system becomes flat “enough” and the first contact will occur almost at the A-A' plane of symmetry). However, this is only a general case and there may be exceptions for asymmetrical designs or extreme α values.

Mit anderen Worten, um ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zu zeigen, gemäß dem das Konzept nicht nur auf eine Geometrie von Kuppelelektroden / geraden Elektroden oder auf Bildungen von zentralisierte Einzelpunktkontakten und ihre Verbreitung beschränkt ist, zeigt 5a eine beispielhafte Zellenkonfiguration mit vollständig isolierten Elektroden und mehreren nicht zentralisierten physischen Kontaktbildungsstellen und Verbreitung von Kontakten in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist vollständig isolierte Elektroden und mehrere nicht zentralisierte physische Kontaktbildungsstellen und eine Verbreitung von Kontakten auf. Obwohl sie für die vorliegende Geometrie symmetrisch sind (um die A-A'-Ebene), müssen die Kontaktbildungsstellen weder dafür symmetrisch sein, dass das Versteifungsprinzip funktioniert, um zu ermöglichen, dass eine Nichtlinearitätsgrößenordnung in den Antworten des Systems reduziert wird. Die Kontaktstellen und Verbreitung von Kontakten können unsymmetrisch auf der Basis einer Zeilgeometrie (z. B. unsymmetrische Zellgestaltung) verändert werden und/oder durch Verändern der Lastbedingungen (z. B. unsymmetrische Lastverteilung auf der Zellstruktur).In other words, to show another embodiment of the present invention, according to which the concept is not limited only to a geometry of dome electrodes/straight electrodes or to formations of centralized single point contacts and their distribution 5a an exemplary cell configuration with fully isolated electrodes and multiple non-centralized physical contact formation sites and proliferation of contacts in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend, respectively. The exemplary cell configuration includes fully isolated electrodes and multiple non-centralized physical contact formation sites and proliferation of contacts. Although symmetrical for the present geometry (around the A-A' plane), the contact formation sites do not need to be symmetrical for the stiffening principle to work to allow an order of nonlinearity in the system's responses to be reduced. The contact locations and distribution of contacts can be changed asymmetrically based on a cell geometry (e.g. asymmetrical cell design) and/or by changing the loading conditions (e.g. asymmetrical load distribution on the cell structure).

5b zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 502 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem mechanischen System 501 werden die Erkenntnisse, die in Verbindung mit den mechanischen System 401 und 402 stehen, kombiniert, d. h. zumindest eines der Biegeelemente 261 und 262 kann eine veränderliche Steifheit und/oder eine veränderliche Dicke entlang des Axialverlaufs entlang der x-Richtung aufweisen. 5b shows a schematic view of a mechanical system 50 2 according to an exemplary embodiment. In comparison to the mechanical system 50 1 , the findings associated with the mechanical systems 40 1 and 40 2 are combined, that is, at least one of the bending elements 26 1 and 26 2 can have a variable stiffness and/or a variable thickness along the Have an axial course along the x direction.

Ein Hauptunterschied zwischen den Strukturen aus 5b und 5a kann darin bestehen, dass eine Bodenelektrodensteifheit erhöht werden kann, indem sie dicker gestaltet wird (Füllen eines leeren Dachs), als möglicher Weg, um die Kontaktbildungsebenen weiterhin zu der Viertellänge der Zelle zu verschieben (da dann für gewöhnlich die Regime höherer Steifheit viel schneller erreicht werden können), um die Kontaktverbreitungslängen auf beiden Seiten der Kontaktebene zu modulieren, um die Bereiche der linearen Regime je nach Anforderung abzustimmen.A key difference between the structures 5b and 5a may be that a bottom electrode stiffness can be increased by making it thicker (filling an empty roof), as a possible way to further shift the contact formation planes towards the quarter length of the cell (since then the higher stiffness regimes are usually reached much more quickly to modulate the contact propagation lengths on both sides of the contact plane to tune the ranges of linear regimes as required.

Es ist zu beachten, dass eine Bodenelektrode mit Biegesystemen (wie in 8a durch Elemente 841 und 842 gezeigt ist) oder einem unterschiedlichen Dachwinkel α auch dazu verwendet werden kann, die Stelle der Ebene der Kontaktbildungen zu ändern.It should be noted that a ground electrode with bending systems (as in 8a shown by elements 84 1 and 84 2 ) or a different roof angle α can also be used to change the location of the plane of the contact formations.

Für einen gegebenen Luftzwischenraum kann die Erhöhung der Steifheit der Bodenelektrode jedoch durch eine entsprechende Reduzierung der Gesamtsteifheit der Zelle kompensiert werden, oder die Betätigungsspannung muss erhöht werden, um aus 5b denselben Biegebereich wie in 5a zu erhalten.However, for a given air gap, the increase in the stiffness of the bottom electrode may be compensated for by a corresponding reduction in the overall stiffness of the cell, or the actuation voltage must be increased to achieve this 5b same bending range as in 5a to obtain.

Mit anderen Worten zeigt 5b eine beispielhafte Zellenkonfiguration mit vollständig isolierten Elektroden und mehreren nicht zentralisierten physischen Kontaktbildungsstellen und einer Verbreitung von Kontakten aufgrund einer Geometrie einer Bodenelektrode in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist vollständig isolierte Elektroden und mehrere nicht zentralisierte physische Kontaktbildungsstellen und eine Verbreitung von Kontakten auf, die im Vergleich zu 5a symmetrisch verschoben sind (C-C'- und B-B'-Ebenen), wobei die Zellgestaltung auf einer Bodenelektrodengeometrie der Zelle basiert.In other words shows 5b an exemplary cell configuration with fully isolated electrodes and multiple non-centralized physical contact formation sites and a proliferation of contacts due to a bottom electrode geometry in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend, respectively. The exemplary cell configuration has fully isolated electrodes and multiple non-centralized physical contact formation sites and a proliferation of contacts compared to 5a are symmetrically shifted (C-C' and B-B' planes), with the cell design being based on a bottom electrode geometry of the cell.

6a zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 601, das drei, optional eine höhere Anzahl, Biegeelemente 261, 262 und 263 als Komponenten der Biegewandlerstruktur aufweist. Zwischen benachbarten Biegeelementen 261 und 262 einerseits und 262 und 263 andererseits sind Anpassungsstrukturschichten 181 und 182 angeordnet, die für einen jeweiligen Kontaktbildungsbereich 221 und 222 mit einer Erhöhung einer Bewegung 3411 bis 3422 sorgen. Indem beispielsweise eine Anzahl von drei Elektroden vorhanden ist, können diese mit unterschiedlichen oder gruppierten Potenzialen verbunden werden, beispielsweise ein Referenzpotenzial GND an den Außenelektroden 261 und 263 und eine Potenzialdifferenz davon an einem inneren Element 262. Jede beliebige andere Konfiguration ist auch möglich. Dies kann gemeinsam oder selektiv gesteuerte Paare von Elektroden 26, und 262 einerseits und 262 und 263 andererseits ermöglichen. Die Paare von Elementen 261 und 262 einerseits und 262 und 263 andererseits können jeweils eine kuppelartige Struktur bilden, die zu einer zumindest zweikuppligen Struktur führt. 6a shows a schematic view of a mechanical system 60 1 , which has three, optionally a higher number, bending elements 26 1 , 26 2 and 26 3 as components of the bending transducer structure. Between adjacent bending elements 26 1 and 26 2 on the one hand and 26 2 and 26 3 on the other hand, adaptation structure layers 18 1 and 18 2 are arranged, which ensure a respective contact formation area 22 1 and 22 2 with an increase in movement 34 11 to 34 22 . For example, by a number of three electrodes is present, these can be connected to different or grouped potentials, for example a reference potential GND on the outer electrodes 26 1 and 26 3 and a potential difference thereof on an inner element 26 2 . Any other configuration is also possible. This can enable jointly or selectively controlled pairs of electrodes 26 and 26 2 on the one hand and 26 2 and 26 3 on the other. The pairs of elements 26 1 and 26 2 on the one hand and 26 2 and 26 3 on the other hand can each form a dome-like structure, which leads to an at least two-domed structure.

Obwohl die Biegeelemente 261, 262 und 263 dahingehend gezeigt sind, dass sie eine gekrümmte Form entlang der Axialrichtung x aufweisen, können sie auch alternativ oder in Kombination eine kantige Form aufweisen.Although the bending elements 26 1 , 26 2 and 26 3 are shown as having a curved shape along the axial direction x, they may alternatively or in combination have an angular shape.

Mit anderen Worten zeigt 6 eine beispielhafte zweikupplige Basiszellenkonfiguration mit Isolatorschichten zwischen den Elektroden für beide elektrostatischen Luftzwischenräume 381/382 und 383/384 in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte zweikupplige Basiszellenkonfiguration weist Isolatorschichten zwischen den Elektroden für beide elektrostatischen Luftzwischenräume auf. Eine zweikupplige Zellgestaltung erlebt höhere Biegekrümmungen und zuführbare Kräfte für eine gegebene Spannung und Chipfläche in Bezug auf standardmäßige einkupplige Strukturen Luftzwischenräume mit der Form von zwei Kuppeln, die in einem kompakten Formfaktor verwendet werden. Mit der Verwendung von Kontaktbildungen und ihrer Evolution auf der Basis einer abgeschiedenen dielektrischen Schicht in den elektrostatischen Zwischenräumen können sogar noch höhere Biegekrümmungen und bereitstellbare Kräfte zusammen mit einer reduzierten Größenordnung einer Nichtlinearität in der Antwort des Systems erhalten werden.In other words shows 6 an exemplary two-dome base cell configuration with insulator layers between the electrodes for both electrostatic air gaps 38 1 /38 2 and 38 3 /38 4 in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend, respectively. The exemplary two-dome base cell configuration has insulator layers between the electrodes for both electrostatic air gaps. A dual-dome cell design experiences higher bending curvatures and deliverable forces for a given voltage and chip area relative to standard single-dome structures air gaps with the shape of two domes used in a compact form factor. With the use of contact formations and their evolution based on a deposited dielectric layer in the electrostatic gaps, even higher bending curvatures and deployable forces can be obtained along with a reduced magnitude of nonlinearity in the system's response.

Eine Struktur gemäß 6a sorgt für den Vorteil, dass zweikupplige Zellen im Hinblick auf ihre hohen Leistungen in der Praxis am besten in planaren NED-Strukturen für zahlreiche Bauelemente genutzt werden können.A structure according to 6a ensures the advantage that, in view of their high performance, two-coupled cells can best be used in planar NED structures for numerous components in practice.

6b zeigt ein schematisches Diagramm mit einer normalisierten Spannung an der Abszisse und einer normalisierten Krümmung eines mechanischen Systems, beispielsweise das mechanischen System 601, an der Ordinate. Die Kurven 741 und 742 zeigen unterschiedliche Verhalten, wobei die Kurve 742 eine nichtlineare Antwort der Biegewandlerstruktur, d. h. gekoppelte Biegeelemente 261 und 262, ohne Bildung eines Kontakts mit der Anpassungsstruktur zeigt, was beispielsweise durch eine niedrige unzureichende Dicke der Isolierschicht in den Luftzwischenräumen erhalten werden kann. Im Vergleich dazu zeigt das Diagramm 741 eine erhöhte Dicke der Isolierschicht, die einen Kontakt zwischen der Anpassungsstruktur und der Biegewandlerstruktur ermöglicht. Es ist ersichtlich, dass ein linearisiertes Verhalten von Version 2 ausgehend von der ersten Kontaktbildung bei einer normalisierten Spannung von 0,8 höher ist, als im Vergleich zu 3, die das linearisierte Verhalten nach der ersten Kontaktbildung bei einer normalisierten Spannung von 0,5 zeigt. 6b shows a schematic diagram with a normalized stress on the abscissa and a normalized curvature of a mechanical system, for example the mechanical system 60 1 , on the ordinate. The curves 74 1 and 74 2 show different behaviors, with the curve 74 2 showing a non-linear response of the bending transducer structure, ie coupled bending elements 26 1 and 26 2 , without forming contact with the matching structure, which is caused, for example, by a low insufficient thickness of the insulating layer in the air gaps can be obtained. In comparison, diagram 74 1 shows an increased thickness of the insulating layer allowing contact between the conforming structure and the flexural transducer structure. It can be seen that a linearized behavior of version 2 starting from the first contact formation at a normalized voltage of 0.8 is higher than compared to 3 , showing the linearized behavior after initial contact formation at a normalized voltage of 0.5.

Der Begriff „ausreichende“ Isolatordicke kann sich auf eine Dicke beziehen, die der Spannung, die über dieselbe in dem gesamten Betriebsbereich angelegt wird, ohne elektrischen Durchschlag bei Kontaktbildung und seiner Verteilung widerstehen kann.The term "sufficient" insulator thickness may refer to a thickness that can withstand the voltage applied across it throughout the operating range without electrical breakdown upon contact formation and its distribution.

Für eine gegebene Zellgestaltung kann eine Kontaktbildung immer bei einer bestimmten höheren Spannung (mit/ohne Anziehung) erzielt werden, bis die Isolatordicke eine Anwendung solch einer besonders hohen Spannung über dieselbe ohne elektrischen Durchschlag ermöglicht. Das Einzige, was sich ändert, ist die Stelle der Bildung des ersten Kontakts in Bezug auf die angelegte Spannung und die Länge des linearen Regimes. Falls eine Kontaktbildung bei niedrigeren Spannungen gewünscht ist, kann die Steifheit der Zellelektroden reduziert werden, um eine einfachere Bewegung der Elektroden hin zueinander bei niedrigerer Spannung zu ermöglichen, oder schmalere Zwischenräume zwischen den Elektroden können verwendet werden (für höhere elektrostatische Kräfte, um die Elektroden zueinander hinzuziehen, und für weniger Abstand, um den sich Elektroden bewegen müssen, bevor ein Kontakt mit der Isolationsschicht auftritt).For a given cell design, contact formation can always be achieved at a certain higher voltage (with/without attraction) until the insulator thickness allows such a particularly high voltage to be applied across it without electrical breakdown. The only thing that changes is the location of the formation of the first contact in relation to the applied voltage and the length of the linear regime. If contact formation at lower voltages is desired, the stiffness of the cell electrodes can be reduced to allow easier movement of the electrodes towards each other at lower voltage, or narrower gaps between the electrodes can be used (for higher electrostatic forces to move the electrodes towards each other and for less distance that electrodes have to move before contact with the insulation layer occurs).

Die allgemeine optimale Dicke der Isolatorschicht kann an einer Stelle oder einem Toleranzbereich ein Mindestwert sein, der der maximal möglichen Betätigungsspannung des gesamten Regimes widerstehen kann, während sie außerdem die strukturelle Integrität und mechanische Robustheit aufweist, die erforderlich ist, um den hohen Druckkräften bei Kontaktbildung und -verbreitung ohne mechanischen Bruch (und somit möglichen elektrischen Durchschlag dadurch) zu widerstehen.The general optimum thickness of the insulator layer may be a minimum value at a location or tolerance range that can withstand the maximum possible operating stress of the entire regime, while also having the structural integrity and mechanical robustness required to withstand the high compressive forces during contact formation and -to withstand spread without mechanical breakage (and thus possible electrical breakdown).

Für einen festen Zwischenraum zwischen den Elektroden (für gewöhnlich so klein wie möglich, am besten ist der Mindestwert an der Produktionsauflösungsgrenze) gilt außerdem, je dicker die elektrische Isolation sind, desto weniger müssen sich die Elektroden bewegen, um eine Kontaktbildung zu erreichen und in ein Linearisierungsregime überzugehen. Im Fall von dielektrischen Schichten gilt, dass die elektrostatischen Gesamtkräfte aufgrund einer Erhöhung der effektiven dielektrischen Konstante des elektrostatischen Zwischenraums zunehmen, wenn die Schicht dicker ist, was auch bei einer schnelleren Kontaktbildung für eine gegebene Spannung hilft. Somit kann die Isolatordicke verwendet werden, um die Kontaktbildung und das Ausmaß einer Kontaktverbreitung zu steuern, das vor dem Auftreten eines elektrischen Durchschlags darin erlaubt ist.For a fixed gap between the electrodes (usually as small as possible, the minimum value at the production resolution limit is best), the thicker the electrical insulation, the less the electrodes have to move in order to achieve contact formation and in one linearization regime. In the case of dielectric layers, the total electrostatic forces due to an increase in the effective dielectric con The constant of the electrostatic gap increases as the layer is thicker, which also helps in faster contact formation for a given voltage. Thus, insulator thickness can be used to control contact formation and the amount of contact propagation allowed before electrical breakdown occurs therein.

Zum Erhalten eines reibungslosen/abrupten Übergangs in ein lineares Regime: Normalerweise kann eine Dicke von Isolator/dielektrische Schicht von mehr als 2/3 eines Gesamtzwischenraums zwischen den Elektroden verwendet werden, um eine Kontaktbildung zu erhalten, bevor ein Anziehphänomen für einen reibungslosen Übergang in ein lineares Regime auftritt. Falls eine Anziehung aus oben erwähnten Gründen gewünscht ist, dann können größere Luftzwischenräume verwendet werden, wenn die Isolatordicke bereits bei der Grenze des elektrischen Durchbruchs oder der mechanischen strukturellen Integrität ist und für die erforderliche maximale Betriebsspannung nicht reduziert werden kann.To obtain smooth/abrupt transition to a linear regime: Normally, an insulator/dielectric layer thickness of more than 2/3 of a total gap between electrodes can be used to obtain contact formation before a tightening phenomenon for a smooth transition to a linear regime occurs. If attraction is desired for reasons mentioned above, then larger air gaps can be used if the insulator thickness is already at the limit of electrical breakdown or mechanical structural integrity and cannot be reduced for the maximum operating voltage required.

Es ist zu beachten, dass die Kontaktbildung und -verbreitung neben der Isolatordicke auch von einer lokalen Steifheit der Kontaktfläche bei Biegung (was von der Elektrodendicke, - länge, geometrischen Topologie, Topologiewinkel (falls vorhanden), usw. abhängt, und den Betätigungskräften abhängt, die bei dem Bereich der Kontaktbildung und -verbreitung erzeugt werden (was von der angelegten Spannung, dem elektrostatischen Luftzwischenraum, der effektiven dielektrischen Konstante, usw. abhängt).It should be noted that in addition to the insulator thickness, contact formation and propagation also depends on a local stiffness of the contact surface during bending (which depends on the electrode thickness, length, geometric topology, topology angle (if any), etc., and the actuation forces, which are generated in the region of contact formation and propagation (which depends on the applied voltage, the electrostatic air gap, the effective dielectric constant, etc.).

Ein ähnliches Prinzip zum Kombinieren eines nichtlinearen Verhaltens kann in jedem anderen hierin beschriebenen mechanischen System implementiert werden. Das heißt, ein mechanisches System gemäß Ausführungsbeispielen kann eine Biegewandlerstruktur aufweisen, die konfiguriert ist zum nichtlinearen Verformen auf der Basis einer Biegung ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal und/oder zum nichtlinearen Bereitstellen eines elektrischen Signals ansprechend auf eine ausgeübte äußere Kraft, die die Biegung bewirkt. Das mechanische System weist eine Anpassungsstruktur auf, die mechanisch an die Biegewandlerstruktur gekoppelt ist, wobei die Biegung und eine Verformung der Anpassungsstruktur in kausaler Korrelation zueinander stehen, wobei die Verformung der Anpassungsstruktur für eine nichtlineare Kraft für die Biegewandlerstruktur sorgt, die die Größenordnung der Nichtlinearität in einer Gesamtantwort des mechanischen Systems reduziert, beispielsweise die Biegung linearisiert, d. h. eine lineare Feder zur Folge hat oder für eine gewünschte Nichtlinearität sorgt. Im Fall von Federkonfigurationen wird eine Linearisierung nicht notwendigerweise in jedem Fall für das komplette Antwortregime erhalten. Jedoch ist im Vergleich zu Systemen ohne Feder, d. h. federlose Systeme, eine Reduzierung einer Nichtlinearität in der Gesamtantwort vorhanden.A similar principle for combining nonlinear behavior can be implemented in any other mechanical system described herein. That is, a mechanical system according to embodiments may include a bending transducer structure configured to nonlinearly deform based on a bend in response to an applied electrical signal and/or to nonlinearly provide an electrical signal in response to an applied external force causing the bend . The mechanical system includes an adjustment structure that is mechanically coupled to the bending transducer structure, the bending and a deformation of the adjustment structure being causally correlated with one another, the deformation of the adjustment structure providing a nonlinear force for the bending transducer structure that has the magnitude of the nonlinearity in an overall response of the mechanical system is reduced, for example the bend is linearized, i.e. H. results in a linear spring or ensures a desired non-linearity. In the case of spring configurations, linearization is not necessarily obtained for the complete response regime in every case. However, compared to systems without a spring, i.e. H. springless systems, a reduction of non-linearity in the overall response is present.

Mit anderen Worten zeigt 6b eine beispielhafte Zellbiegekrümmung im Vergleich zu einer Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf Maximalwerte) aus einer Finite-Element-Verfahren-(FEM)-Simulation identischer zweikuppliger Zellgeometrien mit ausreichenden (T2) / unzureichenden (T1) Dicken der Isolatorschicht in den Luftzwischenräumen, um eine Kontaktbildung / keine Kontaktbildung in dem Bereich der anlegbaren Spannung zu erhalten. Die beispielhafte Zellbiegekrümmung wird dann gegenüber der Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf Maximalwerte) aus FEM-Simulationen identischer zweikuppliger Zellgeometrien (selbe Zelle wie in 6a gezeigt) mit ausreichenden (T2) / unzureichenden (T1) Dicken von Dielektrikum/Isolator-Schicht in den identischen Luftzwischenräumen und einer Zellgeometrie gezeigt, um eine Kontaktbildung / keine Kontaktbildung in dem Bereich der anlegbaren Spannung zu erhalten. Es ist wichtig zu beachten, dass für den Großteil des Betriebsspannungsbereichs die erzielte Krümmung in dem Kontaktbildungsbereich aufgrund einer kontaktbasierten Funktionsweise durch eine ausreichend dicke dielektrische Schicht (T2) im Vergleich zu einem System ohne Kontaktbildung (T1) selbst bei linearisierter Antwort höher ist.In other words shows 6b an exemplary cell bending curvature compared to an actuation voltage (normalized with respect to maximum values) from a finite element method (FEM) simulation of identical two-dome cell geometries with sufficient (T2) / insufficient (T1) thicknesses of the insulator layer in the air gaps to achieve a Contact formation / no contact formation in the area of the applicable voltage. The exemplary cell bending curvature is then plotted against the actuation voltage (normalized with respect to maximum values) from FEM simulations of identical two-coupled cell geometries (same cell as in 6a shown) with sufficient (T2) / insufficient (T1) thicknesses of dielectric / insulator layer in the identical air gaps and a cell geometry shown to obtain contact formation / no contact formation in the range of the applicable voltage. It is important to note that for most of the operating voltage range, the achieved curvature in the contact formation region is higher due to contact-based operation through a sufficiently thick dielectric layer (T2) compared to a system without contact formation (T1), even with linearized response.

6c zeigt ein schematisches Diagramm, das dem Diagramm aus 6b ähnelt, wobei eine zusätzliche Kurve 743 eine Version 2 der zweikuppligen Zellgeometrie aus 6b darstellt, wobei die Version, die aufgrund einer unzureichenden Dicke der Isolatorschicht keine Kontaktbildung ausführt, als Version 1 bezeichnet wird, und die Kurve 741, die eine hohe Linearität zeigt, als eine Version 3 dargestellt ist. 6c shows a schematic diagram corresponding to the diagram 6b similar, with an additional curve 74 3 a version 2 of the two-domed cell geometry 6b where the version which does not perform contact formation due to insufficient thickness of the insulator layer is referred to as version 1, and the curve 74 1 which shows high linearity is shown as a version 3.

Mit anderen Worten zeigt 6c eine beispielhafte Zellbiegekrümmung im Vergleich zu einer Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf Maximalwerte) aus einer FEM-Simulation unterschiedlicher Versionen von zweikuppligen Zellen, um eine gestaltungsbasierte einstellbare Position einer ersten Kontaktbildung in dem Bereich der anlegbaren Spannung zu erhalten. Die beispielhafte Zellbiegekrümmung ist gegenüber der Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf Maximalwerte) aus FEM-Simulationen unterschiedlicher Versionen von zweikuppligen Zellen gezeigt, um eine gestaltungsbasierte einstellbare Position der ersten Kontaktbildung in dem Bereich der anlegbaren Spannung aufzuweisen. Version 1 und 3 gleichen den Zellgestaltungen T1 und T2 aus 6b, während Version 2 eine ähnliche Zellgestaltung wie Version 3 aufweist, jedoch mit größeren Luftzwischenräumen, um den ersten Kontaktbildungspunkt in Bezug auf die angelegte Spannung zu verschieben. Dieser beispielhafte Fall zeigt die hohe Flexibilität hinsichtlich der Gestaltungsmöglichkeiten der vorliegenden Konfigurationen dieser Erfindung zum leichten Abstimmen der Antwort des Systems.In other words shows 6c an exemplary cell bending curvature compared to an actuation voltage (normalized with respect to maximum values) from an FEM simulation of different versions of two-coupled cells to obtain a design-based adjustable position of a first contact formation in the range of the applicable voltage. The exemplary cell bending curvature is shown versus the actuation voltage (normalized with respect to maximum values) from FEM simulations of different versions of two-coupled cells to have a design-based adjustable position of the first contact formation in the range of the applicable voltage. Versions 1 and 3 balance the T1 and T2 cell designs 6b , while version 2 has a similar cell design to version 3, but with larger air gaps, to move the first contact formation point with respect to the applied voltage. This exemplary case demonstrates the high flexibility in design possibilities of the present configurations of this invention to easily tune the response of the system.

6d zeigt ein schematisches Diagramm mit der normalisierten Spannung an der Ordinate und der normalisierten Krümmung an der Abszisse, um das Verhalten eines produzierten Testmusters der zweikuppligen Zelle, wie beispielsweise in 6a gezeigt ist, im Hinblick auf eine Verformungshysterese zu veranschaulichen. Wie ersichtlich ist, besteht lediglich ein kleiner Unterschied zwischen einem Anlaufverhalten in einem positiven Zyklus, das in Kurve 781 gezeigt ist, und einem Ablaufverhalten in dem positiven Zyklus, das in Kurve 782 gezeigt ist, das heißt, dass eine kleine Hysterese vorhanden ist, was konform mit der in Kurve 783 veranschaulichten FEM-Simulation ist. Die Kurven 781, 782 und 783 beziehen sich beispielsweise auf Version 3 aus 6c. 6d shows a schematic diagram with the normalized voltage on the ordinate and the normalized curvature on the abscissa to show the behavior of a produced test sample of the two-coupled cell, such as in 6a is shown to illustrate with regard to deformation hysteresis. As can be seen, there is only a small difference between a positive cycle start-up behavior shown in curve 78 1 and a positive cycle run-off behavior shown in curve 78 2 , that is, there is a small hysteresis , which is consistent with the FEM simulation illustrated in curve 78 3 . The curves 78 1 , 78 2 and 78 3 refer to version 3, for example 6c .

Mit anderen Worten zeigt 6d eine beispielhafte Zellenbiegekrümmung im Vergleich zu einer Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf Maximalwerte) aus einer FEM-Simulation und experimentellen Messungen produzierter Testmuster einer zweikuppligen Zelle, welche eine vernachlässigbare Krümmungshysterese in einer Vorwärts- und Rückwärtsevolution eines Kontakts bei Spannungsanlauf und -ablauf demonstriert. Die beispielhafte Zellenbiegekrümmung ist gezeigt gegenüber der Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf Maximalwerte) aus einer FEM-Simulation und experimentellen Messungen eines produzierten Testmusters einer zweikuppligen Zelle (selbe Geometrie wie 6a, 6b-T2 und 6c, Version 3) gezeigt, wobei eine vernachlässigbare Biegungskrümmungshysterese in einer Vorwärts- und Rückwärtsevolution eines Kontakts mit Spannungsanlauf und -ablauf demonstriert wird. Die experimentellen Ergebnisse zeigen praktisch, dass die erwartete vernachlässigbare Bewegungshysterese (die für gewöhnlich aufgrund einer Haftreibung zwischen kontaktierenden Oberflächen oder Aufladungsproblemen während Zyklen der Reißverschlussfunktion und der Lösung der Reißverschlussfunktion auftritt), und veranschaulicht außerdem eine Reproduzierbarkeit und Verlässlichkeit einer Leistung der Systeme.In other words shows 6d an exemplary cell bending curvature compared to an actuation voltage (normalized with respect to maximum values) from a FEM simulation and experimental measurements of produced test samples of a two-coupled cell, which demonstrates negligible curvature hysteresis in a forward and backward evolution of a contact during voltage startup and decay. The exemplary cell bending curvature is shown versus the actuation stress (normalized with respect to maximum values) from an FEM simulation and experimental measurements of a produced test sample of a two-coupled cell (same geometry as 6a , 6b-T2 and 6c , version 3), demonstrating negligible bending curvature hysteresis in a forward and backward evolution of a contact with voltage start-up and release. The experimental results practically demonstrate that the expected negligible motion hysteresis (which usually occurs due to stiction between contacting surfaces or charging problems during zipper operation and zipper release cycles), and also demonstrates reproducibility and reliability of performance of the systems.

6e zeigt ein schematisches Diagramm, der erneut die normalisierte Spannung an der Ordinate und die normalisierte Krümmung des mechanischen Systems 601, Kurven 781 und 782 aus 6d, zeigt. Mit anderen Worten zeigt 6e eine beispielhafte Zellenbiegekrümmung im Vergleich zu einer Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf Maximalwerte) aus experimentellen Messungen produzierter Testmuster einer zweikuppligen Zelle, welche eine vernachlässigbare Aufladungswirkung in aufeinanderfolgenden Anläufen positiver und negativer Spannungszyklen demonstriert. Die beispielhafte Zellenbiegekrümmung ist im Vergleich zu der Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf Maximalwerte) aus experimentellen Messungen produzierter Testmuster einer zweikuppligen Zelle gezeigt (selbe Geometrie wie 6a, 6b-T2 und 6c, Version 3), welche eine vernachlässigbare Aufladungswirkung in aufeinanderfolgenden Anläufen positiver und negativer Spannungszyklen demonstriert. 6e shows a schematic diagram again showing the normalized stress on the ordinate and the normalized curvature of the mechanical system 60 1 , curves 78 1 and 78 2 6d , shows. In other words shows 6e an exemplary cell bending curvature compared to an actuation voltage (normalized with respect to maximum values) of test samples produced from experimental measurements of a two-coupled cell, demonstrating a negligible charging effect in successive runs of positive and negative voltage cycles. The exemplary cell bending curvature is shown in comparison to the actuation voltage (normalized with respect to maximum values) from experimental measurements of test samples produced from a two-coupled cell (same geometry as 6a , 6b-T2 and 6c , version 3), which demonstrates a negligible charging effect in successive runs of positive and negative voltage cycles.

Während zumindest einige der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele die Anpassungsstruktur 18 dahingehend zeigen, dass diese zumindest teilweise oder sogar vollständig in dem Volumen 24, das durch die Biegewandlerstruktur definiert ist, angeordnet ist, ist solch eine Implementierung nicht erforderlich, wie beispielsweise in Verbindung mit 1a und 1b beschrieben ist.While at least some of the embodiments described above show the adaptation structure 18 being disposed at least partially or even completely within the volume 24 defined by the flexure transducer structure, such an implementation is not required, for example in connection with 1a and 1b is described.

7a zeigt eine schematische Ansicht eines Biegewandlers oder eines mechanischen Systems 701 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Anpassungsstruktur 18 zumindest teilweise außerhalb des Volumens 24 bzw. eines aktiven Bereichs des Wandlers angeordnet ist. Beispielsweise kann die Anpassungsstruktur 18 eine oder mehrere Biegebalkenstrukturen 841, 842 derselben oder unterschiedlicher Dicke aufweisen, d. h. eine Erstreckung entlang der y-Richtung. Beide Enden davon sind mit der Biegewandlerstruktur 12 verbunden, was beispielsweise umfasst, dass die gemeinsamen Bereiche der Klemmung 281 und 282 vorhanden sind, wobei zumindest ein erstes Ende 861, das mit der Klemmung 281 verbunden ist oder Teil der Klemmung 281 ist, auch mit dem gemeinsamen Substrat 66 verbunden sein kann, ohne die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu verlieren. Auch wenn das Ende 861 mit dem Substrat 66 kontaktiert wird, ist dies dennoch dahingehend zu verstehen, dass das Ende 861 mit der Biegewandlerstruktur 12, beispielsweise über das Substrat 66, verbunden wird. Die Anpassungsstruktur 18 ist konfiguriert zum Bereitstellen der Anpassungsbildung, z. B. Biegung, als eine Biegung der Biegebalkenstrukturen 841 und 842. 7a shows a schematic view of a bending transducer or a mechanical system 70 1 according to an exemplary embodiment, in which the adaptation structure 18 is at least partially arranged outside the volume 24 or an active area of the transducer. For example, the adaptation structure 18 may have one or more bending beam structures 84 1 , 84 2 of the same or different thickness, ie an extension along the y-direction. Both ends thereof are connected to the bending transducer structure 12, which includes, for example, having the common areas of the clamp 28 1 and 28 2 , with at least a first end 86 1 connected to the clamp 28 1 or being part of the clamp 28 1 can also be connected to the common substrate 66 without losing the advantages of the present invention. Even if the end 86 1 is contacted with the substrate 66, this should still be understood to mean that the end 86 1 is connected to the bending transducer structure 12, for example via the substrate 66. The adaptation structure 18 is configured to provide adaptation formation, e.g. B. bend, as a bend of the bending beam structures 84 1 and 84 2 .

Wie bei anderen Ausführungsbeispielen für die Kontaktbildung zwischen der Anpassungsstruktur und der Biegewandlerstruktur beschrieben worden ist, kann die Kontaktbildung in dem mechanischen System 701 zwischen den Biegebalkenstrukturen 841 und 842 auf der Basis von Bewegungen 341 und 342 entlang einer selben Richtung (+y) erfolgen, um beispielsweise für die Kontaktbildung an der Ebene A-A' zu sorgen, was entlang von Kontaktevolutionsrichtungen 441 und 442 zunimmt. An einer Stelle einer Kontaktbildung in Kontaktflächen 22a/22b, beispielsweise Ebene A-A', können sich die Biegeelemente 261 und 262 aufeinander zu bewegen, wie durch die Richtung von Bewegungspfeilen 881 und 882 gezeigt ist. Die Biegeelemente 261 und 262 können beispielsweise für einen Kontakt dazwischen sorgen, dies ist jedoch nicht erforderlich. Ob ein Kontakt bereitgestellt wird oder nicht, kann zumindest teilweise von der Amplitude der Auslenkung entlang der Biegerichtung 14 und/oder einer Größe des Zwischenraums 38 abhängen, beispielsweise ein Abstand der Biegeelemente 261 und 262 entlang der +y-Richtung.As has been described in other embodiments of contact formation between the conforming structure and the flexure transducer structure, contact formation in the mechanical system 70 1 between the flexure beam structures 84 1 and 84 2 may occur based on movements 34 1 and 34 2 along a same direction (+ y) to ensure, for example, contact formation at the plane AA', which increases along contact evolution directions 44 1 and 44 2 . At one point a contact formation In contact surfaces 22a/22b, for example plane AA', the bending elements 26 1 and 26 2 can move towards one another, as shown by the direction of movement arrows 88 1 and 88 2 . The bending elements 26 1 and 26 2 can, for example, provide contact therebetween, but this is not necessary. Whether or not contact is provided may depend at least in part on the amplitude of the deflection along the bending direction 14 and/or a size of the gap 38, for example a distance between the bending elements 26 1 and 26 2 along the +y direction.

Es gilt als allgemeine Bedingung, dass 842 dünner als 841 sein sollte. Beispielsweise kann die äußerste Biegung 842, aufgrund ihrer am weitesten entfernten Position von einer neutralen Faser der Zelle (insbesondere im Vergleich zu 841), das maximale Druckbiegemoment erfahren, und somit wird ihre nach innen gerichtete Biegung stärker sein als im Vergleich zu 841, insbesondere, wenn sie eine niedrigere Biegesteifheit als 841 aufweist. Falls 842 dünner ist, wird sie eine viel niedrigere Steifheit hin zum Biegen aufweisen, und somit wird ihre nach innen gerichtete Biegung wesentlich stärker als die von 841 sein, und somit wird eine Kontaktbildung mit 841 auf zuverlässige und schnelle Weise bei Biegung erzielt (was wiederum zur Erhöhung einer Zellsteifheit auf nichtlineare Weise bei Biegung erforderlich ist).It is a general condition that 84 2 should be thinner than 84 1 . For example, the outermost bend 84 2 , due to its furthest position from a neutral fiber of the cell (particularly compared to 84 1 ), may experience the maximum compressive bending moment, and thus its inward bend will be stronger than compared to 84 1 , especially if it has a bending stiffness lower than 84 1 . If 84 2 is thinner, it will have a much lower stiffness to bending, and thus its inward bending will be significantly stronger than that of 84 1 , and thus contact formation with 84 1 will be achieved in a reliable and rapid manner when flexed (which in turn is necessary to increase cell stiffness in a non-linear manner upon bending).

Der Luftzwischenraum 92 wird zwei wichtige Punkte beeinflussen: 1) Je größer der Zwischenraum 92 ist, desto stärker erfährt 842 ein Druckbiegemoment in Bezug auf 841 (und somit die nach innen gerichtete Auslenkungsgröße für eine feste Biegesteifheit jeder Biegung/Beugung), andererseits gilt: 2) Je größer der Zwischenraum ist, desto mehr muss die Biegung 842 sich nach innen in Bezug auf 841 bewegen, um eine erste Kontaktbildung zu erhalten.The air gap 92 will affect two important points: 1) The larger the gap 92, the greater 84 2 experiences a compressive bending moment with respect to 84 1 (and thus the inward deflection amount for a fixed bending stiffness of each bend/flexion), on the other hand : 2) The larger the gap, the more the bend 84 2 must move inward with respect to 84 1 to obtain initial contact formation.

Für gewöhnlich ist der effektivste Fall einer Zellbiegung und Kontaktbildung dann, wenn beide Zwischenräume 92 und 38 so klein wie möglich sind (je nach verwendetem Herstellungsprozess) und ein Zwischenraum 92 kleiner ist als 38, so dass die Kontaktbildung bei niedrigeren Spannungen auftritt und höhere elektrostatische Kräfte, und somit ein höheres Biegemoment, bei niedrigeren angelegten Spannungen (für den Zwischenraum 38) erzeugt werden kann. Außerdem wird die nach innen gerichtete Auslenkung von 842 durch die Verwendung einer viel dünneren 842 mit einer längeren Länge im Vergleich zu 841 wesentlich erhöht, um eine schnellere und zuverlässige Kontaktbildung herzustellen. Dies zeigt sich auch in 7a.Typically, the most effective case of cell bending and contact formation is when both gaps 92 and 38 are as small as possible (depending on the manufacturing process used) and a gap 92 is smaller than 38 so that contact formation occurs at lower voltages and higher electrostatic forces , and thus a higher bending moment, can be generated at lower applied voltages (for the gap 38). Additionally, the inward deflection of 84 2 is significantly increased by using a much thinner 84 2 with a longer length compared to 84 1 to provide faster and reliable contact formation. This is also shown in 7a .

Ein Zwischenraum 92, der zwischen den Biegeelementen 841 und 842 der Anpassungsstruktur 18 angeordnet ist, kann im Hinblick auf den Abstand zwischen den Biegebalken 841 und 842 entlang der +y-Richtung angepasst sein, um die Amplitude der Auslenkung zu bestimmen, die für den ersten Kontakt und somit für den Linearisierungseffekt sorgt. Während der Biegung der Biegewandlerstruktur 12 ist die Anpassungsstruktur 18 konfiguriert zum Bilden eines Kontakts zwischen den Biegebalkenstrukturen 841 und 842 in einer Kontaktfläche 22a/22b, die mit einer Erhöhung einer Biegeamplitude der Biegewandlerstruktur entlang der Biegerichtung zunimmt. Das Kontaktieren der Enden 861 und 862 mit der Klemmung und/oder mit dem Material eines Biegeelements 261 oder 262 kann es ermöglichen, dass die Biegebalkenelemente 841 und/oder 842 im Vergleich zu dem benachbarten Biegeelement 261, 262 auf einem gleichen Potenzial sind. Dies ist jedoch unproblematisch, da ein mechanischer Kontakt nicht zu Kurzschlüssen oder dergleichen führt.A gap 92, which is arranged between the bending elements 84 1 and 84 2 of the adjustment structure 18, can be adjusted with respect to the distance between the bending beams 84 1 and 84 2 along the +y direction in order to determine the amplitude of the deflection, which ensures the first contact and thus the linearization effect. During bending of the bending transducer structure 12, the adjustment structure 18 is configured to form contact between the bending beam structures 84 1 and 84 2 in a contact area 22a/22b that increases with an increase in a bending amplitude of the bending transducer structure along the bending direction. Contacting the ends 86 1 and 86 2 with the clamping and/or with the material of a bending element 26 1 or 26 2 may allow the bending beam elements 84 1 and/or 84 2 to be more flexible in comparison to the adjacent bending element 26 1, 26 2 are at the same potential. However, this is not a problem because mechanical contact does not lead to short circuits or the like.

Mit anderen Worten zeigt 7a eine beispielhafte Zellenkonfiguration mit einer dedizierten Struktur zur Kontaktbildung und -evolution außerhalb des elektrostatischen Luftzwischenraums und einer Vermeidung eines obligatorischen Isolator-basierten Kontakts für flexible Gestaltungsmöglichkeiten und einer weiteren Reduzierung von Reibungswahrscheinlichkeiten zwischen Kontaktoberflächen aufgrund jeglicher direkten Aufladung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist eine dedizierte Struktur zur Kontaktbildung und -evolution außerhalb des elektrostatischen Zwischenraums auf und vermeidet einen obligatorischen Isolator-basierten Kontakt für flexible Gestaltungsmöglichkeiten und einer weiteren Reduzierung von Haftreibungswahrscheinlichkeiten zwischen Kontaktoberflächen aufgrund einer Aufladung einer dielektrischen Schicht oder einer elektrostatischen Aufladung einer Kontaktoberfläche, da Kontaktoberflächen ohne jegliche dielektrische Schicht dazwischen bei derselben Spannung sein werden. Während der Biegung einer Zelle bei Betätigung biegen sich beide strukturellen Balken 841 und 842 nach innen (341 bzw. 342). Die nach innen gerichtete Bewegung von 842 (342) wird stärker sein als die von 841 (341), da 842 dahingehend gestaltet ist, eine viel niedrigere Steifheit (mit reduzierter Breite, längerer Länge, usw.) aufzuweisen als 841, und außerdem weiter von der neutralen Faser der Zellgeometrie im Vergleich zu 841 platziert ist, und im Vergleich zu 841 somit einer stärkeren Biegung in der Richtung 342 unterzogen wird. Dies hat eine Kontaktbildung bei einem erforderlichen Betätigungsspannungspegel aufgrund einer Zellbiegung zur Folge. Die Kontaktbildung und ihre Ausbreitung (441 und 442) bei Zellbetätigung und darauffolgender Zellbiegung hat eine Erhöhung der Gesamtzellsteifheit zur Folge, was dazu verwendet werden kann, der Nichtlinearität entgegenzuwirken, die aus den zunehmenden elektrostatischen Kräften bei angelegter Betätigungsspannung in dem elektrostatischen Zwischenraum 38 aufkommen. Die Kontaktoberflächen weisen in diesem Fall wesentlich reduzierte Wahrscheinlichkeiten einer Haftreibung auf, da die Kontaktoberflächen kein Dielektrikum zwischen denselben aufweisen und auch bei demselben Spannungspegel gehalten werden, womit Haftreibungswahrscheinlichkeiten aufgrund von einer dielektrischen Aufladung oder elektrostatischen Kräften, die aus jeglicher zurückgehaltenen Potenzialdifferenz stammen, negiert werden. Haftreibung aufgrund von Anhaftung zwischen den Kontaktoberflächen kann, falls erforderlich, durch die Verwendung strukturierter Oberflächen (ähnlich wie die Strukturierung, die in 3d, 3e, 3f oder 3g gezeigt ist) weiter reduziert werden, um die effektive Kontaktoberfläche zu begrenzen.In other words shows 7a an exemplary cell configuration with a dedicated structure for contact formation and evolution outside the electrostatic air gap and avoiding mandatory insulator-based contact for flexible design options and further reducing friction probabilities between contact surfaces due to any direct charging in a planar bend plan view, respectively a side view for an extra-planar bend. The exemplary cell configuration has a dedicated structure for contact formation and evolution outside the electrostatic gap and avoids mandatory insulator-based contact for flexible design options and further reduction of stiction probabilities between contact surfaces due to charging of a dielectric layer or electrostatic charging of a contact surface Contact surfaces will be at the same voltage without any dielectric layer between them. As a cell bends upon actuation, both structural beams 84 1 and 84 2 bend inward (34 1 and 34 2 respectively). The inward movement of 84 2 (34 2 ) will be greater than that of 84 1 (34 1 ) because 84 2 is designed to have a much lower stiffness (with reduced width, longer length, etc.) than 84 1 , and is also placed further from the neutral fiber of the cell geometry compared to 84 1 , and thus undergoes greater bending in the 34 2 direction compared to 84 1 . This results in contact formation at a required actuation voltage level due to cell bending. Contact formation and its propagation (44 1 and 44 2 ) upon cell actuation and subsequent cell bending results in an increase in overall cell stiffness, which can be used to counteract the nonlinearity resulting from the increase the electrostatic forces arise in the electrostatic gap 38 when the actuating voltage is applied. The contact surfaces in this case have significantly reduced probabilities of stiction because the contact surfaces have no dielectric between them and are also maintained at the same voltage level, thereby negating probabilities of stiction due to dielectric charging or electrostatic forces originating from any retained potential difference. Stiction due to adhesion between the contacting surfaces can be reduced, if necessary, through the use of structured surfaces (similar to the texturing described in 3d , 3e , 3f or 3g is shown) can be further reduced to limit the effective contact surface.

7b zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 702, das kürzere Biegebalken 841 und 842 im Vergleich zu dem mechanischen System 701 aufweist, was zu Versätzen 941 und/oder 942 führen kann, so dass die Anpassungsstruktur 18 die Biegewandlerstruktur 12 näher zu einer Mitte, beispielsweise näher zu der A-A'-Ebene, kontaktiert. Die Versätze 941 und 942 können unabhängig implementiert werden, das heißt lediglich einer oder beide Versätze können vorhanden sein und/oder die Versätze 941 und 942 können sich im Hinblick auf ihre Größe unterscheiden, was einen weiteren Freiheitsgrad im Hinblick auf die Normalisierung einer Kombination von Zellen 702, beispielsweise in Kombination mit anderen Zellen, ermöglichen kann. 7b shows a schematic view of a mechanical system 70 2 that has shorter bending beams 84 1 and 84 2 compared to the mechanical system 70 1 , which can lead to offsets 94 1 and/or 94 2 so that the adjustment structure 18 the bending transducer structure 12 closer contacted to a center, for example closer to the A-A' plane. The offsets 94 1 and 94 2 can be implemented independently, that is, only one or both offsets can be present and/or the offsets 94 1 and 94 2 can differ in size, providing a further degree of freedom in terms of normalization a combination of cells 70 2 , for example in combination with other cells.

Mit anderen Worten zeigt 7b eine beispielhafte Zellenkonfiguration mit einer verschobenen Position der dedizierten Struktur zur Kontaktbildung außerhalb des elektrostatischen Luftzwischenraums 38, um das Auftreten des ersten Kontakts und seiner Evolution mit der angelegten Betätigungsspannung zu ändern, in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist eine verschobene Position der dedizierten Struktur (zur Kontaktbildung außerhalb des elektrostatischen Luftzwischenraums) auf, um das Auftreten des ersten Kontakts und seine Evolution mit der angelegten Betätigungsspannung zu verschieben. Dies wird mit der Hilfe eines kumulativen Effekts der Positionsverschiebung der Biegebalken 841 und 842 in Bezug auf eine neutrale Faser der Zelle und einen direkten Einfluss auf die Biegung der Bodenelektrode bei der angelegten Spannung erzielt, da die Kontaktbildung und -verbreitung (441 und 442) auch die Biegeverformung der Bodenelektrode 1b bei angelegter Spannung einschränken werden, insbesondere an der höchsten Verformung der elektrostatischen Zwischenraums (38) auf der Ebene AA in der Richtung 882. Dies beeinflusst die Systemantwort hauptsächlich auf zwei Weisen, erstens aufgrund einer Erhöhung der Gesamtzellsteifheit bei Kontaktbildung und ihrer Verbreitung, und zweitens durch die Einschränkung der Erzeugung der elektrostatischen Kraft in dem Zwischenraum 38 durch die Einschränkung der lokalen Zwischenraumreduzierung, insbesondere aus der Richtung 882 an der AA'-Ebene, im Vergleich zu Fällen, wo es keine direkte Rückkopplung von mechanischer Kopplung mit einer Zellbiegung gibt, um die lokalisierte Verformung der Bodenelektrode, und somit des elektrostatischen Zwischenraums zu begrenzen, wie beispielsweise in 7a.In other words shows 7b an exemplary cell configuration with a shifted position of the dedicated contact forming structure outside the electrostatic air gap 38 to change the occurrence of the first contact and its evolution with the applied actuation voltage, in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend, respectively . The exemplary cell configuration includes a shifted position of the dedicated structure (for contact formation outside the electrostatic air gap) to postpone the occurrence of the first contact and its evolution with the applied actuation voltage. This is achieved with the help of a cumulative effect of positional displacement of the bending beams 84 1 and 84 2 with respect to a neutral fiber of the cell and a direct influence on the bending of the bottom electrode at the applied voltage, as the contact formation and propagation (44 1 and 44 2 ) will also limit the bending deformation of the bottom electrode 1b when voltage is applied, especially at the highest deformation of the electrostatic gap (38) on the plane AA in the direction 88 2 . This affects the system response primarily in two ways, firstly due to an increase in the overall cell stiffness upon contact formation and its propagation, and secondly by limiting the generation of the electrostatic force in the gap 38 by limiting the local gap reduction, particularly from the direction 88 2 at the AA' plane, compared to cases where there is no direct feedback of mechanical coupling with cell bending to limit the localized deformation of the bottom electrode, and thus the electrostatic gap, such as in 7a .

Es kann als ein Unterschied zwischen den Strukturen aus 7b und 7a kann angesehen werden, dass die Gesamtbiegesteifheit der Zelle aus 7b (im Vergleich zu 7a) stärker nichtlinear in Bezug auf eine angelegte Spannung zunehmen kann (vorausgesetzt, dass eine Kontaktbildung bei derselben Spannung wie in 7a auftritt, durch Reduzierung der Steifheit der kontaktierenden Beugungen), während außerdem die Reduzierungsrate des Zwischenraums der Elektroden bei höherer Spannung aufgrund einer mechanischen Rückkopplung zu der Bodenelektrode reduziert wird, so dass eine Zuwachsrate der erzeugten elektrostatischen Kräfte auch reduziert wird - somit kann durch das Verschieben der dedizierten Strukturposition nach innen für gewöhnlich die Regime mit höherer Steifheit erhalten werden, während eine Rate von erzeugten elektrostatischen Kräften auch eingeschränkt ist - dies hilft dabei, die Regime von Nichtlinearitäten reduzierter Größenordnung je nach Anforderung in derselben Zellfläche zu modulieren (im Vergleich zu 7a). Außerdem können Zellbalken im Vergleich zu 7a enger parallel gestapelt werden, womit eine optimale Flächenausnutzung und eine bessere Kompaktheit auf Systemebene bereitgestellt werden.It can appear as a difference between structures 7b and 7a can be considered to be the overall bending stiffness of the cell 7b (compared to 7a) can increase more non-linearly with respect to an applied voltage (assuming that contact formation occurs at the same voltage as in 7a occurs, by reducing the stiffness of the contacting diffractions), while also reducing the rate of reduction of the gap between the electrodes at higher voltage due to mechanical feedback to the bottom electrode, so that a rate of increase in the generated electrostatic forces is also reduced - thus by moving the Dedicated structure position inward usually the higher stiffness regimes are obtained, while a rate of generated electrostatic forces is also restricted - this helps to modulate the regimes of reduced magnitude nonlinearities depending on the requirement in the same cell area (compared to 7a) . In addition, cell bars can be compared to 7a stacked more closely in parallel, providing optimal space utilization and better compactness at the system level.

Im Hinblick auf die mechanischen Systeme 701 und 702 ist die Anzahl von zwei Biegebalken 841 und 842, die parallel gekoppelt sind, lediglich als Beispiel ausgewählt. Die Anzahl kann sich unterscheiden, beispielsweise mehr als zwei sein, beispielsweise 3, 4, 5 oder eine höhere Anzahl. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Anzahl an Biegeelementen auch 1 sein, wenn beispielsweise eine Federstruktur enthalten ist, wie in Verbindung mit 7c beschrieben ist, die eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 703 zeigt, wobei die Anpassungsstruktur 18 die Biegebalkenstrukturen 841 und 842 aufweist, die in Reihe angeordnet sind und eine dazwischen angeordnete Federstruktur 96 aufweisen. Die Federstruktur 96 kann dazu angepasst sein, einen Abstand zu der Biegewandlerstruktur 12 in einem nicht ausgelenkten Zustand des mechanischen Systems lokal zu verringern, beispielsweise indem dieselbe lokal auf die Biegewandlerstruktur 12 zeigt. Beispielsweise kann die Federstruktur 12 zwei oder mehr gebogene verformbare Elemente 961, 962 aufweisen, die beispielsweise eine gekrümmte Form aufweisen. Die gekrümmten Formen können einander so kontaktieren, dass sie eine Spitze in dem Kontaktbereich bilden, wobei die Spitze in dem gezeigten Beispiel auf die Biegewandlerstruktur 12 zeigt.With regard to the mechanical systems 70 1 and 70 2 , the number of two bending beams 84 1 and 84 2 coupled in parallel is selected as an example only. The number can be different, for example more than two, for example 3, 4, 5 or a higher number. According to one embodiment, the number of bending elements can also be 1 if, for example, a spring structure is included, as in connection with 7c is described, which shows a schematic view of a mechanical system 70 3 , wherein the adjustment structure 18 includes the bending beam structures 84 1 and 84 2 arranged in series and having a spring structure 96 arranged therebetween. The spring structure 96 can be adapted to locally reduce a distance from the bending transducer structure 12 in a non-deflected state of the mechanical system like, for example by pointing locally to the bending transducer structure 12. For example, the spring structure 12 may have two or more curved deformable elements 96 1 , 96 2 which, for example, have a curved shape. The curved shapes may contact each other to form a peak in the contact area, with the peak pointing towards the bending transducer structure 12 in the example shown.

Die Federstruktur 96 kann eine linearisierte Federeigenschaft aufweisen, beispielsweise durch das Implementieren einer doppelkurvigen Implementierung, die mit einer Reißverschlusskontaktfläche in dem Zwischenraum 92 gezeigt ist. Die Federstruktur 96 kann dazu konfiguriert sein, einen mechanischen Kontakt mit der Biegewandlerstruktur 12 zu bilden, beispielsweise indem die Amplitude der Auslenkung entlang der Biegerichtung 14 hoch genug ist. Aus dem gezeigten Zustand kann eine Auslenkung entlang der Biegerichtung 14 auf der Basis der mechanischen Kopplung mit der Anpassungsstruktur 18 aufgrund des Transportes von Kräften über die Biegebalken 841 und 842 zu einer Biegung von Federelementen 96, und 962 führen. Es ist zu beachten, dass die Elemente 841 und 84 vorteilhafterweise flexibel sind, damit das mechanische System 703 eine hohe Festigkeit aufweist, dass jedoch auch eine steife Struktur angeordnet sein kann, um Kräfte an die Federstruktur 96 zu transportieren. Das Biegen der Biegewandlerstruktur 12 entlang der Biegerichtung 14 kann Bewegungen 341 und 342 der Federelemente 961 hin zueinander verursachen, um die Fläche der Kontaktbildung 22 zu erhöhen. Gleichzeitig kann sich die Federstruktur, beispielsweise eine Spitze derselben, entlang einer Richtung 44 hin zu der Biegewandlerstruktur 12 bewegen, beispielsweise bis ein mechanischer Kontakt auftritt, wobei der mechanische Kontakt möglich ist, jedoch nicht notwendig ist.The spring structure 96 may have a linearized spring characteristic, for example, by implementing a double-curve implementation shown with a zipper contact surface in the gap 92. The spring structure 96 may be configured to form mechanical contact with the bending transducer structure 12, for example by making the amplitude of the deflection along the bending direction 14 high enough. From the state shown, a deflection along the bending direction 14 based on the mechanical coupling with the adaptation structure 18 can lead to a bending of spring elements 96 and 96 2 due to the transport of forces via the bending beams 84 1 and 84 2 . It should be noted that the elements 84 1 and 84 are advantageously flexible in order for the mechanical system 70 3 to have high strength, but that a rigid structure can also be arranged to transport forces to the spring structure 96. Bending the bending transducer structure 12 along the bending direction 14 can cause movements 34 1 and 34 2 of the spring elements 96 1 toward one another to increase the area of contact formation 22. At the same time, the spring structure, for example a tip thereof, can move along a direction 44 towards the bending transducer structure 12, for example until mechanical contact occurs, the mechanical contact being possible but not necessary.

Mit anderen Worten zeigt 7c eine beispielhafte Zellkonfiguration mit einer dedizierten Struktur zur Kontaktbildung außerhalb des elektrostatischen Luftzwischenraums 38 mit einer geführten Kontaktbildung und einer Evolution zur schnelleren ersten Kontaktbildung mit der angelegten Betätigungsspannung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die Beispielhafte Zellkonfiguration weist eine dedizierte Struktur (zur Kontaktbildung außerhalb des elektrostatischen Luftzwischenraums) mit einer geführten Kontaktbildung und -evolution zur schnelleren ersten Kontaktbildung bei der angelegten Betätigungsspannung auf. Die Führung in der Balkenstruktur (841/842) hilft bei einem reibungslosen und schnellen Übergang in eine Kontaktbildung (341 und 342) und eine Kontaktverteilung (44) in dem Zwischenraum 92. Auf der Basis der geführten Formkrümmung und -dicke 841/842 kann die Kontaktbildung und -verbreitung und ihre Auswirkung auf die Zellbiegungssteifheit reguliert werden.In other words shows 7c an exemplary cell configuration with a dedicated structure for contact formation outside the electrostatic air gap 38 with a guided contact formation and an evolution for faster initial contact formation with the applied actuation voltage in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend. The exemplary cell configuration has a dedicated structure (for contact formation outside the electrostatic air gap) with guided contact formation and evolution for faster initial contact formation at the applied actuation voltage. The guidance in the beam structure (84 1 /84 2 ) helps with a smooth and rapid transition to contact formation (34 1 and 34 2 ) and contact distribution (44) in the gap 92. Based on the guided mold curvature and thickness 84 1 /84 2 contact formation and propagation and their effect on cell bending stiffness can be regulated.

Ein Vorteil der Struktur gemäß der 7c im Vergleich zu der 7a-b kann darin liegen, dass die Kontaktbildung durch die Elemente 961, 962 vorgeführt und schneller ist, um eine selbe Große an Biegeauslenkung wie in 7a-b zu erreichen. Außerdem wird die Rate eines Zuwachses einer Steifheit mit dem Biegen bei einer Kontaktverbreitung in Bezug auf 7a für ähnliche Dickenbeugungen für gewöhnlich höher sein.An advantage of the structure according to the 7c compared to that 7a-b may be due to the fact that the contact formation is demonstrated by the elements 96 1 , 96 2 and is faster, by the same amount of bending deflection as in 7a-b to reach. In addition, the rate of increase in stiffness with bending is related to contact propagation 7a usually be higher for similar thickness diffractions.

7d eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 704 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem mechanischen System 703 ist ein weiterer Biegebalken 843 zwischen den Biegebalken 841, 842 angeordnet, wobei eine Federstruktur 96 auf der einen Seite und der Biegewandler 12 auf der anderen Seite ist. Dies kann äquivalent sein zu der Anordnung der Federstruktur 96 in dem Biegebalkenelement 842 des mechanischen Systems 702, möglicherweise in Verbindung mit der Erhöhung eines Abstands zwischen den Biegebalken 841 und 842 darin. Im Vergleich zum mechanischen System 703 kontaktiert die Federstruktur 96 möglicherweise die Biegewandlerstruktur 12 nicht, sondern das Biegebalkenelement 843, um für den zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag zu sorgen. Die Federstruktur 96 des mechanischen Systems 703 und 704 kann zwei Biegeelemente 961 und 962 aufweisen, die einander zugewandt sind und an einem Verbindungsbereich 98 miteinander verbunden sind. Die Federstruktur 96 ist konfiguriert zum Erhöhen einer Kontaktfläche zwischen den zwei Biegeelementen 961 und 962 mit einer Erhöhung der Biegung der Biegewanderstruktur 12, beispielsweise ausgehend von dem Verbindungsbereich 98. 7d a schematic view of a mechanical system 70 4 according to an exemplary embodiment. In comparison to the mechanical system 70 3, a further bending beam 84 3 is arranged between the bending beams 84 1 , 84 2 , with a spring structure 96 on one side and the bending transducer 12 on the other side. This may be equivalent to the placement of the spring structure 96 in the flexural beam member 84 2 of the mechanical system 70 2 , possibly in conjunction with increasing a distance between the flexural beams 84 1 and 84 2 therein. Compared to the mechanical system 70 3 , the spring structure 96 may not contact the flexural transducer structure 12 but contact the flexural beam element 84 3 to provide the second nonlinear mechanical stiffness contribution. The spring structure 96 of the mechanical system 70 3 and 70 4 may have two bending elements 96 1 and 96 2 that face each other and are connected to one another at a connection region 98. The spring structure 96 is configured to increase a contact area between the two bending elements 96 1 and 96 2 with an increase in the bending of the bending structure 12, for example starting from the connection region 98.

Die Anpassungsstruktur 18, die die Federstruktur aufweist, kann mechanisch an der Biegewandlerstruktur 12 befestigt sein und an dem Substrat 66, das die Biegewandlerstruktur 12 trägt, getragen werden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, wenn die Biegewandlerstruktur 96 in die Anpassungsstruktur 18, die die Biegewandlerstruktur 12 oder das Substrat 66 kontaktiert, aufgenommen wird, um mechanisch parallel mit der Biegewandlerstruktur 12 kontaktiert zu werden.The conforming structure 18, which includes the spring structure, may be mechanically attached to the flexural transducer structure 12 and supported on the substrate 66 that supports the flexural transducer structure 12. This can be achieved, for example, if the bending transducer structure 96 is included in the adaptation structure 18, which contacts the bending transducer structure 12 or the substrate 66, in order to be mechanically contacted in parallel with the bending transducer structure 12.

Mit anderen Worten zeigt 7d eine beispielhafte Zellkonfiguration mit einer dedizierten Struktur zur Kontaktbildung außerhalb des elektrostatischen Zwischenraums 38 durch die Kontaktbildung und -evolution zur schnelleren ersten Kontaktbildung und mit mechanischer Biegekopplung zu einer Biegeelektrode, um eine schnellere Ausbreitung der Kontaktevolution einzuschränken und eine Größenordnung einer Nichtlinearität der Zellversteifung bei Betätigung zu erhöhen, in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist eine dedizierte Struktur (zur Kontaktbildung außerhalb des elektrostatischen Luftzwischenraums) mit einer geführten Kontaktbildung und -evolution zur schnelleren ersten Kontaktbildung und mit einer mechanischen Biegekopplung zu einer Biegeelektrode auf, um eine schnellere Ausbreitung der Kontaktevolution einzuschränken und eine Größenordnung einer Nichtlinearität einer Zellversteifung bei Betätigung zu erhöhen. Die Balkenstruktur 843 schränkt beim Biegen auf die Erzeugung der elektrostatischen Kraft in dem Zwischenraum 38 ein, indem die lokalen Zwischenraumreduzierung, insbesondere aus der Richtung 882 auf der A-A'-Ebene, aufgrund einer direkten Kopplung mit der Bodenelektrode 262 eingeschränkt wird. Im Vergleich zu 7c sorgt die Struktur gemäß 7d für eine vorteilhafte Einbindung einer mechanischen Rückkopplung.In other words shows 7d an exemplary cell configuration with a dedicated structure for contact formation outside the electrostatic gap 38 through contact formation and evolution for faster initial contact formation and with mechanical bending coupling to a bending electrode to limit faster propagation of contact evolution and an order of magnitude of cell stiffening nonlinearity function when actuated, in a top view for a planar bend or in a side view for an extra-planar bend. The exemplary cell configuration has a dedicated structure (for contact formation outside of the electrostatic air gap) with guided contact formation and evolution for faster initial contact formation and with a mechanical bending coupling to a bending electrode to limit faster propagation of contact evolution and an order of magnitude nonlinearity of cell stiffening increase when actuated. The beam structure 84 3 limits the generation of the electrostatic force in the gap 38 during bending by limiting the local gap reduction, in particular from the direction 88 2 on the A-A' plane, due to a direct coupling with the bottom electrode 26 2 . Compared to 7c the structure according to 7d ensures an advantageous integration of mechanical feedback.

8 zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 801 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine unterschiedliche Implementierung einer Federstruktur 102 zeigt. Die Federstruktur 102 kann als Biegebalkenstruktur, die parallel an zumindest eine Biegebalkenstruktur 261 oder 262 der Biegewandlerstruktur 12 gekoppelt ist, implementiert werden. Bei den Beispielen des mechanischen Systems 801 kann die Biegebalkenstruktur, die durch eine Reihenverbindung unterschiedlicher Biegebalken 841, 842 und 843 gebildet ist, eine lokale Versteifung aufweisen, beispielsweise auf der Basis einer erhöhten Steifheit des Biegebalkenelements 842. Dadurch kann das Biegebalkenelement 842 im Vergleich zu den Biegebalkenelementen 841 und 843 steifer sein. Ein ähnliches oder komplementäres Verhalten kann erhalten werden, um eine lokale Schwächung an Stelle einer lokalen Versteifung zwischen den Enden 861 und 862 zu implementieren. 8th shows a schematic view of a mechanical system 80 1 according to an embodiment showing a different implementation of a spring structure 102. The spring structure 102 can be implemented as a bending beam structure that is coupled in parallel to at least one bending beam structure 26 1 or 26 2 of the bending transducer structure 12. In the examples of the mechanical system 80 1 , the bending beam structure formed by a series connection of different bending beams 84 1 , 84 2 and 84 3 may have local stiffening, for example based on increased stiffness of the bending beam element 84 2 . This allows the bending beam element 84 2 to be stiffer compared to the bending beam elements 84 1 and 84 3 . Similar or complementary behavior can be obtained to implement local weakening instead of local stiffening between ends 86 1 and 86 2 .

Die in dem Balkenelement 842 implementierte lokale Versteifung kann es ermöglichen, eine Kontaktbildung mit der Biegewandlerstruktur 12 zu vermeiden.The local stiffening implemented in the beam element 84 2 may enable contact formation with the bending transducer structure 12 to be avoided.

Mit anderen Worten zeigt 8a eine beispielhafte Basiszellkonfiguration mit einer nichtlinearen Federkonfiguration 102, die aus einem strukturellen Material der Elektrode/Zelle besteht, in der Zellgeometrie zur Erzeugung einer nichtlinearen Versteifung der Zelle ohne Kontaktbildung oder Kontaktevolution in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellkonfiguration weist eine nichtlineare Federkonfiguration 102 auf, die aus einem strukturellen Material der Elektrode/Zelle besteht, in der Zellgeometrie zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in der Zelle ohne Kontaktbildung oder Kontaktevolution. Die Nichtlinearität der Federkonfiguration kann in der Biegerichtung durch unterschiedliche Gestaltungsparameter der Federkonfiguration reguliert werden, beispielsweise durch die Dicke und Länge der Abschnitte 841, 843 und 842. Diese Konfiguration ist insbesondere nützlich, wenn die Steifheit der Zelle ohne kontaktbasierte Funktionsweise erhöht werden muss, wenn beispielsweise keine Störung in der Frequenzantwort der Zelle erforderlich ist, die aufgrund einer plötzlicher Kontaktbildung oder ihrer Ausbreitung auftreten kann, während der Nichtlinearität der Antwort der Zelle bei Betätigung entgegengewirkt wird.In other words shows 8a an exemplary base cell configuration with a nonlinear spring configuration 102, which consists of a structural material of the electrode/cell, in the cell geometry to create a nonlinear stiffening of the cell without contact formation or contact evolution in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend . The exemplary basic cell configuration includes a nonlinear spring configuration 102, which consists of a structural material of the electrode/cell, in the cell geometry to create a nonlinear stiffening in the cell without contact formation or contact evolution. The nonlinearity of the spring configuration can be regulated in the bending direction by different design parameters of the spring configuration, for example by the thickness and length of the sections 84 1 , 84 3 and 84 2 . This configuration is particularly useful when the stiffness of the cell needs to be increased without contact-based operation, for example when there is no need for perturbation in the frequency response of the cell that may occur due to sudden contact formation or its propagation, during the nonlinearity of the cell's response upon actuation is counteracted.

8b zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 802 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem mechanischen System 801 weist eine Federstruktur 102' eine Mehrzahl von geschichteten Biegebalkenstrukturen oder eine geschichtete Anordnung von Biegebalkenstrukturen auf, wobei die Anordnung zwischen stützenden Biegebalken 841 bzw. 842 und der Biegewandlerstruktur kontaktiert ist. 8b shows a schematic view of a mechanical system 80 2 according to an exemplary embodiment. In comparison to the mechanical system 80 1 , a spring structure 102' has a plurality of layered bending beam structures or a layered arrangement of bending beam structures, the arrangement between supporting bending beams 84 1 or 84 2 and the bending transducer structure being contacted.

Verbindungselemente 1041 bis 1045 können dazu angepasst sein, unterschiedliche Schichten der Biegebalkenelemente 841/842 einerseits und 843 andererseits zu verbinden und/oder Biegebalken mit der Biegewandlerstruktur zu verbinden. Die Verbindungselemente 1041 bis 1045 können flexibel oder steif sein. Ein Zwischenraum zwischen Biegebalkenelementen 841 und 842, der außerplanar durch das Biegebalkenelement 843 geschlossen ist, ermöglicht es, dass sich Ränder 1061 und 1062 der Biegebalkenelemente 841 und 842 diagonal oder geneigt entlang von Richtungen 1081 bzw. 1082 bewegen.Connecting elements 104 1 to 104 5 can be adapted to connect different layers of the bending beam elements 84 1 /84 2 on the one hand and 84 3 on the other hand and/or to connect bending beams to the bending transducer structure. The connecting elements 104 1 to 104 5 can be flexible or rigid. A gap between bending beam elements 84 1 and 84 2 , closed off-planar by bending beam element 84 3 , allows edges 106 1 and 106 2 of bending beam elements 84 1 and 84 2 to be diagonal or inclined along directions 108 1 and 108 2, respectively move.

Mit anderen Worten zeigt 8b eine beispielhafte Zellenkonfiguration mit einer nichtlinearen Federkonfiguration, die aus strukturellem Material der Elektrode/Zelle besteht, in der Zellgeometrie mit einer mechanischen Biegekopplung zu Biegeelektroden zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in Zellen ohne Kontaktbildung oder Kontaktevolution in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist eine nichtlineare Federkonfiguration 102', die aus strukturellem Material der Elektrode/Zelle besteht, in der Zellgeometrie mit einer mechanischen Biegekopplung zur Biegeelektrode zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in der Zelle ohne Kontaktbildung oder Kontaktevolution auf. Die mechanische Kopplung (841 und 842) hat einen direkten Einfluss auf die Biegung der Bodenelektrode bei der angelegten Spannung und schränkt die Biegeverformung der Bodenelektrode 262 bei angelegter Betätigungsspannung ein, insbesondere an der höchsten Verformung des elektrostatischen Zwischenraums (38) an der Ebene A-A' in der Richtung 882. Dies beeinflusst die Systemantwort erneut hauptsächlich auf zwei Weisen, erstens aufgrund einer Erhöhung der Gesamtzellsteifheit beim Biegen der nichtlinearen Feder und zweitens durch die Einschränkung der Erzeugung der elektrostatischen Kraft in dem Zwischenraum 38 durch das Einschränken der lokalisierten Zwischenraumreduzierung, insbesondere aus der Richtung 882 auf der A-A'-Ebene, im Vergleich zu Fällen, wenn es keine direkte Mechanische-Kopplung-Rückkopplung mit Zellbiegung gibt, um die lokalisierte Verformung der Bodenelektrode und somit des elektrostatischen Zwischenraums einzuschränken, beispielsweise wie in 8a.In other words shows 8b an exemplary cell configuration with a nonlinear spring configuration consisting of structural material of the electrode/cell in the cell geometry with a mechanical bending coupling to bending electrodes to create a nonlinear stiffening in cells without contact formation or contact evolution in a top view for planar bending and in a side view, respectively for an extra-planar bend. The exemplary cell configuration includes a nonlinear spring configuration 102', composed of structural material of the electrode/cell, in the cell geometry with a mechanical bending coupling to the bending electrode to create a nonlinear stiffening in the cell without contact formation or contact evolution. The mechanical coupling (84 1 and 84 2 ) has a direct influence on the bending of the bottom electrode at the applied voltage and limits the bending deformation of the bottom electrode 26 2 at the applied actuation voltage, especially at the highest deformation mung of the electrostatic gap (38) at the plane AA' in the direction 88 2 . This again affects the system response primarily in two ways, firstly due to an increase in the overall cell stiffness upon bending of the non-linear spring and secondly by limiting the generation of the electrostatic force in the gap 38 by limiting the localized gap reduction, particularly from the direction 88 2 on the A-A' plane, compared to cases when there is no direct mechanical coupling feedback with cell bending to limit the localized deformation of the bottom electrode and thus the electrostatic gap, for example as in 8a .

8c zeigt ein schematisches Diagramm zum Vergleich von Kurven 1121 und 1122, wobei Biegekrümmungen über eine normalisierte Spannung an der Abszisse veranschaulicht und eine normalisierte Krümmung an der Ordinate des Diagramms veranschaulicht werden. Während die Kurve 1121 eine Gekoppelte-Biegung-Dicke T1 zeigt, die kleiner ist als eine Gekoppelte-Biegung-Dicke T2 in Kurve 1122, und sich auf das mechanische System 802 bezieht, ist ersichtlich, dass die stark nichtlineare Antwort der geringeren Dicke T1 in Kurve 1122 linearer wird, so dass es lineare Bereiche 1141 und 1142 gibt, in denen das Verhalten stark linear ist. Obwohl dies eine niedrigere Amplitude der Krümmung zur Folge hat, ist das Verhalten vorteilhafterweise linear. 8c shows a schematic diagram for comparing curves 112 1 and 112 2 , with bending curvatures versus normalized stress illustrated on the abscissa and normalized curvature illustrated on the ordinate of the diagram. While curve 112 1 shows a coupled bend thickness T1 that is less than a coupled bend thickness T2 in curve 112 2 and relates to the mechanical system 80 2 , it can be seen that the highly nonlinear response of the smaller Thickness T1 in curve 112 2 becomes more linear, so that there are linear regions 114 1 and 114 2 in which the behavior is strongly linear. Although this results in a lower amplitude of curvature, the behavior is advantageously linear.

Mit anderen Worten zeigt 8c eine Zellbiegekrümmung im Vergleich zu einer Betätigungsspannung, die in Bezug auf Maximalwerte normalisiert ist, aus FEM-Simulationen der in 8b gezeigten beispielhaften Zellenkonfigurationen mit identischen Zellen, jedoch mechanischen Biegekopplungen geringerer und höherer Dicken, um die Größenordnung einer Nichtlinearitätsantwort in einem erforderlichen Spannungsbereich zu ändern. Die Biegekopplungen beziehen sich beispielsweise auf Elemente 841 und 842. Die beispielhafte Zellbiegekrümmung ist gezeigt im Vergleich zu der Betätigungsspannung (normalisiert in Bezug auf die Maximalwerte) aus FEM-Simulationen einer in 8b gezeigten beispielhafte Zellenkonfiguration mit identischen Zellen, jedoch mechanischen Biegekopplungen (841 und 842) von gleichförmig geringeren (T1) und größeren Dicken (T2), um die Größenordnung einer Nichtlinearität der Antwort in einem erforderlichen Spannungsbereich zu ändern. Die mechanische Kopplung kann dahingehend gestaltet sein, unterschiedliche Dicken und aufeinandertreffende Stellen ihrer Teile aufzuweisen, um die Reduktion der Nichtlinearitätsgrößenordnung je nach Anforderung in einem bestimmten Bereich zu modulieren. Obwohl die erzielte Biegekrümmung im Fall einer reduzierten Nichtlinearität für diese Strukturen immer geringer ist (da es keine Dielektrikum/Isolator-basierte Kontaktbildung in dem verwendeten elektrostatischen Zwischenraum gibt), ist es wichtig, zu beachten, dass die Größenordnung der Nichtlinearität wesentlich reduziert werden kann, während kein Kontaktbasierter Betrieb vorhanden ist, d. h. ohne jegliche Möglichkeiten von Problemen von Haftreibung oder dielektrischer Aufladung, zusammen mit einer höheren Steifheit bei angelegtem Betätigungssignal.In other words shows 8c a cell bending curvature compared to an actuation stress normalized with respect to maximum values from FEM simulations in 8b Shown exemplary cell configurations with identical cells but mechanical bending couplings of lower and higher thicknesses to change the magnitude of a nonlinearity response in a required voltage range. The bending couplings refer, for example, to elements 84 1 and 84 2 . The example cell bending curvature is shown compared to the actuation stress (normalized with respect to the maximum values) from FEM simulations of a in 8b shown exemplary cell configuration with identical cells but mechanical bending couplings (84 1 and 84 2 ) of uniformly smaller (T1) and larger thicknesses (T2) to change the magnitude of nonlinearity of the response in a required voltage range. The mechanical coupling can be designed to have different thicknesses and meeting locations of its parts in order to modulate the reduction in the magnitude of nonlinearity depending on the requirement in a certain range. Although the achieved bending curvature is always lower in the case of reduced nonlinearity for these structures (since there is no dielectric/insulator based contact formation in the electrostatic gap used), it is important to note that the magnitude of the nonlinearity can be significantly reduced while there is no contact-based operation, i.e. without any possibility of problems of stiction or dielectric charging, along with higher stiffness when the actuation signal is applied.

8d zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 804 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem mechanischen System 802 ist eine Mehrzahl von Federstrukturen 102' angeordnet, beispielsweise drei Federstrukturen 102'1 bis 102'3. Diese können über eine Biegebalkenstruktur 841 verbunden sein, die eine gerade oder, wie gezeigt, eine gebogene Krümmung aufweisen kann. Dadurch, dass das Biegebalkenelement 841 die Federstrukturen 102'1 bis 102'3 als gekrümmte Struktur verbindet und trägt, möglicherweise im Wesentlichen parallel im Vergleich zu den Biegebalkenelementen 261 bis 262, können Bewegungen 1161, 1162 und 1163 beispielsweise von Basisabschnitten der Federelemente 102'1 bis 102'3 im Wesentlichen hin zu der Normale der Biegewandlerstruktur 12 gerichtet sein. 8d shows a schematic view of a mechanical system 80 4 according to an exemplary embodiment. In comparison to the mechanical system 80 2 , a plurality of spring structures 102' are arranged, for example three spring structures 102' 1 to 102' 3 . These can be connected via a bending beam structure 84 1 , which can have a straight or, as shown, a curved curvature. Because the bending beam element 84 1 connects and supports the spring structures 102' 1 to 102' 3 as a curved structure, possibly substantially parallel compared to the bending beam elements 26 1 to 26 2 , movements 116 1 , 116 2 and 116 3 can be achieved, for example Base sections of the spring elements 102' 1 to 102' 3 be directed essentially towards the normal of the bending transducer structure 12.

Eine Anzahl von Federelementen 102' kann 1, 2 oder 3 betragen, oder eine höhere Anzahl sein. Wie gezeigt ist, kann die Anpassungsstruktur 18 eine Federstruktur aufweisen, die mechanisch an der Biegewandlerstruktur 12 befestigt ist und durch eine Biegebalkenstruktur 841 getragen wird, die dazu angepasst ist, sich gemeinsam mit der Biegewandlerstruktur 12 zu biegen. Die Biegewandlerstruktur 12 kann wiederum ein leitfähiges Material aufweisen, so wie die Anpassungsstruktur 18. Die Materialien können gleich sein oder zumindest vergleichbar.A number of spring elements 102' can be 1, 2 or 3, or a higher number. As shown, the conforming structure 18 may include a spring structure that is mechanically attached to the flexural transducer structure 12 and supported by a flexural beam structure 84 1 that is adapted to flex in concert with the flexural transducer structure 12. The bending transducer structure 12 can in turn have a conductive material, like the adaptation structure 18. The materials can be the same or at least comparable.

Mit anderen Worten zeigt 8d eine beispielhafte Zellenkonfiguration mit verteilter nichtlinearer Federkonfiguration, die aus einem strukturellem Material der Elektrode/Zelle besteht, in der Zellgeometrie mit einer mechanischen Biegekopplung zu Biegeelektroden zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in einer Zelle ohne Kontaktbildung oder Kontaktevolution in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Zellenkonfiguration weist eine verteilte nichtlineare Federkonfiguration, die aus einem strukturellem Material der Elektrode/Zelle besteht, in der Zellgeometrie mit einer mechanischen Biegekopplung zu einer Biegeelektrode zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in der Zelle ohne Kontaktbildung oder Kontaktevolution auf. Aufgrund der verteilten Strukturen (842 - 844 und 841) kann die mechanische Rückkopplung mit der zunehmenden Biegeverformung je nach Anforderung übertragen werden (z. B. in den Richtungen 1161-1163), um den Rückkopplungseffekt auf die lokalisierte Verformung der Bodenelektrode, somit auf die lokalisierte Verformung des elektrostatischen Zwischenraums, zu erweitern, neben der Erhöhung der strukturellen Zellsteifheit. Die Geometrien der Verteilungsstrukturen können für eine gleichförmigere/ungleichförmigere Verteilung der mechanischen Rückkopplung je nach Anforderung geändert werden und/oder mit höheren Anzahlen verwendet werden.In other words shows 8d an exemplary cell configuration with a distributed nonlinear spring configuration, which consists of a structural material of the electrode/cell, in the cell geometry with a mechanical bending coupling to bending electrodes to create a nonlinear stiffening in a cell without contact formation or contact evolution in a plan view for a planar bend or in a side view for an extra-planar bend. The exemplary cell configuration includes a distributed nonlinear spring configuration consisting of an electrode/cell structural material in the cell geometry with a mechanical bending coupling to a bending electrode to create a nonlinear stiffening in the cell without contact formation or contact evolution. Due to the distributed structures (84 2 - 84 4 and 84 1 ), the mechanical feedback can vary with the increasing bending deformation Request can be transmitted (e.g. in the directions 116 1 -116 3 ) to extend the feedback effect to the localized deformation of the bottom electrode, thus to the localized deformation of the electrostatic gap, in addition to increasing the structural cell stiffness. The geometries of the distribution structures can be changed and/or used in higher numbers for a more uniform/non-uniform distribution of the mechanical feedback as required.

Im Vergleich zu 8b sorgt die Struktur gemäß 8d für eine vorteilhafte Einbindung einer konformen Biegung mit einer Mechanische-Rückkopplung-Kopplung. Konforme Federn/Strukturen stellen den Vorteil bereit, dass die Zellbalken im Vergleich zu nicht-konformen Federkonfigurationen enger parallel gestapelt werden können, womit eine optimale Flächennutzung und eine bessere Kompaktheit auf Systemebene bereitgestellt werden.Compared to 8b ensures the structure accordingly 8d for an advantageous integration of a conformal bend with a mechanical feedback coupling. Conformal springs/structures provide the advantage that the cell beams can be stacked more closely in parallel compared to non-compliant spring configurations, thereby providing optimal area utilization and better compactness at the system level.

8e zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 805 gemäß einem Ausführungsbeispiel, das eine symmetrische Anordnung einer Anpassungsstruktur 18 außerhalb der Biegewandlerstruktur 12 aufweist. Ausgehend von dem Zwischenraum 38 als ein innerer Abschnitt des mechanischen Systems 805 ist eine sequenzielle Anordnung verdünnter Biegeelemente 841 und dickerer Elemente 842, die für eine lokale Versteifung sorgen, wie in Verbindung mit 8a beschrieben ist, entlang eines gekrümmten Verlaufs angeordnet, um beispielsweise im Wesentlichen konstante Zwischenräume 921 und 923 an einer Seite der Biegeelemente 261 und 262 gegenüberliegend zu dem Zwischenraum 38 aufzuweisen. Dies kann als sequenzielle Anordnung von Federelementen 102 entlang eines gekrümmten Verlaufs verstanden werden. Mit anderen Worten zeigt 8e eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer nichtlinearen Federkonfiguration, die konform in Bezug auf die Geometrie der Elektrode ist und aus einem strukturellen Material der Elektrode/Zelle besteht, in der Zellgeometrie zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in einer Zelle ohne Kontaktbildung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration weist eine nichtlineare Federkonfiguration auf, die in Bezug auf die Geometrie der Elektrode konform ist und aus einem strukturellen Material der Elektrode/Zelle besteht, in der Zellgeometrie zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in einer Zelle ohne Kontaktbildung. Die Zellversteifung wird aufgrund einer höheren Dehnung/Biegung von Biegungen (841) in Bezug auf Elektroden erzielt, da diese die größte Biegung erfahren werden (sie sind am weitesten entfernt von der neutralen Faser der Zelle). Die konforme Form der Biegungen hilft dabei, die Zellfläche optimal zu nutzen, außerdem kann die parallele Zellbalkenstapelung kompakter ausgeführt werden. Es ist wichtig, zu beachten, dass immer eine Kontaktbildungsmöglichkeit zwischen den Biegungen (841) und Elektroden (261, 262) verwendet werden kann, um eine Zellsteifheit bei Betätigung weiter zu modulieren. 8e shows a schematic view of a mechanical system 80 5 according to an exemplary embodiment, which has a symmetrical arrangement of an adaptation structure 18 outside the bending transducer structure 12. Starting from the gap 38 as an inner portion of the mechanical system 80 5 , a sequential arrangement of thinned flexural elements 84 1 and thicker elements 84 2 that provide local stiffening is present, as in conjunction with 8a is described, arranged along a curved path in order, for example, to have essentially constant gaps 92 1 and 92 3 on one side of the bending elements 26 1 and 26 2 opposite the gap 38. This can be understood as a sequential arrangement of spring elements 102 along a curved path. In other words shows 8e an exemplary base cell configuration with a nonlinear spring configuration that is conformal with respect to the geometry of the electrode and consists of a structural material of the electrode/cell, in the cell geometry for creating a nonlinear stiffening in a cell without contact formation in a plan view for a planar bend or .in a side view for an extra-planar bend. The exemplary base cell configuration includes a nonlinear spring configuration that is conformal to the geometry of the electrode and consists of a structural material of the electrode/cell in the cell geometry to create a nonlinear stiffening in a cell without contact formation. Cell stiffening is achieved due to higher elongation/bending of bends (84 1 ) relative to electrodes, as these will experience the greatest bending (they are furthest from the neutral fiber of the cell). The conformal shape of the bends helps to make optimal use of the cell area, and the parallel cell bar stacking can be made more compact. It is important to note that contact formation between the bends (84 1 ) and electrodes (26 1 , 26 2 ) can always be used to further modulate cell stiffness upon actuation.

Im Vergleich zu der Struktur aus 8d kann eine Struktur gemäß 8e für den Vorteil einer besseren Formanpassungsfähigkeit und einer geringeren Flächennutzung zusammen mit der Möglichkeit einer engeren Stapelung sorgen (begleitet von einer Kontaktbildungsmöglichkeit, wie in Verbindung mit 8f beschrieben ist). Konforme Federn/Strukturen bieten den Vorteil, dass Zellbalken im Vergleich zu nichtkonformen Federkonfigurationen enger parallel gestapelt werden können, wodurch eine optimale Flächennutzung und eine bessere Kompaktheit auf Systemebene bereitgestellt werden.Compared to the structure from 8d can have a structure according to 8e provide the advantage of better shape conformability and less area utilization along with the possibility of closer stacking (accompanied by a contact formation possibility, as in connection with 8f described). Conformal springs/structures offer the advantage of allowing cell beams to be stacked more tightly in parallel compared to non-conformal spring configurations, providing optimal area utilization and better compactness at the system level.

8f zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 806 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem mechanischen System 805 können äußere Biegeelemente 841 und 842 beispielsweise eine fortlaufende oder konstante Dicke und/oder Steifheit aufweisen. An diskreten Stellen 1181 und 1182 können die Biegeelemente 841 und 842 der Anpassungsstruktur 18 mechanisch an den Biegebalkenelementen 261 bzw. 262 befestigt sein oder dieselben kontaktieren. Dies ermöglicht eine relative Biegung oder Bewegung 116 hin zu der Biegewandlerstruktur mit einer höchsten Amplitude zwischen den befestigten Stellen, z. B. an den Ebenen B-B' oder C-C'. 8f shows a schematic view of a mechanical system 80 6 according to an exemplary embodiment. For example, compared to the mechanical system 80 5 , external bending elements 84 1 and 84 2 may have a continuous or constant thickness and/or stiffness. At discrete locations 118 1 and 118 2, the bending elements 84 1 and 84 2 of the adjustment structure 18 can be mechanically attached to the bending beam elements 26 1 and 26 2 or can contact the same. This allows relative bending or movement 116 towards the bending transducer structure with a highest amplitude between the attached locations, e.g. B. at the levels BB' or C-C'.

Die Biegewandlerstruktur 12 kann ein erstes und ein zweites Element 261 und 262 aufweisen, die parallel gekoppelt sind. Die Anpassungsstruktur 18 kann zumindest ein erstes Anpassungselement 841 und ein zweites Anpassungselement 841 oder 842 aufweisen, optional das andere gezeigte Element. Diese Anpassungselemente können parallel mechanisch an das Biegeelement 261 bzw. 262 gekoppelt sein, während dieselben Zwischenräume 921 und/oder 922 bilden. Das mechanische System 906 kann mit oder ohne Kontaktbildung an den Ebenen B-B' und/oder C-C' implementiert sein. Eine Kontaktbildung kann beispielsweise in den Zwischenräumen 921 und 922 verwendet werden, um die Änderung der Zellsteifheit bei Biegung (in Abhängigkeit von der Kontaktbildung zu erhöhen oder zu verringern), eine Verbreitung und ihren Effekt auf die Zunahme des elektrostatischen Zwischenraums 38 aufgrund der mechanischen Rückkopplung von der äußeren Struktur, die gegen die inneren Elektroden drückt, zu verändern. Aufgrund des mechanischen Drucks kann sich an einer Stelle der lokale Luftzwischenraum in dem elektrostatischen Zwischenraum 38 reduzieren, wodurch die Nichtlinearität erhöht wird, statt sie zu verringern, da die lokale Minimierung des Zwischenraums aufgrund des Kontakts nach einer bestimmten Zeitdauer stärker als die Zunahme der mechanischen Steifheit dominieren wird. Beispielsweise kann die Konfiguration in einem Normalbetrieb in einer alternativen Implementierung keine Kontaktbildung verwenden. In solch einer Konfiguration gibt es beispielsweise lediglich ausdehnbare konforme Federn, um eine Steifheit auf lineare oder nichtlineare Weise mit einer mechanischen Ausdehnung (äußerste/innerste Strukturen werden sich am meisten ausdehnen) aufgrund der Biegung zu erhöhen.The flexural transducer structure 12 may include first and second elements 26 1 and 26 2 coupled in parallel. The adaptation structure 18 may include at least a first adaptation element 84 1 and a second adaptation element 84 1 or 84 2 , optionally the other element shown. These adjustment elements can be mechanically coupled in parallel to the bending element 26 1 or 26 2 , while the same form gaps 92 1 and/or 92 2 . The mechanical system 90 6 can be implemented with or without contact formation at the levels BB' and/or CC'. For example, contact formation can be used in the gaps 92 1 and 92 2 to control the change in cell stiffness upon bending (increase or decrease depending on the contact formation), spreading and its effect on the increase in the electrostatic gap 38 due to the mechanical Feedback from the external structure that presses against the internal electrodes. Due to the mechanical pressure, the local air gap in the electrostatic gap 38 may reduce at one point, thereby increasing the nonlinearity rather than reducing it due to the local minimization of the gap due to the contact will dominate more than the increase in mechanical stiffness after a certain period of time. For example, the configuration in normal operation may not use contact formation in an alternative implementation. For example, in such a configuration there are only extensible conformal springs to increase stiffness in a linear or nonlinear manner with mechanical expansion (outermost/innermost structures will expand the most) due to bending.

Der Betrieb ohne Kontaktbildung kann als ein Normalbetrieb verstanden werden, in dem die Konfiguration oder die mechanischen Elemente ohne Kontaktbildung (z. B. lediglich als ausdehnbare konforme Federn) zu verwenden sind, um eine Steifheit (linear/nichtlinear) bei mechanischer Ausdehnung (äußerste/innerste Strukturen werden sich am meisten ausdehnen) aufgrund einer Biegung zu erhöhen.Non-contacting operation can be understood as a normal operation in which the non-contacting configuration or mechanical elements are to be used (e.g. merely as extensible conformal springs) to provide stiffness (linear/nonlinear) under mechanical expansion (outermost/ innermost structures will expand the most) due to bending.

Konforme Federn/Strukturen bieten den Vorteil, dass Zellbalken im Vergleich zu nichtkonformen Federkonfigurationen enger parallel gestapelt werden können, wodurch eine optimale Flächenausnutzung und bessere Kompaktheit auf Systemebene bereitgestellt wird.Conformal springs/structures offer the advantage of allowing cell beams to be stacked more closely in parallel compared to non-conforming spring configurations, providing optimal area utilization and better compactness at the system level.

Jedoch kann auch eine Kontaktbildung in diesen Zwischenräumen verwendet werden, um die Änderung der Zellsteifheit bei Biegung zu verändern. Ob jedoch die Nichtlinearität der Antwort in einem bestimmten Betriebsbereich zunehmen oder abnehmen wird, hängt von der Kontaktbildung, -verbreitung und ihrem Effekt auf die Verringerung des elektrostatischen Zwischenraums 921 aufgrund einer mechanischen Rückkopplung von einer äußeren Struktur ab, die gegen die inneren Elektroden drückt. Aufgrund des mechanischen Drucks kann sich an einer Stelle der lokale Luftzwischenraum in dem Bereich des elektrostatischen Zwischenraums verkleinern, wodurch die Nichtlinearität erhöht wird, statt sie zu verringern, da die lokale Minimierung des Zwischenraums aufgrund des Kontakts nach einer bestimmten Zeitdauer mehr dominieren wird als die Zunahme der mechanischen Steifheit. Die Änderung der Gesamtantwort hängt stark von der geometrischen Gestaltung der Zelle (verwendete Luftzwischenräume, Dicke der Elektroden, Federgestaltung usw.), der angelegten Spannung, der lokalisierten Kontaktbildung, des lokalen Drucks und seines Effekts auf 921, usw. ab. Auf der Basis davon kann die Nichtlinearität der Antwort dahingehend abgestimmt werden, für einen bestimmten Bereich einer angelegten Spannung nach Kontaktbildung mehr oder weniger groß zu sein.However, contact formation in these spaces can also be used to alter the change in cell stiffness upon bending. However, whether the nonlinearity of the response will increase or decrease in a particular operating range depends on contact formation, propagation, and its effect on reducing the electrostatic gap 92 1 due to mechanical feedback from an external structure pressing against the internal electrodes. Due to the mechanical pressure, the local air gap in the region of the electrostatic gap may decrease at one point, thereby increasing the nonlinearity rather than decreasing it, since the local minimization of the gap due to contact will dominate more than the increase after a certain period of time the mechanical stiffness. The change in overall response depends largely on the geometric design of the cell (air gaps used, thickness of electrodes, spring design, etc.), applied voltage, localized contact formation, local pressure and its effect on 92 1 , etc. Based on this, the nonlinearity of the response can be tuned to be more or less large for a certain range of applied voltage after contact formation.

Falls die Gestaltungen einer konformen Federkonfiguration (z. B. 8f oder 8e) mit Gestaltungen von Kontaktbildungszellen (z. B. wie in 2a oder 6a gezeigt) zu kombinieren sind, dann kann alternativ dazu die Kontaktbildung in äußeren Federzwischenräumen dazu verwendet werden, eine erste Kontaktbildung in dem elektrostatischen Zwischenraum 921 schneller zu erzeugen (da der Druck auf die lokalen Luftzwischenräume dabei hilft, einen Kontakt früher zu erreichen), während eine höhere Gesamtzellsteifheit bei Biegung aufgrund einer Kontaktbildung und -verbreitung in der äußeren Feder und in einem inneren elektrostatischen Zwischenraum erzielt werden kann, wodurch eine noch schnellere und effektive Linearisierung sichergestellt wird. Jedoch kann der Vorteil der reduzierten Aufladung aus 8f zumindest teilweise verlorengehen.If the designs have a compliant spring configuration (e.g. 8f or 8e) with designs of contact formation cells (e.g. as in 2a or 6a shown) are to be combined, then alternatively, contact formation in external spring gaps can be used to produce initial contact formation in the electrostatic gap 92 1 more quickly (since the pressure on the local air gaps helps to achieve contact earlier), while Higher overall cell stiffness in bending can be achieved due to contact formation and propagation in the outer spring and in an inner electrostatic gap, ensuring even faster and effective linearization. However, the advantage of reduced charging can be taken advantage of 8f at least partially lost.

Mit anderen Worten zeigt 8f eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit nichtlinearer Federkonfiguration konform in Bezug auf die Elektroden und mit direkter struktureller Verbindung mit Biegeelektroden und bestehend aus strukturellem Material der Elektrode/Zelle in der Zellgeometrie, um eine nichtlineare Versteifung in der Zelle ohne Kontaktbildung zu erzeugen, in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration umfasst eine nichtlineare Federkonfiguration konform in Bezug auf die Elektroden und eine direkte strukturelle Verbindung mit Biegeelektroden und bestehend aus strukturellem Material der Elektrode/Zelle in der Zellgeometrie zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in der Zelle ohne Kontaktbildung. Die Zellversteifung wird hauptsächlich durch eine höhere Dehnung/Biegung von Biegungen (841, 842) in Bezug auf Elektroden erzielt, da sie die größte Biegung erfahren (sie sind am weitesten entfernt von der neutralen Phase der Zelle), und mit einem schnelleren Übergang in ein Regime einer nichtlinearen Biegesteifheit aufgrund einer strukturellen Verbindung mit Elektroden (1181, 1182), die als Quasiklemmung agieren können, im Vergleich zu Fällen ohne diese, z. B. 8e. Die konforme Form der Biegungen hilft dabei, die Zellfläche optimal zu nutzen, außerdem kann die parallele Stapelung der Zellbalken kompakter erfolgen. Es ist wichtig, zu beachten, dass immer eine Kontaktbildungsmöglichkeit zwischen den Biegestellen (841, 842) und Elektroden (261, 262) verwendet werden kann, um eine Zellsteifheit bei Betätigung weiter zu modulieren.In other words shows 8f an exemplary base cell configuration with nonlinear spring configuration compliant with respect to the electrodes and with direct structural connection to bending electrodes and consisting of structural material of the electrode/cell in the cell geometry to create a nonlinear stiffening in the cell without contact formation, in a plan view for a planar Bend or in a side view for an out-of-plane bend. The exemplary base cell configuration includes a nonlinear spring configuration conforming to the electrodes and a direct structural connection with bending electrodes and consisting of electrode/cell structural material in the cell geometry to create a nonlinear stiffening in the cell without contact formation. Cell stiffening is achieved primarily by higher elongation/bending of bends (84 1 , 84 2 ) relative to electrodes as they experience the greatest bending (they are farthest from the neutral phase of the cell), and with a faster transition into a regime of nonlinear bending stiffness due to a structural connection with electrodes (118 1 , 118 2 ) that can act as quasi-clamping, compared to cases without this, e.g. b. 8e . The conformal shape of the bends helps to make optimal use of the cell area, and the parallel stacking of the cell bars can be done more compactly. It is important to note that contact formation between the bends (84 1 , 84 2 ) and electrodes (26 1 , 26 2 ) can always be used to further modulate cell stiffness upon actuation.

Im Vergleich zu der Struktur aus 8e sorgt die Struktur aus 8f für den Vorteil, dass für ähnliche Abmessungen eine höhere Zunahmerate der Steifheit bei Biegung erhalten werden kann und/oder Nichtlinearitätsregime reduzierter Größenordnung je nach Anforderung besser abgestimmt werden können (zusammen mit einer Möglichkeit von Kontaktbildung an mehreren Stellen sowie aufgrund einer strukturellen Verbindung mit Elektroden, wie in Verbindung mit 8f beschrieben ist).Compared to the structure from 8e provides the structure 8f for the advantage that for similar dimensions a higher rate of increase in stiffness in bending can be obtained and/or nonlinearity regimes of reduced magnitude can be better tuned depending on the requirements (along with a possibility of contact formation at several points as well as due to a structural connection with electrodes, as in connection with 8f described).

8g zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 807, das eine gestapelte Konfiguration von Biegeelementen 84 der Anpassungsstruktur 18 aufweist. Das heißt, mehrere Schichten von Biegeelementen können eine Anpassungsstruktur auf einer oder beiden Seiten der Biegewandlerstruktur 12 bilden. Obwohl mechanische Systeme 806 und 807 dahingehend gezeigt sind, Teile der Anpassungsstruktur auf beiden Seiten der Biegewandlerstruktur aufzuweisen, kann diese auch auf lediglich einer oder auf beiden Seiten angeordnet sein. 8g shows a schematic view of a mechanical system 80 7 that has a stacked configuration of flexures 84 of the adjustment structure 18. That is, multiple layers of flexural elements may form an accommodation structure on one or both sides of the flexure transducer structure 12. Although mechanical systems 80 6 and 80 7 are shown as having portions of the conforming structure on both sides of the flexural transducer structure, it may also be located on only one or both sides.

Auf der Basis eines erhöhten Biegebetrags gilt, je weiter außen die Elemente der Anpassungsstruktur angeordnet sind, desto weniger Steifheit können sie bei einem Ausführungsbeispiel bereitstellen, beispielsweise durch dünnere Implementierung derselben im Vergleich zu inneren Elementen, wie beispielsweise bei Vergleich der Balkenelemente 841 und 843 oder der Elemente 842 und 844 gezeigt ist.Based on an increased amount of bending, the further outwardly the elements of the adjustment structure are arranged, the less stiffness they can provide in one embodiment, for example by implementing them thinner compared to internal elements, such as when comparing the beam elements 84 1 and 84 3 or the elements 84 2 and 84 4 is shown.

Die mehreren Schichten können mit einem einzelnen diskreten Element an Stelle 1181 bzw. 1182 oder mit separaten Elementen verbunden werden. Ferner können zusätzliche Elemente entlang des Verlaufs der Biegeelemente 261 und 262 angeordnet sein.The multiple layers can be connected with a single discrete element at locations 118 1 or 118 2 or with separate elements. Furthermore, additional elements can be arranged along the course of the bending elements 26 1 and 26 2 .

Mit anderen Worten zeigt 8g eine beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit mehreren parallelen nichtlinearen Federkonfigurationen konform in Bezug auf die Geometrie der Elektroden und struktureller Verbindung mit Elektroden und bestehend aus strukturellem Material der Elektrode/Zelle in der Zellgeometrie zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in der Zelle ohne Kontaktbildung, jedoch ist eine Kontaktbildung auch möglich. Die Veranschaulichung aus 8g ist eine Draufsicht für eine planare Biegung oder eine Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die gezeigten unterschiedlichen Schichten für das mechanische System 807 können eine gleiche Konfiguration aufweisen, wie gezeigt ist, können jedoch auch unterschiedliche Konfigurationen implementieren. Beispielsweise kann die innere oder äußere oder auch eine zusätzliche Schicht eine Konfiguration gemäß 8e oder dergleichen aufweisen. Eine zusätzliche Anordnung von Federelementen ist auch möglich. Die beispielhafte Basiszellenkonfiguration umfasst mehrere parallele nichtlineare Federkonfigurationen konform in Bezug auf die Geometrie der Elektroden und eine strukturelle Verbindung mit Elektroden bestehend aus strukturellem Material der Elektrode/Zelle in der Zellgeometrie zur Erzeugung einer nichtlinearen Versteifung in der Zelle ohne Kontaktbildung. Die Zellversteifung wird hauptsächlich aufgrund einer höheren Dehnung/Biegung von Biegungen (841-844) in Bezug auf Elektroden erzielt, da sie die meiste Biegung erfahren (da sie am weitesten von der neutralen Faser der Zelle entfernt sind), und mit einem schnelleren Übergang in ein Regime einer nichtlinearen Biegesteifheit aufgrund einer strukturellen Verbindung mit den Elektroden (1181, 1182), die als Quasi-klemmung agieren können, im Vergleich zu Fällen ohne dieselben, beispielsweise in 8e. Die konforme Form der Biegestellen hilft dabei, die Zellfläche optimal auszunutzen, außerdem kann die parallele Stapelung der Zellbalken kompakter ausgeführt werden. Es ist wichtig, zu beachten, dass immer eine Kontaktbildungsmöglichkeit zwischen den Biegestellen (841-844) und/oder Elektroden (261, 262) verwendet werden kann, um die Zellsteifheit weiter zu modulieren. Unterschiedliche Möglichkeiten zur Kontaktbildung und -evolution in den Luftzwischenräumen 921, 922 (ohne Rückkopplung zu den Biegeelektroden) und/oder 923, 924 (mit Rückkopplung zu den Biegeelektroden), insbesondere an den Ebenen C-C' und/oder B-B', können basierend auf einer Biegestellengestaltung (Dicke, Länge, Topologie, usw.) eingerichtet werden.In other words shows 8g an exemplary base cell configuration with multiple parallel nonlinear spring configurations conforming to the geometry of the electrodes and structural connection with electrodes and consisting of structural material of the electrode/cell in the cell geometry to create a nonlinear stiffening in the cell without contact formation, however contact formation is also possible . The illustration from 8g is a top view for a planar bend or a side view for an off-planar bend. The different layers shown for the mechanical system 80 7 may have the same configuration as shown, but may also implement different configurations. For example, the inner or outer or even an additional layer can have a configuration according to 8e or the like. An additional arrangement of spring elements is also possible. The exemplary basic cell configuration includes multiple parallel nonlinear spring configurations conforming to the geometry of the electrodes and a structural connection with electrodes consisting of structural material of the electrode/cell in the cell geometry to create a nonlinear stiffening in the cell without contact formation. Cell stiffening is achieved primarily due to higher elongation/bending of bends (84 1 -84 4 ) relative to electrodes as they experience the most bending (since they are farthest from the neutral fiber of the cell), and with a faster Transition to a regime of nonlinear bending stiffness due to a structural connection with the electrodes (118 1 , 118 2 ), which can act as a quasi-clamp, compared to cases without it, for example in 8e . The conformal shape of the bending points helps to make optimal use of the cell area, and the parallel stacking of the cell bars can be made more compact. It is important to note that a contact formation option between the bends (84 1 -84 4 ) and/or electrodes (26 1 , 26 2 ) can always be used to further modulate cell stiffness. Different possibilities for contact formation and evolution in the air gaps 92 1 , 92 2 (without feedback to the bending electrodes) and/or 92 3 , 92 4 (with feedback to the bending electrodes), in particular at the levels CC' and/or B-B ', can be set up based on a bend design (thickness, length, topology, etc.).

Im Vergleich zu der Struktur aus 8f sorgt die Struktur aus 8g für den Vorteil, dass für ähnliche Abmessungen eine höhere Rate der Steifheitszunahme bei Biegung erhalten werden kann und/oder Nichtlinearitätsregime mit reduzierter Größenordnung besser je nach Anforderung abgestimmt werden können (zusammen mit mehreren Kontakten sowie aufgrund einer strukturellen Verbindung mit den Elektroden und mehreren Biegeschichten).Compared to the structure from 8f provides the structure 8g for the advantage that for similar dimensions a higher rate of stiffness increase in bending can be obtained and/or reduced magnitude nonlinearity regimes can be better tuned depending on the requirement (along with multiple contacts as well as due to a structural connection with the electrodes and multiple bending layers).

9a zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 901 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Biegewandlerstruktur kann einen ersten Wandlerabschnitt 12a aufweisen, der beispielsweise Biegeelemente 2611 gemeinsam mit Biegeelementen 2612 aufweist, die beispielsweise wie für das mechanische System 801 beschrieben arbeiten. Ein zweiter Wandlerabschnitt 12b kann angeordnet sein, der beispielsweise Biegeelemente 2621 und 2622 aufweist, die entsprechend dem Wandlerabschnitt 12a arbeiten können. Der Wandlerabschnitt 12a und/oder der Wandlerabschnitt 12b können in Bezug aufeinander auf symmetrische oder asymmetrische Weise angeordnet sein. 9a shows a schematic view of a mechanical system 90 1 according to an exemplary embodiment. The bending transducer structure can have a first transducer section 12a, which has, for example, bending elements 26 11 together with bending elements 26 12 , which work, for example, as described for the mechanical system 80 1 . A second transducer section 12b can be arranged, which has, for example, bending elements 26 21 and 26 22 which can operate correspondingly to the transducer section 12a. The transducer section 12a and/or the transducer section 12b may be arranged in a symmetrical or asymmetrical manner with respect to each other.

Die Wandlerabschnitte 12a und 12b können durch die Verwendung elektrischer Signale 161 und 162 unabhängig gesteuert werden, indem ein Potenzial, das als V1 und V2 gekennzeichnet ist, gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten angelegt wird, wobei im Vergleich zu der Veranschaulichung aus 9a eine Zuordnung unterschiedlicher Elektrodenelemente 2611 bis 2622 zu einem Referenzpotenzial GND oder einem Steuerpotenzial umgeschaltet werden kann.The transducer sections 12a and 12b can be controlled independently through the use of electrical signals 16 1 and 16 2 by applying a potential indicated as V 1 and V 2 simultaneously or at different times, as compared to the illustration out of 9a an assignment of different electrode elements 26 11 to 26 22 can be switched to a reference potential GND or a control potential.

Im Vergleich zu dem mechanischen System 801 kann die Anpassungsstruktur 18 durch die Verwendung von Isolatoren 362, 363, 366 und 367 von inneren Elektroden 2612 und 2622 isoliert sein. Jedoch sind diese Elemente optional, können es jedoch ermöglichen, eine Auslenkung der Anpassungsstruktur 18 beispielsweise bei Verwendung piezoelektrischer Materialien als Biegeelement 842 oder Biegeelemente 841 oder 843 oder in unterschiedlichen Komponenten davon zu erfassen. Dies kann es ermöglichen, ein Auslesesignal 163 (Vread-out) zu erhalten. Das mechanische System 901 kombiniert zwei Modifizierungen. Einerseits kann die Biegewandlerstruktur 12 des mechanischen Systems 801 mit einem zweiten Abschnitt der erhaltenen Struktur, beispielsweise der Wandlerstruktur 12b, kombiniert werden, um für eine unterschiedliche, beispielsweise entgegengesetzte Biegerichtung 141 und 142 zu sorgen. Ferner kann eine Auslenkung in einem oder mehreren der Elemente der Anpassungsstruktur 18 durch die Verwendung eines jeweiligen elektrischen Signals 163 detektiert werden, was unter Verwendung geeigneter Materialien und durch das Isolieren möglicher verwendeter Elektroden von der Biegewandlerstruktur 12 beispielsweise auch in dem mechanischen System 801 implementiert sein kann.Compared to the mechanical system 80 1 , the matching structure 18 may be isolated from internal electrodes 26 12 and 26 22 through the use of insulators 36 2 , 36 3 , 36 6 and 36 7 . However, these elements are optional, but may make it possible to detect a deflection of the adaptation structure 18, for example when using piezoelectric materials as bending element 84 2 or bending elements 84 1 or 84 3 or in different components thereof. This can make it possible to obtain a readout signal 16 3 (V read-out ). The mechanical system 90 1 combines two modifications. On the one hand, the bending transducer structure 12 of the mechanical system 80 1 can be combined with a second section of the obtained structure, for example the transducer structure 12b, in order to provide a different, for example opposite, bending direction 14 1 and 14 2 . Furthermore, a deflection in one or more of the elements of the adaptation structure 18 can be detected through the use of a respective electrical signal 16 3 , which can also be implemented in the mechanical system 80 1 , for example, using suitable materials and by isolating possible used electrodes from the bending transducer structure 12 can be.

Wie in 9a gezeigt ist, kann die Anpassungsstruktur 18 eine Biegewandlerstruktur aufweisen, die mechanisch parallel an den ersten Wandlerabschnitt 12a und zweiten Wandlerabschnitt 12b und zwischen beide Abschnitten 12a und 12b gekoppelt ist.As in 9a As shown, the adjustment structure 18 may include a flexural transducer structure that is mechanically coupled in parallel to the first transducer section 12a and second transducer section 12b and between both sections 12a and 12b.

Optional kann die Biegewandlerstruktur der Anpassungsstruktur 18 eine lokale Versteifung 842 aufweisen, beispielsweise in einem mittleren Bereich der Biegewandlerstruktur.Optionally, the bending transducer structure of the adaptation structure 18 can have a local stiffener 84 2 , for example in a central region of the bending transducer structure.

Eine Auslenkung oder Biegung der Biegewandlerstruktur 18 kann beispielsweise erfasst werden, wenn kapazitive Bewegungen und/oder piezoelektrische Messungen oder andere Prinzipien verwendet werden.A deflection or bending of the bending transducer structure 18 can be detected, for example, when capacitive movements and/or piezoelectric measurements or other principles are used.

Mit anderen Worten zeigt 9a eine beispielhafte Basiszellenbalkenkonfiguration mit identischen Elektroden zum Biegen in beiden Richtungen und nichtlinearen Federkonfigurationen bestehend aus dem Material der Elektrode/Zelle in der Zellgeometrie zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung der Zelle ohne Kontaktbildung oder Kontaktevolution in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration weist optional eine Konfiguration identischer Elektroden zur Biegung in beiden Richtungen und eine nichtlineare Federkonfiguration bestehend aus dem strukturellen Material der Elektrode/Zelle in der Zellgeometrie zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in der Zelle ohne Kontaktbildung oder Kontaktevolution in dem elektrostatischen Zwischenraum auf. Für die Zellbiegung in Richtung 141 oder 142 wird ein entsprechender Zellenteil mit V1- oder V2-Betätigungssignalen betätigt. Während eine Seite betätigt wird, agiert die andere Seite der Zelle als passive Last, die auch dahingehend gestaltet sein kann, neben den Biegungen (841, 842, 843) eine nichtlineare Last in der Biegerichtung zu sein. Alternativ dazu kann der passive Zellenteil (für eine bestimmte Biegerichtung) auch teilweise betätigt werden, um aus diesem eine aktive Last zu machen, die zur weiteren Entgegenwirkung der Nichtlinearität in der Antwort der Zelle der Biegerichtung verwendet werden kann. Die Verformung in der Biegung (841, 842, 843), die elektrisch von den Elektroden der Zelle isoliert ist, kann für Erfassungszwecke unter Verwendung von Materialien in einem Biegebereich verwendet werden, die piezoresistive und/oder piezoelektrische Effekte zeigen. Die Biegungen können dahingehend gestellt sein, ein Erfassungssignal (Vread-out) zu erzeugen, das linear ist oder eine niedrigere Größenordnung einer Nichtlinearität bei angelegten Betätigungsspannungen (V1, V2) aufweist. Es ist wichtig, zu beachten, dass immer Möglichkeiten zur Isolator/Dielektrikum-basierten Kontaktbildung und -evolution zwischen den Zellelektroden (Biegeelemente2611-2622) in dem elektrostatischen Luftzwischenraum (381, 382) verwendet werden können, um eine Zellsteifheit bei Betätigung weiter zu modulieren, während außerdem höhere Betätigungskräfte erzielt werden.In other words shows 9a an exemplary base cell beam configuration with identical electrodes for bending in both directions and nonlinear spring configurations consisting of the material of the electrode/cell in the cell geometry to create a nonlinear stiffening of the cell without contact formation or contact evolution in a top view for a planar bend and in a side view for a extraplanar bending. The exemplary bimorph base cell configuration optionally includes a configuration of identical electrodes for bending in both directions and a nonlinear spring configuration consisting of the structural material of the electrode/cell in the cell geometry for creating a nonlinear stiffening in the cell without contact formation or contact evolution in the electrostatic gap. For the cell bending in the direction 14 1 or 14 2 , a corresponding cell part is actuated with V1 or V2 actuation signals. While one side is actuated, the other side of the cell acts as a passive load, which can also be designed to be a non-linear load in the bending direction in addition to the bends (84 1 , 84 2 , 84 3 ). Alternatively, the passive cell portion (for a particular bending direction) can also be partially actuated to make it an active load that can be used to further counteract the nonlinearity in the cell's response to the bending direction. The deformation in the bend (84 1 , 84 2 , 84 3 ), electrically isolated from the electrodes of the cell, can be used for sensing purposes using materials in a bend region that exhibit piezoresistive and/or piezoelectric effects. The bends may be set to produce a sense signal (V read-out ) that is linear or has a lower magnitude of non-linearity at applied actuation voltages (V1, V2). It is important to note that options for insulator/dielectric-based contact formation and evolution between the cell electrodes (bending elements 26 11 -26 22 ) in the electrostatic air gap (38 1 , 38 2 ) can always be used to achieve cell stiffness upon actuation to further modulate while also achieving higher actuation forces.

9b zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 902 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem mechanischen System 901 weist die Anpassungsstruktur 18 zwei gegenüberliegende Biegebalkenelemente 841 und 842 auf, die dahingehend implementiert sind, ein leitfähiges Material aufzuweisen, um Elektroden zu bilden, zumindest in einem Teil der Biegeelemente 841 und 842. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, kann ein Isolator 122 zumindest in einem mittleren Bereich der Anpassungsstruktur 18 zwischen den Biegebalkenelementen 841 und 842 angeordnet sein, beispielsweise in Bereichen, in denen ein mechanischer Kontakt bei Abwesenheit des Isolators 122 auftreten kann. Eine ähnliche Funktion wird durch die Verwendung von Isolatoren 363 und 363 in dem Bereich der Klemmungen 281 und 282 implementiert, wobei es vorteilhaft sein könnte, zumindest teilweise zwischen den Elektroden einen Zwischenraum 92 zu implementieren, um eine Auslenkung der Anpassungsstruktur 18 zu verbessern. 9b shows a schematic view of a mechanical system 90 2 according to an exemplary embodiment. Compared to the mechanical system 90 1 , the conforming structure 18 includes two opposing flexure beam elements 84 1 and 84 2 implemented to include a conductive material to form electrodes, at least in a portion of the flexure elements 84 1 and 84 2 . In order to avoid short circuits, an insulator 122 can be arranged at least in a central region of the adaptation structure 18 between the bending beam elements 84 1 and 84 2 , for example in regions in which mechanical contact can occur in the absence of the insulator 122. A similar function is implemented through the use of insulators 36 3 and 36 3 in the area of the clamps 28 1 and 28 2 , whereby it could be advantageous to implement a gap 92 at least partially between the electrodes in order to prevent deflection of the adaptation structure 18 improve.

Die Anpassungsstruktur 18 kann eine Elektrodenstruktur aufweisen, die Elektroden 841 und 842 und ein Isoliermaterial 122 dazwischen aufweist. Die Elektrodenstruktur kann zumindest einen Teil der Biegebalkenstruktur der Anpassungsstruktur bilden, und die Anpassungsverformung kann zu einer Verformung der Elektrodenstruktur führen, wobei das mechanische System 902 angepasst sein kann zum Bereitstellen eines oder mehrerer elektrischer Signale entsprechend der Anpassungsverformung. Durch die Verwendung von zwei voneinander isolierten Elektroden kann solch ein Signal 163 eine Differenz zwischen dem Potenzial Vread-out und Vread-out_GND sein, die sich aufgrund der Auslenkung verändern kann.The matching structure 18 may include an electrode structure having electrodes 84 1 and 84 2 and an insulating material 122 therebetween. The electrode structure may form at least a portion of the bending beam structure of the conforming structure, and the conforming deformation may result in deformation of the electrode structure, wherein the mechanical system 90 2 may be adapted to provide one or more electrical signals corresponding to the conforming deformation. By using two electrodes isolated from each other, such a signal 16 3 can be a difference between the potential V read-out and V read-out_GND , which can change due to the deflection.

Mit anderen Worten zeigt 9b eine beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration mit einer Konfiguration identischer Elektroden zum Biegen in beiden Richtungen 141 und 142 und nichtlineare Federkonfigurationen mit mehreren isolierten Biegestellen bestehend aus dem Material der Elektrode zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in einer Zelle zusammen mit einer Möglichkeit zur Rückkopplung durch kapazitive Erfassung, um eine Biegeverformung zur aktiven Steuerung einer Zellverformung zu schätzen, in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration umfasst eine Konfiguration identischer Elektroden zum Biegen in beiden Richtungen und eine nichtlineare Federkonfiguration mit mehreren isolierten Biegestellen bestehend aus dem Material der Elektrode zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung in der Zelle zusammen mit einer Möglichkeit zur Rückkopplung durch kapazitive Erfassung, um eine Biegeverformung zur aktiven Steuerung der Zellverformung zu schätzen. Die Änderung der Kapazität zwischen den Biegungen 3n und 3o kann unter Verwendung der Auslesesignale Vread-out und Vread-out_GND detektiert werden. Die Biegestellen können dahingehend gestaltet sein, eine Kapazitätsänderung zu aufzuweisen, die linear ist oder eine niedrigere Größenordnung der Nichtlinearität bei angelegten Betätigungsspannungen (V1, V2) aufweist.In other words shows 9b an exemplary bimorph base cell configuration with a configuration of identical electrodes for bending in both directions 14 1 and 14 2 and non-linear spring configurations with multiple isolated bending points consisting of the material of the electrode for creating a non-linear stiffening in a cell together with a possibility for feedback through capacitive sensing, to estimate bending deformation to actively control cell deformation, in a top view for a planar bend or in a side view for an extra-planar bend. The exemplary bimorph base cell configuration includes a configuration of identical electrodes for bending in both directions and a nonlinear spring configuration with multiple isolated bending points consisting of the material of the electrode to create a nonlinear stiffening in the cell along with a capability for feedback through capacitive sensing to prevent bending deformation active control of cell deformation. The change in capacitance between bends 3n and 3o can be detected using the readout signals V read-out and V read-out_GND . The bends may be designed to have a capacitance change that is linear or has a lower magnitude of nonlinearity at applied actuation voltages (V1, V2).

Beide Systeme 901 und 902 ermöglichen eine Regelung eines Aktors, der dazu konfiguriert ist, sich bei elektrischen Signalen 161 und/oder 162 auszulenken. Wie erwähnt ist, kann ein Messprinzip, das unter anderem eine Regelung ermöglicht, in einem anderen hierin beschriebenen System durch entsprechende Bereitstellung der Funktionalität, vorzugsweise in der Anpassungsstruktur 18, implementiert sein.Both systems 90 1 and 90 2 enable control of an actuator that is configured to deflect in response to electrical signals 16 1 and/or 16 2 . As mentioned, a measurement principle that, among other things, enables regulation can be implemented in another system described herein by appropriate provision of the functionality, preferably in the adaptation structure 18.

9c zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 903, bei dem der Biegewandlerabschnitt 12b asymmetrisch im Vergleich zu dem Biegewandlerabschnitt 12a gebildet ist, was ein unterschiedliches Auslenkungsverhalten im Vergleich zu einer gleichen Amplitude von Signalen 161 und 162 ermöglicht, und somit einen zusätzlichen Freiheitsgrad. Ferner können durch die Bildung einer asymmetrischen Beziehung zwischen den Abständen 12a und 12b äußere Effekte wie etwa die Schwerkraft oder eine permanente Last berücksichtigt werden, beispielsweise im Hinblick auf eine gewünschte Referenzauslenkung. 9c shows a schematic view of a mechanical system 90 3 in which the bending transducer section 12b is formed asymmetrically compared to the bending transducer section 12a, allowing a different deflection behavior compared to an equal amplitude of signals 16 1 and 16 2 , and thus an additional degree of freedom. Furthermore, by forming an asymmetrical relationship between the distances 12a and 12b, external effects such as gravity or a permanent load can be taken into account, for example with regard to a desired reference deflection.

Gemäß Ausführungsbeispielen können die hierin beschriebenen Biegewandlerstrukturen konfiguriert sein zum Biegen ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal, wobei das mechanische System eine Steuereinheit 115 aufweist, die konfiguriert ist zum Bereitstellen des elektrischen Signals. Dies kann es ermöglichen, zumindest Teile des mechanischen Systems als Aktor zu verwenden. Alternativ oder zusätzlich dazu kann das mechanische System derart implementiert sein, dass die Biegewandlerstruktur konfiguriert ist zum Bereitstellen des elektrischen Signals ansprechend auf die ausgeübte äußere Kraft F, die die Biegung verursacht, und das mechanische System eine Ausleseschaltung 117 aufweist, die konfiguriert ist zum Bereitstellen des elektrischen Signals. Die Steuereinheit 115 und/oder die Ausleseschaltung 117 kann Teil anderer hierin beschriebener mechanischer Systeme sein oder mit denselben verbunden sein. Die Steuereinheit 115 und die Ausleseschaltung 117 können Teil derselben Einheit sein, beispielsweise einer Steuereinheit oder dergleichen.According to embodiments, the bending transducer structures described herein may be configured to bend in response to an applied electrical signal, wherein the mechanical system includes a controller 115 configured to provide the electrical signal. This can make it possible to use at least parts of the mechanical system as an actuator. Alternatively or additionally, the mechanical system may be implemented such that the bending transducer structure is configured to provide the electrical signal in response to the applied external force F causing the bend, and the mechanical system includes a readout circuit 117 configured to provide the electrical signal. The control unit 115 and/or the readout circuit 117 may be part of or connected to other mechanical systems described herein. The control unit 115 and the readout circuit 117 can be part of the same unit, for example a control unit or the like.

Mit anderen Worten ist in 9c eine bimorphe beispielhafte Basiszellenkonfiguration mit einer Konfiguration unterschiedlicher Elektroden zum Biegen in beiden Richtungen und einer Kompensation der Nichtlinearität in der jeweils anderen Antwort für eine bestimmte Biegerichtung für dieselbe angelegte Spannung zusammen mit einer nichtlinearen Federkonfiguration mit mehreren isolierten Biegungen bestehend aus dem Material der Elektrode zum Erzeugen einer nichtlinearen Versteifung der Zelle und einer Möglichkeit zur Rückkopplung durch kapazitiven Erfassung, um eine Biegestellenverformung zur aktiven Steuerung einer Zellverformung zu schätzen, in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung gezeigt.In other words is in 9c a bimorph exemplary base cell configuration with a configuration of different electrodes for bending in both directions and compensating for nonlinearity in the other response for a particular bending direction for the same applied voltage, together with a nonlinear spring configuration with multiple isolated bends consisting of the material of the electrode to create a nonlinear stiffening of the cell and a capability for feedback through capacitive sensing to estimate bending point deformation for actively controlling cell deformation, shown in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend, respectively.

10a zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 1001, das eine Konfiguration aufweist, bei der die Biegewandlerstruktur 12 Biegeelemente 26', und 26'2 aufweist, die ein elektrothermisches Material aufweisen, das dazu konfiguriert sein kann, sich ansprechend auf das elektrische Signal 161 und/oder 162 auszudehnen oder zusammenzuziehen. Für solch einen Zweck können Klemmungen 281 und 282 auch ein leitfähiges Material aufweisen, um elektrische Ladungen zu dem elektrothermischen Material zu transportieren. Obwohl die Klemmung 282 dahingehend gezeigt ist, ein Referenz-GND-Potenzial aufzuweisen, ist zu beachten, dass dieses Potenzial auch eine Versorgungsspannung sein kann, d. h. das Signal 161 und/oder 162 für eine Basiszelle, die mit dem mechanischen System 1001 verbunden ist, wie beispielsweise in 2b-2e gezeigt ist. 10a shows a schematic view of a mechanical system 100 1 having a configuration in which the flexure transducer structure 12 includes flexures 26', and 26' 2 that include an electrothermal material that may be configured to act in response to the electrical signal 16 1 and/or 16 2 to expand or contract. For such a purpose, clamps 28 1 and 28 2 can also be conductive ges material to transport electrical charges to the electrothermal material. Although the clamp 28 2 is shown to have a reference GND potential, it should be noted that this potential may also be a supply voltage, ie the signal 16 1 and/or 16 2 for a base cell connected to the mechanical system 100 1 is connected, such as in 2b-2e is shown.

Die Anpassungsstruktur kann Biegeelemente 841 und 842 aufweisen, die ein strukturelles Elektrodenmaterial aufweisen können, d. h. ein leitfähiges Material, etwa im Hinblick auf ein leitfähiges MEMS-Halbleitermaterial oder ein Metallmaterial. Ein Zwischenraum 38 kann eine relative Bewegung von Biegeelementen 26'1, und 26'2 im Hinblick aufeinander bei Biegung entlang der Biegerichtung 141 oder 142 ermöglichen. Ein strukturelles dielektrisches Isolatormaterial 36 kann für eine elektrische Isolierung und eine Wärmeisolierung sorgen.The matching structure may include flexures 84 1 and 84 2 , which may include a structural electrode material, ie, a conductive material, such as a MEMS semiconductor conductive material or a metal material. A gap 38 may allow relative movement of bending elements 26' 1 , and 26' 2 with respect to one another during bending along the bending direction 14 1 or 14 2 . A structural dielectric insulator material 36 can provide electrical insulation and thermal insulation.

Mit anderen Worten zeigt 10a eine beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration auf der Basis eines Aktorprinzips der elektrothermischen Biegung und vollständig isolierten Elektroden zur Kontaktbildung und -evolution für Möglichkeiten der kapazitiven Erfassung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration basiert auf einem Aktorprinzip der elektrothermischen Biegung und auf vollständig isolierten Elektroden zur Kontaktbildung und -evolution zur Möglichkeit kapazitiver Erfassung in dem elektrostatischen Zwischenraum 38. Die elektrothermischen Aktorelektroden 26'1, oder 26'2 können dahingehend betätigt werden, sich unter Verwendung entsprechender Betätigungsspannungen (V1, V2) in Richtungen 141 bzw. 142 zu biegen. Wenn beispielsweise V1 aktiviert ist (V2 ist aus), dehnt sich die Elektrode 26'1 (aufgrund einer Wärmeausdehnung) aus und, zur Kontaktbildung und -evolution, bewegt 841 sich in Richtung 341, während sich 842 in Richtung 342 (passive Zusammenziehung) (in den Richtungen 441 und 442) bewegt. Die Kapazitätsausleseelektroden (841, 842) treten in Kontakt und modulieren die Steifheit der gesamten Zelle, um die erzeugte verwendbare Ist-Kraft und Kapazitätsänderung (zur Erfassung) bei dem angelegten Betätigungsspannungssignal abzustimmen.In other words shows 10a an exemplary bimorph base cell configuration based on an actuator principle of electrothermal bending and fully insulated electrodes for contact formation and evolution for capacitive sensing possibilities in a top view for a planar bend and in a side view for an extra-planar bend. The exemplary bimorph base cell configuration is based on an actuator principle of electrothermal bending and fully insulated electrodes for contact formation and evolution to enable capacitive sensing in the electrostatic gap 38. The electrothermal actuator electrodes 26' 1 , or 26' 2 can be actuated to use corresponding actuation voltages (V1, V2) in directions 14 1 or 14 2 . For example, when V1 is activated (V2 is off), electrode 26' 1 expands (due to thermal expansion) and, for contact formation and evolution, 84 1 moves toward 34 1 while 84 2 moves toward 34 2 ( passive contraction) (in the directions 44 1 and 44 2 ). The capacitance readout electrodes (84 1 , 84 2 ) come into contact and modulate the stiffness of the entire cell to tune the actual usable force and capacitance change produced (for sensing) at the applied actuation voltage signal.

10b zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 1002, das im Vergleich zu dem mechanischen System 1001 ein piezoelektrisches Material anstelle eines elektrothermischen Materials aufweist, um eine Aktor- und/oder Sensor-Funktion zu implementieren. Das heißt, die Biegeelemente 26''1 und 26''2 können zumindest in Teilen ein piezoelektrisches Material aufweisen. Das piezoelektrische Material kann vorzugsweise auf zwei gegenüberliegenden Seiten mit leitfähigen Schichten 124 abgedeckt sein, um die Spannung anzulegen, um die Zusammenziehung oder Ausdehnung des piezoelektrischen Materials zu aktivieren und/oder auszuwerten. 10b shows a schematic view of a mechanical system 100 2 that, compared to the mechanical system 100 1 , has a piezoelectric material instead of an electrothermal material to implement an actuator and / or sensor function. This means that the bending elements 26'' 1 and 26'' 2 can have a piezoelectric material, at least in part. The piezoelectric material may preferably be covered on two opposite sides with conductive layers 124 to apply the voltage to activate and/or evaluate the contraction or expansion of the piezoelectric material.

Mit anderen Worten zeigt 10b eine beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration auf der Basis eines Aktorprinzips der piezoelektrischen Biegung und vollständig isolierten Elektroden zur Kontaktbildung und -evolution zur Möglichkeit kapazitiver Erfassung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration basiert auf dem Aktorprinzip piezoelektrischer Biegung und vollständig isolierten Elektroden zur Kontaktbildung und -evolution zur Möglichkeit kapazitiver Erfassung in dem elektrostatischen Zwischenraum 38. Die piezoelektrischen Aktorelektroden (1241 bis 1244) können dahingehend betätigt werden, sich unter Verwendung entsprechender Betätigungsspannungen (V1, V2) in Richtungen 141 bzw. 142 zu biegen. Wenn beispielsweise V1 aktiviert ist (V2 ist aus), dehnt sich das piezoelektrische Material (26''1) (aufgrund des piezoelektrischen Effekts) aus, und, zur Kontaktbildung und -evolution, bewegt sich die Elektrode 841 in Richtung 341, während 842 sich (in den Richtungen 441 und 442) in Richtung 342 bewegt (passive Zusammenziehung). Die Kapazitätsausleseelektroden (841 und 842) treten in Kontakt und modulieren die Steifheit der Gesamtzelle dahingehend, die erzeugte verwendbare Ist-Kraft und Kapazitätsänderung (zur Erfassung) bei dem angelegten Betätigungsspannungssignal abzustimmen. Da es ein piezoelektrisches Betätigungssystem ist, können die piezoelektrischen Materialschichten 26''1 und/oder 26''2 dahingehend gestaltet sein, sich je nach Gestaltungsanforderungen auch zusammenzuziehen.In other words shows 10b an exemplary bimorph base cell configuration based on an actuator principle of piezoelectric bending and fully insulated electrodes for contact formation and evolution for the possibility of capacitive sensing in a top view for a planar bend or in a side view for an extra-planar bend. The exemplary bimorph base cell configuration is based on the actuator principle of piezoelectric bending and fully isolated electrodes for contact formation and evolution to enable capacitive sensing in the electrostatic gap 38. The piezoelectric actuator electrodes (124 1 to 124 4 ) can be actuated to move using appropriate actuation voltages ( V1, V2) to bend in directions 14 1 or 14 2 . For example, when V1 is activated (V2 is off), the piezoelectric material (26'' 1 ) expands (due to the piezoelectric effect) and, for contact formation and evolution, the electrode 84 1 moves toward 34 1 while 84 2 moves (in directions 44 1 and 44 2 ) toward 34 2 (passive contraction). The capacitance readout electrodes (84 1 and 84 2 ) come into contact and modulate the stiffness of the overall cell to match the actual usable force and capacitance change generated (for detection) at the applied actuation voltage signal. Since it is a piezoelectric actuation system, the piezoelectric material layers 26" 1 and/or 26" 2 can be designed to also contract depending on design requirements.

10c zeigt eine schematische Ansicht eines mechanischen Systems 1003, das im Wesentlichen dem mechanischen System 1002 entsprechen kann, wobei anstelle eines piezoelektrischen Materials ein dielektrisches Elastomermaterial in den Biegeelementen 26'''1 und 26'''2 angeordnet ist. 10c shows a schematic view of a mechanical system 100 3 , which may substantially correspond to the mechanical system 100 2 , wherein instead of a piezoelectric material, a dielectric elastomer material is arranged in the bending elements 26''' 1 and 26''' 2 .

Mit anderen Worten zeigt 10c eine beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration auf der Basis eines Aktorprinzips einer Biegung eines dielektrischen Elastomers und vollständig isolierten Elektroden zur Kontaktbildung und -evolution zur Möglichkeit kapazitiver Erfassung in einer Draufsicht für eine planare Biegung bzw. in einer Seitenansicht für eine außerplanare Biegung. Die beispielhafte bimorphe Basiszellenkonfiguration basiert auf einem Aktorprinzip einer Biegung eines dielektrischen Elastomers und auf vollständig isolierten Elektroden zur Kontaktbildung und -evolution zur Möglichkeit kapazitiver Erfassung in dem elektrostatischen Zwischenraum 38. Die DEA-Elektroden (1241 bis 1244) können betätigt werden, um sich unter Verwendung entsprechender Betätigungsspannungen (V1, V2) in den Richtungen 141 bzw. 142 zu biegen. Wenn beispielsweise V1 aktiviert ist (V2 ist aus), dehnt sich das dielektrische Elastomermaterial (26'''1) aus (je nach Betätigungsprinzip des dielektrischen Elastomers) und, zur Kontaktbildung und -evolution (in Richtungen 441 und 442), bewegen sich die Elektroden 841 in Richtung 341, während 842 sich in Richtung 342 bewegt (passive Zusammenziehung). Die Kapazitätsausleseelektroden (841, 842) treten in Kontakt und modulieren die Steifheit der Gesamtzelle dahingehend, die erzeugte verwendbare Ist-Kraft und Kapazitätsänderung (zur Erfassung) bei dem angelegten Betätigungsspannungssignal abzustimmen.In other words shows 10c an exemplary bimorph base cell configuration based on an actuator principle of bending a dielectric elastomer and fully insulated electrodes for contact formation and evolution for the possibility of capacitive sensing in a top view for a planar bend or in a side view for an extra-planar bend. The exemplary bimorph base cell configuration is based on an actuator principle of bending a dielectric elastomer and on fully insulated electrodes for contact formation and evolution to enable capacitive sensing in the electrosta table gap 38. The DEA electrodes (124 1 to 124 4 ) can be actuated to bend in the directions 14 1 and 14 2 , respectively, using appropriate actuation voltages (V1, V2). For example, when V1 is activated (V2 is off), the dielectric elastomer material (26''' 1 ) expands (depending on the actuation principle of the dielectric elastomer) and moves for contact formation and evolution (in directions 44 1 and 44 2 ). the electrodes 84 1 move in the direction of 34 1 while 84 2 moves in the direction of 34 2 (passive contraction). The capacitance readout electrodes (84 1 , 84 2 ) come into contact and modulate the stiffness of the overall cell to match the generated usable actual force and capacitance change (for detection) at the applied actuation voltage signal.

Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele ermöglichen es, einen ersten nichtlinearen Beitrag einer Auslenkung, bereitgestellt durch die Biegewandlerstruktur, mit einem zweiten nichtlinearen Beitrag, bereitgestellt durch eine Auslenkung der Anpassungsstruktur, zu kombinieren. Die Kombination des ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags und des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags kann implementiert werden, um im Vergleich zu dem ersten nichtlinearen Beitrag, wie beispielsweise in 6b, 6d und 6e in Kombination mit 6e gezeigt ist, für eine hohe Linearität zu sorgen.Embodiments described herein make it possible to combine a first nonlinear contribution of a deflection provided by the bending transducer structure with a second nonlinear contribution provided by a deflection of the adaptation structure. The combination of the first nonlinear mechanical stiffness contribution and the second nonlinear mechanical stiffness contribution can be implemented to compare to the first nonlinear contribution, such as in 6b , 6d and 6e in combination with 6e is shown to ensure high linearity.

Hierin beschriebene mechanische Systeme weisen die Biegewandlerstruktur auf, um eine elektrostatische Konfiguration, eine piezoelektrische Konfiguration, eine elektrothermische Konfiguration und/oder eine elektroaktive Polymerkonfiguration aufzuweisen. Wie aus 10a, 10b und 10c ableitbar ist, kann die Implementierung der Biegewandlerstruktur auf eine der hierin beschriebenen Konfigurationen auf jegliche Struktur des hierin beschriebenen mechanischen Systems angewendet werden. Das heißt, die mechanischen Systeme, die hierin in Verbindung mit einer elektrostatischen oder elektrodynamischen Konfiguration beschrieben sind, können ohne Schwierigkeiten mit anderen Konfigurationen von Aktor-/Sensor-Prinzipien implementiert werden. Hierin beschriebene elektrostatische Konfigurationen beziehen sich auf eine Kombination von Elektrodenstrukturen. Ob diese Strukturen dazu verwendet werden, auf elektrostatische oder elektrodynamische Weise angeregt zu werden, kann eine Frage der Ausführung sein.Mechanical systems described herein include the flexural transducer structure to have an electrostatic configuration, a piezoelectric configuration, an electrothermal configuration, and/or an electroactive polymer configuration. How out 10a , 10b and 10c As can be derived, the implementation of the bending transducer structure to any of the configurations described herein may be applied to any structure of the mechanical system described herein. That is, the mechanical systems described herein in connection with an electrostatic or electrodynamic configuration can be easily implemented with other configurations of actuator/sensor principles. Electrostatic configurations described herein refer to a combination of electrode structures. Whether these structures are used to be excited in an electrostatic or electrodynamic manner may be a matter of implementation.

Einige hierin beschriebene Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein mechanisches System, das ein mikromechanisches System, MMS, insbesondere ein MEMS ist. Wie hierin beschrieben ist, kann die Biegewandlerstruktur angepasst sein zum Bereitstellen der Biegung planar in Bezug auf eine Schichtanordnung oder außerplanar in Bezug auf eine Schichtanordnung.Some embodiments described herein relate to a mechanical system, which is a micromechanical system, MMS, in particular a MEMS. As described herein, the bending transducer structure may be adapted to provide the bending planar with respect to a layer arrangement or out-of-planar with respect to a layer arrangement.

Wie beispielsweise in 2b-2e gezeigt ist, kann ein hierin beschriebenes mechanisches System gemäß Ausführungsbeispielen mehrere Zellen aufweisen, die mechanisch in Reihe angeordnet sind, wobei jede Zelle gemäß hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen konfiguriert ist. Zellen können dahingehend gebildet sein, gleich oder ähnlich zu sein, dies ist jedoch nicht erforderlich.Like for example in 2b-2e As shown, a mechanical system described herein may include multiple cells arranged mechanically in series, with each cell configured in accordance with embodiments described herein. Cells can be designed to be the same or similar, but this is not necessary.

Das grundlegende Konzept zum Entgegenwirken einer Nichtlinearität in einer Wandlersystemantwort unter Verwendung einer nichtlinearen mechanischen Versteifung ist durch den Stand der Technik und die Veröffentlichungen [1-5] bekannt. Jedoch sind die meisten dieser Lösungen stark gestaltungsspezifisch mit einem eingeschränkten Anwendungsumfang und limitierten Leistungsniveau. Beispielsweise leiden die Biegewandlersysteme, die auf eine nichtlineare Versteifung durch Kontaktbildung und Kontaktevolution setzen, beispielsweise Reißverschlussaktoren auf der Basis elektrostatischer Betätigung, für gewöhnlich unter Bewegungshysterese aufgrund von Kontaktbildung und -bruch [4, 6-9], elektrostatischen Anziehungsinstabilitäten [4, 6-8], Haftreibungsproblemen, abrupter Antwortänderung [6, 8, 10], einer Gestaltung, die notwendigerweise auf komplizierter Eigenbeanspruchungsbearbeitung basiert [7], dedizierten Anforderungen an externe Strukturen [1-3, 5, 11], usw.The basic concept of counteracting nonlinearity in a transducer system response using a nonlinear mechanical stiffener is known from the prior art and publications [1-5]. However, most of these solutions are highly design specific with a limited scope of application and limited performance level. For example, the bending transducer systems that rely on nonlinear stiffening through contact formation and contact evolution, such as zipper actuators based on electrostatic actuation, usually suffer from motion hysteresis due to contact formation and breakage [4, 6-9], electrostatic attraction instabilities [4, 6-8 ], static friction problems, abrupt response change [6, 8, 10], a design necessarily based on complicated self-stress processing [7], dedicated requirements for external structures [1-3, 5, 11], etc.

In den meisten der Reißverschluss-Konfigurationen wird eine direkte Spitzenauslenkung oder -bewegung eines bestimmten strukturellen Bereichs anstelle einer Biegekrümmung der gesamten Geometrie der Zelle/Komponente verwendet. Eine simultane Modulation/Linearisierung der unterschiedlichen Antworten des Systems (Biegekrümmung, Biegemoment, bereitstellbare Kraft, Kapazitätsänderung, Bewegungsauflösung, Frequenzantwort, usw.) bei Betätigungssignal in solchen Konfigurationen ist schwierig (meistens werden eine oder zwei Antworten in einer bestimmten Gestaltung moduliert). Außerdem zeigen elektrostatische Reißverschlussaktoren Anziehungsinstabilitäten, die die Steuerung derselben zu einer Herausforderung machen [12].In most of the zipper configurations, direct tip deflection or movement of a specific structural area is used instead of bending curvature of the entire geometry of the cell/component. Simultaneous modulation/linearization of the system's different responses (bending curvature, bending moment, available force, capacitance change, motion resolution, frequency response, etc.) upon actuation signal in such configurations is difficult (most often one or two responses are modulated in a particular design). Furthermore, electrostatic zipper actuators exhibit attraction instabilities that make controlling them challenging [12].

Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine gewünschte kostengünstige Anwendung (ungefähr 20 Ansprüche). Die möglichen Anspruchspunkte lauten wie folgt:

  • • Ein Aktor- und/oder Sensor-Mechanismus mit Steifheitsmodulation auf der Basis einer elementaren Gestaltung bei angelegtem Betätigungssignal in der Richtung der Biegung/Bewegung, um einer Nichtlinearität in der Antwort der Zelle entgegenzuwirken und/oder zur linearen / nichtlinearen Last. Eine Biegung einer gesamten Zelle wird in Bezug auf die neutrale Faser der elementaren Zelle verwendet.
  • • Steifheitsmodulation über Kontaktbildung und ihre Evolution auf der Basis einer Isolator/Dielektrikum-Schicht in dem elektrostatischen Zwischenraum (für elektrostatischen Aktor/kapazitives Auslesen) mit Zellbiegung bei Betätigung.
  • • Isolationsschicht und/oder Elektrodenkonfigurationen in dem elektrostatischen Zwischenraum (zentriert, ALD-beschichtet, usw.) können dazu verwendet werden, das Auftreten von Kontaktbildung und ihre Evolution bei Betätigungssignal zu modulieren, bevor eine Kontaktierung einer gesamten reißverschlussfähigen Elektrodenlänge oder eine Durchschlagspannung der Isolatorschicht erreicht wird.
  • • Elementare Gestaltung auf Basis der Steifheit von Elektroden und/oder Isolator, um Kontaktbildung vor einer Anziehung von Elektroden für einen kontinuierlichen reibungslosen Übergang zu einer linearisierten Zellantwort oder einer Zellantwort mit Nichtlinearität einer reduzierten Größenordnung zu ermöglichen. Alternativ kann auch ein plötzlicher Übergang mit der Nutzung einer Anziehung hergestellt werden.
  • • Die kontaktbasierten Konzepte in elektrostatischen Zwischenräumen ermöglichen eine Betätigung und eine Bewegung über Anziehungsspannungen von Elektroden hinweg, eine Erhöhung einer erreichbaren Gesamtkrümmung (bei einer gegebenen Spannung aufgrund von einer höheren relativen Permittivität, insbesondere nützlich im Fall eines Mindestluftzwischenraums aufgrund einer Produktionsbeschränkung).
  • • Haftreibungseffekt kann mit Folgendem entgegengewirkt werden: erhöhte Oberflächenrauheit von Kontaktoberflächen (z. B. Wölbungen), strukturierte Elektrodenoberflächen (Kontaktstellen, usw.) zum Reduzieren einer effektiven Kontaktfläche, Strukturierung von Isolator/Dielektrikum-Material (minimiertes Volumen, minimierte Materialschnittstellen, usw.), um Kontaktfläche zu reduzieren, und zurückgehaltene elektrostatische Aufladungen, und/oder durch ALD-basierte Antihaftreibungsbeschichtung (z. B. FDTS).
  • • Versteifung einer Zelle bei Betätigung durch Verwendung von Federn / Biegesystemen - mit Kontaktbildung außerhalb des elektrostatischen Zwischenraums.
  • • Versteifung einer Zelle bei Betätigung durch Verwendung von Federn / Biegesystemen - ohne Kontaktbildung.
  • • Biegesystem in Zellgestaltung mit Rückkopplung einer Biegebewegung auf Basis mechanischer Kopplung zur Verformung von Elektroden - um Steifheit zu erhöhen sowie lokalisierte Reduzierung des elektrostatischen Zwischenraums einzuschränken, insbesondere an den Punkten höchster Elektrodenbiegung/-verformung.
  • • Versteifung auf der Basis von Komplementierung von Biegeabschnitt auf gegenüberliegender Seite in der Zelle (kann aktiv oder inaktiv auf der Basis der Gestaltung abgestimmt werden).
  • • Nutzung mehrerer Isolatorschichten in dem elektrostatischen Zwischenraum für kontaktbasierte Versteifungsfunktionsweisen mit unterschiedlichen Kontaktbildungsmöglichkeiten, z. B. Isolator-Isolator/Elektrode-Isolator-Elektrode, usw.
  • • Nutzung mehrerer beschichteter Zellelektroden mit Luftzwischenräumen für biege- und/oder kontaktbasierte Versteifungsmöglichkeiten.
  • • Das Konzept ist auch anwendbar auf unterschiedliche Zellgeometrien, Betätigungsprinzipien, und Kombinationen unterschiedlicher steifheitserhöhender Verfahren, die in der Erfindung dargelegt werden, sind möglich.
Some embodiments relate to a desired low-cost application (approximately 20 claims). The possible claims are as follows:
  • • An actuator and/or sensor mechanism with stiffness modulation based on an elementary design with an actuation signal applied in the direction of bending/movement to counteract non-linearity in the response of the cell and/or to linear/non-linear load. A bend in a total th cell is used in reference to the neutral fiber of the elementary cell.
  • • Stiffness modulation via contact formation and its evolution based on an insulator/dielectric layer in the electrostatic gap (for electrostatic actuator/capacitive readout) with cell bending upon actuation.
  • • Insulation layer and/or electrode configurations in the electrostatic gap (centered, ALD coated, etc.) can be used to modulate the occurrence of contact formation and its evolution upon actuation signal before contacting a full length of zip-able electrode or reaching a breakdown voltage of the insulator layer becomes.
  • • Elementary design based on electrode and/or insulator stiffness to allow contact formation prior to electrode attraction for a continuous smooth transition to a linearized cell response or a cell response with nonlinearity of a reduced magnitude. Alternatively, a sudden transition can be made using attraction.
  • • The contact based concepts in electrostatic gaps allow actuation and movement across attractive voltages of electrodes, increasing achievable total curvature (at a given voltage due to higher relative permittivity, particularly useful in the case of a minimum air gap due to a production limitation).
  • • Stiction effect can be counteracted with the following: increased surface roughness of contact surfaces (e.g. bulges), structured electrode surfaces (contact points, etc.) to reduce an effective contact area, structuring of insulator/dielectric material (minimized volume, minimized material interfaces, etc. ), to reduce contact area and retained electrostatic charges, and/or through ALD-based anti-friction coating (e.g. FDTS).
  • • Stiffening of a cell during actuation by using springs / bending systems - with contact formation outside the electrostatic gap.
  • • Stiffening of a cell during actuation through the use of springs / bending systems - without contact formation.
  • • Cell design bending system with feedback of bending motion based on mechanical coupling to deform electrodes - to increase stiffness as well as limit localized reduction in electrostatic gap, particularly at the points of highest electrode bending/deformation.
  • • Stiffening based on complementation of bending section on opposite side in cell (can be tuned actively or inactively based on design).
  • • Use of multiple insulator layers in the electrostatic gap for contact-based stiffening functionality with different contact formation options, e.g. B. Insulator-insulator/electrode-insulator-electrode, etc.
  • • Use of multiple coated cell electrodes with air gaps for bending and/or contact-based stiffening options.
  • • The concept is also applicable to different cell geometries, actuation principles, and combinations of different stiffness-increasing methods set forth in the invention are possible.

Obwohl einige Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben worden sind, ist es ersichtlich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wobei ein Block oder eine Vorrichtung einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschritts entsprechen. Analog dazu stellen Aspekte, die in dem Kontext eines Verfahrensschritts beschrieben worden sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Elements oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung bereit.Although some aspects have been described in the context of a device, it will be appreciated that these aspects also represent a description of the corresponding method, where a block or device corresponds to a method step or a feature of a method step. Similarly, aspects that have been described in the context of a method step also provide a description of a corresponding block or element or feature of a corresponding device.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich veranschaulichend für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung. Es ist ersichtlich, dass Modifizierungen und Variationen der Anordnungen und der Details, die hierin beschrieben sind, Fachleuten ersichtlich sind. Es ist ferner beabsichtigt, dass dieselben lediglich durch den Umfang der beigefügten Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Details, die mittels der Beschreibung und Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin dargelegt werden, einzuschränken sind.The embodiments described above are merely illustrative of the principles of the present invention. It will be appreciated that modifications and variations of the arrangements and details described herein will occur to those skilled in the art. It is further intended that they be limited only by the scope of the appended claims and not by the specific details set forth by way of the description and explanation of the exemplary embodiments herein.

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Claims (43)

Ein mechanisches System, das folgende Merkmale aufweist: eine Biegewandlerstruktur (12), die konfiguriert ist zum Bereitstellen einer Biegung ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal (16) und/oder zum Bereitstellen eines elektrischen Signals (16) ansprechend auf eine angewendete äußere Kraft (F), die die Biegung verursacht, wobei eine strukturelle Steifheit (52) der Biegewandlerstruktur (12) für einen ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag der Biegung sorgt; eine Anpassungsstruktur (18), die durch mechanische Kopplung mechanisch an die Biegewandlerstruktur (12) gekoppelt ist, um gemeinsam mit der Biegung eine Anpassungsverformung bereitzustellen, wobei eine strukturelle Steifheit (52) der Anpassungsstruktur (18) für einen zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag zu der Biegung auf der Basis der mechanischen Kopplung bei der Verformung sorgt.A mechanical system that has the following features: a bending transducer structure (12) configured to provide a bend in response to an applied electrical signal (16) and/or to provide an electrical signal (16) in response to an applied external force (F) causing the bend, wherein a structural stiffness (52) of the bending transducer structure (12) provides a first nonlinear mechanical stiffness contribution to the bend; an adjustment structure (18) mechanically coupled to the bending transducer structure (12) by mechanical coupling to provide an adjustment deformation together with the bend, wherein a structural stiffness (52) of the adjustment structure (18) for a second nonlinear mechanical stiffness contribution to the bending based on the mechanical coupling during deformation. Das mechanische System gemäß Anspruch 1, wobei die mechanische Kopplung angepasst ist zum Kombinieren des ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags und des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags, um die Biegung der Biegewandlerstruktur (12) auf der Basis einer Kombination des ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags und des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags zu erhalten.The mechanical system according to Claim 1 , wherein the mechanical coupling is adapted to combine the first nonlinear mechanical stiffness contribution and the second nonlinear mechanical stiffness contribution to control the bending of the bending transducer structure (12) based on a combination of the first nonlinear mechanical stiffness contribution and the to obtain the second nonlinear mechanical stiffness contribution. Das mechanische System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer des ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag und des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags auf einem mechanischen Kontakt zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element des mechanischen Systems basiert, wobei der mechanische Kontakt für eine veränderliche Größe mechanischer Kräfte sorgt, die auf die Biegewandlerstruktur (12) und/oder die Anpassungsstruktur (18) bei einer Erhöhung einer Biegeamplitude wirken.The mechanical system according to any one of the preceding claims, wherein at least one of the first nonlinear mechanical stiffness contribution and the second nonlinear mechanical stiffness contribution is based on a mechanical contact between a first element and a second element of the mechanical system, the mechanical contact ensures a variable magnitude of mechanical forces that act on the bending transducer structure (12) and / or the adaptation structure (18) when a bending amplitude increases. Das mechanische System gemäß Anspruch 3, das dazu konfiguriert ist, den mechanischen Kontakt zwischen der Biegewandlerstruktur (12) und der Anpassungsstruktur (18) bereitzustellen, wobei die Biegewandlerstruktur (12) und die Anpassungsstruktur (18) so angeordnet sind, dass sie eine Kontaktfläche zwischen einander bei einer Zunahme der Biegung der Biegewandlerstruktur (12) vergrößern, wobei die Kontaktfläche zwischen einem aus Folgendem gebildet ist: • der Anpassungsstruktur (18) und der Biegewandlerstruktur; • einem ersten Element der Anpassungsstruktur (18), das mit dem ersten Element der Biegewandlerstruktur (12) verbunden ist; und einem zweiten Element der Anpassungsstruktur (18), das mit dem zweiten Element der Biegewandlerstruktur verbunden ist.The mechanical system according to Claim 3 configured to provide mechanical contact between the flexure transducer structure (12) and the accommodation structure (18), the flexural transducer structure (12) and the accommodation structure (18) being arranged to provide a contact area between each other upon an increase in flexure increase the bending transducer structure (12), the contact surface being formed between one of: • the adapting structure (18) and the bending transducer structure; • a first element of the adaptation structure (18) connected to the first element of the bending transducer structure (12); and a second element of the adjustment structure (18) connected to the second element of the bending transducer structure. Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei in einem nicht-ausgelenkten Zustand der Biegewandlerstruktur (12) eine erste neutrale Achse des ersten Biegeelements im Wesentlichen parallel zu einer zweiten neutralen Achse des zweiten Biegeelements ist; oder wobei in einem nicht-ausgelenkten Zustand des Biegewandlersystems eine erste Oberfläche des ersten Biegeelements, die auf das zweite Biegeelement zeigt, im Wesentlichen parallel zu einer zweiten Oberfläche des zweiten Biegeelements ist, die auf das erste Biegeelement zeigt.The mechanical system according to one of the Claims 3 until 4 , wherein in a non-deflected state of the bending transducer structure (12), a first neutral axis of the first bending element is substantially parallel to a second neutral axis of the second bending element; or wherein in a non-deflected state of the bending transducer system, a first surface of the first bending element pointing towards the second bending element is substantially parallel to a second surface of the second bending element pointing towards the first bending element. Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine unterbrochene Struktur aufweist, die zwischen dem ersten Biegeelement und dem zweiten Biegeelement angeordnet ist.The mechanical system according to one of the Claims 2 until 5 , wherein the adaptation structure (18) has an interrupted structure which is arranged between the first bending element and the second bending element. Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Anpassungsstruktur (18) ein dielektrisches Material aufweist; wobei die Anpassungsstruktur konfiguriert ist zum Kontaktieren von zumindest zwei Elementen der Biegewandlerstruktur (12) und zum Isolieren derselben voneinander auf der Basis der Biegung.The mechanical system according to one of the Claims 3 until 6 , wherein the adaptation structure (18) comprises a dielectric material; wherein the matching structure is configured to contact at least two elements of the bending transducer structure (12) and to isolate them from each other based on the bending. Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine geschichtete Struktur aufweist, die planar zwischen dem ersten Biegeelement und dem zweiten Biegeelement angeordnet ist.The mechanical system according to one of the Claims 3 until 7 , wherein the adaptation structure (18) has a layered structure which is arranged in a planar manner between the first bending element and the second bending element. Das mechanische System gemäß Anspruch 8, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine Mehrzahl von Schichten aufweist, die einen Zwischenraum (383) zwischen benachbarten Schichten aufweisen, der in einem ausgelenkten Zustand der Biegewandlerstruktur (12) teilweise geschlossen ist.The mechanical system according to Claim 8 , wherein the adaptation structure (18) has a plurality of layers which have a gap (383) between adjacent layers which is partially closed in a deflected state of the bending transducer structure (12). Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Anpassungsstruktur (18) einen veränderlichen Abstand zu zumindest einem Biegeelement (261, 262) der Biegewandlerstruktur (12) aufweist.The mechanical system according to one of the Claims 3 until 9 , wherein the adaptation structure (18) has a variable distance from at least one bending element (26 1 , 26 2 ) of the bending transducer structure (12). Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 3 bis 10, wobei in einem Zwischenraum (38) zwischen dem einen Biegeelement (261) und einem zweiten Biegeelement (262) eine Nutstruktur (58) und eine gegenüberliegende Federstruktur (62) angeordnet sind; wobei die Nutstruktur und die Federstruktur einen mechanischen Kontakt in einem ausgelenkten Zustand des mechanischen Systems bilden und eine relative Bewegung der Federstruktur (62) und der Nutstruktur relativ zueinander entlang einer Richtung senkrecht zu einer Biegerichtung (14) der Biegewandlerstruktur (12) verhindern.The mechanical system according to one of the Claims 3 until 10 , wherein a groove structure (58) and an opposite spring structure (62) are arranged in an intermediate space (38) between the one bending element (26 1 ) and a second bending element (26 2 ); wherein the groove structure and the spring structure form a mechanical contact in a deflected state of the mechanical system and a relative movement of the Prevent spring structure (62) and the groove structure relative to each other along a direction perpendicular to a bending direction (14) of the bending transducer structure (12). Das mechanische System gemäß Anspruch 11, wobei die Anpassungsstruktur (18) Verbindungselemente (64) zwischen benachbarten Nutstrukturen (58) aufweisen, die ein leitfähiges oder isolierendes Material aufweisen.The mechanical system according to Claim 11 , wherein the adaptation structure (18) has connecting elements (64) between adjacent groove structures (58) which have a conductive or insulating material. Das mechanische System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassungsstruktur (18) zumindest teilweise zwischen einem ersten Abschnitt der Biegewandlerstruktur (12) und einem zweiten Abschnitt der Biegewandlerstruktur (12) entlang einer Biegerichtung (14) der Biegewandlerstruktur angeordnet ist.The mechanical system according to one of the preceding claims, wherein the adaptation structure (18) is at least partially arranged between a first section of the bending transducer structure (12) and a second section of the bending transducer structure (12) along a bending direction (14) of the bending transducer structure. Das mechanische System gemäß Anspruch 13, wobei die Biegewandlerstruktur (12) zumindest zwei Biegeelemente (261, 262) aufweist, die mechanisch parallel gekoppelt sind und einen Zwischenraum (38) mit einem benachbarten Biegeelement der Biegewandlerstruktur (12) bilden, wobei zumindest ein Teil der Anpassungsstruktur (18) in dem Zwischenraum (38) angeordnet ist und über den mechanischen Kontakt mechanisch parallel an die benachbarten Biegeelemente gekoppelt ist; wobei die Biegung der Biegewandlerstruktur einen mechanischen Kontakt zwischen der Anpassungsstruktur (18) und zumindest einem der benachbarten Biegeelemente in dem Zwischenraum verursacht.The mechanical system according to Claim 13 , wherein the bending transducer structure (12) has at least two bending elements (26 1 , 26 2 ), which are mechanically coupled in parallel and form an intermediate space (38) with an adjacent bending element of the bending transducer structure (12), at least part of the adaptation structure (18) is arranged in the intermediate space (38) and is mechanically coupled in parallel to the adjacent bending elements via the mechanical contact; wherein bending of the bending transducer structure causes mechanical contact between the conforming structure (18) and at least one of the adjacent bending elements in the gap. Das mechanische System gemäß Anspruch 14, das zumindest drei Biegeelemente aufweist, die mechanisch parallel gekoppelt sind, um zumindest einen ersten Zwischenraum zwischen einem ersten Biegeelement und einem zweiten Biegeelement zu bilden und einen zweiten Zwischenraum zwischen dem zweiten Biegeelement und einem dritten Biegeelement zu bilden; wobei ein erster Teil der Anpassungsstruktur (18) in dem ersten Zwischenraum angeordnet ist, um einen ersten Kontakt zu bilden, und ein zweiter Teil der Anpassungsstruktur (18) in dem zweiten Zwischenraum angeordnet ist, um einen zweiten Kontakt zu bilden.The mechanical system according to Claim 14 , comprising at least three flexure elements mechanically coupled in parallel to form at least a first gap between a first flexure element and a second flexure element and to form a second gap between the second flexure element and a third flexure element; wherein a first part of the matching structure (18) is arranged in the first gap to form a first contact, and a second part of the matching structure (18) is arranged in the second gap to form a second contact. Das mechanische System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Biegewandlerstruktur (12) einen ersten Wandlerabschnitt und einen zweiten gegenüberliegenden Wandlerabschnitt aufweist, wobei der erste Wandlerabschnitt und der zweite Wandlerabschnitt in Bezug auf einen mittleren Bereich zwischen dem ersten Wandlerabschnitt und dem zweiten Wandlerabschnitt konvex gebildet sind, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine Biegebalkenstruktur aufweist, die mechanisch parallel an den ersten Wandlerabschnitt und den zweiten Wandlerabschnitt gekoppelt ist und zwischen den ersten Wandlerabschnitt und den zweiten Wandlerabschnitt gekoppelt ist.The mechanical system according to any one of the preceding claims, wherein the flexural transducer structure (12) comprises a first transducer section and a second opposed transducer section, the first transducer section and the second transducer section being formed convexly with respect to a central region between the first transducer section and the second transducer section , wherein the adjustment structure (18) comprises a bending beam structure that is mechanically coupled in parallel to the first transducer section and the second transducer section and is coupled between the first transducer section and the second transducer section. Das mechanische System gemäß Anspruch 16, wobei die Biegebalkenstruktur der Anpassungsstruktur (18) eine lokale Versteifung in einem mittleren Bereich der Biegebalkenstruktur aufweist.The mechanical system according to Claim 16 , wherein the bending beam structure of the adaptation structure (18) has a local stiffening in a central region of the bending beam structure. Das mechanische System gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine Elektrodenstruktur mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einem Isoliermaterial dazwischen aufweist, wobei die Elektrodenstruktur zumindest einen Teil der Biegebalkenstruktur bildet; wobei die Anpassungsverformung zu einer Verformung der Elektrodenstruktur führt; wobei das mechanische System angepasst ist zum Bereitstellen eines elektrischen Signals (16) entsprechend der Anpassungsverformung.The mechanical system according to Claim 16 or 17 , wherein the matching structure (18) comprises an electrode structure having a first electrode, a second electrode and an insulating material therebetween, the electrode structure forming at least a part of the flexural beam structure; wherein the conforming deformation results in deformation of the electrode structure; wherein the mechanical system is adapted to provide an electrical signal (16) corresponding to the adaptation deformation. Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei der erste Wandlerabschnitt (12a) und der zweite Wandlerabschnitt (12b) symmetrisch oder asymmetrisch in Bezug aufeinander angeordnet sind.The mechanical system according to one of the Claims 16 until 18 , wherein the first transducer section (12a) and the second transducer section (12b) are arranged symmetrically or asymmetrically with respect to one another. Das mechanische System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Anpassungsstruktur (18) zumindest teilweise außerhalb eines Volumens (24) angeordnet ist, das von äußeren Seiten der Biegewandlerstruktur (12) umschlossen ist.The mechanical system according to any preceding claim, wherein the adjustment structure (18) is located at least partially outside a volume (24) enclosed by outer sides of the flexural transducer structure (12). Das mechanische System gemäß Anspruch 20, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine erste Biegebalkenstruktur (841) und eine zweite benachbarte Biegebalkenstruktur (842) aufweist, wobei beide Enden (86) derselben mit der Biegewandlerstruktur verbunden sind; wobei die Anpassungsstruktur (18) konfiguriert ist zum Bereitstellen der Anpassungsbildung als eine Biegung der ersten Biegebalkenstruktur (841) und der zweiten Biegebalkenstruktur (842), wobei während der Biegung der Biegewandlerstruktur (12) die Anpassungsstruktur (18) konfiguriert ist zum Bilden eines Kontakts zwischen der ersten Biegebalkenstruktur (841) und der zweiten Biegebalkenstruktur (842) in einer Kontaktfläche (22), die mit einer Zunahme einer Biegeamplitude der Biegewandlerstruktur (12) zunimmt.The mechanical system according to Claim 20 , wherein the adjustment structure (18) comprises a first bending beam structure (84 1 ) and a second adjacent bending beam structure (84 2 ), both ends (86) thereof being connected to the bending transducer structure; wherein the adjustment structure (18) is configured to provide adjustment formation as a bend of the first bending beam structure (84 1 ) and the second bending beam structure (84 2 ), wherein during bending of the bending transducer structure (12), the adjustment structure (18) is configured to form a Contact between the first bending beam structure (84 1 ) and the second bending beam structure (84 2 ) in a contact surface (22), which increases with an increase in a bending amplitude of the bending transducer structure (12). Das mechanische System gemäß Anspruch 20 oder 21, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine erste Biegebalkenstruktur (841), eine zweite Biegebalkenstruktur, die in Reihe zu der ersten Biegebalkenstruktur (841) angeordnet ist, und eine Federstruktur aufweist, die zwischen der ersten Biegebalkenstruktur (841) und der zweiten Biegebalkenstruktur angeordnet ist, wobei die Federstruktur (96; 102) dazu angepasst ist, einen Abstand zu der Biegewandlerstruktur (12) in einem nicht-ausgelenkten Zustand des mechanischen Systems lokal zu verringern; wobei die Federstruktur (96; 102) eine linearisierte Federeigenschaft aufweist und angeordnet ist, um einen mechanischen Kontakt zu der Biegewandlerstruktur (12) oder zu einer anderen Biegebalkenstruktur der Anpassungsstruktur (18) zu bilden, um für den zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag zu sorgen.The mechanical system according to Claim 20 or 21 , wherein the adjustment structure (18) comprises a first bending beam structure (84 1 ), a second bending beam structure arranged in series with the first bending beam structure (84 1 ), and a spring structure arranged between the first bending beam structure (84 1 ) and the second Bending beam structure is arranged, wherein the spring structure (96; 102) is adapted to be at a distance from the bending transducer structure (12) in a non-deflected manner to locally reduce the state of the mechanical system; wherein the spring structure (96; 102) has a linearized spring characteristic and is arranged to form mechanical contact with the bending transducer structure (12) or with another bending beam structure of the adjustment structure (18) to provide for the second nonlinear mechanical stiffness contribution care for. Das mechanische System gemäß Anspruch 22, wobei die Federstruktur (96; 102) zwei Biegeelemente aufweist, die einander gegenüberliegen und an einem Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind; wobei die Federstruktur konfiguriert ist zum Vergrößern einer Kontaktfläche zwischen den zwei Biegeelementen mit einer Vergrößerung der Biegung der Biegewandlerstruktur (12).The mechanical system according to Claim 22 , wherein the spring structure (96; 102) has two flexural elements which face one another and are connected to one another at a connecting portion; wherein the spring structure is configured to increase a contact area between the two flexure elements with an increase in deflection of the flexure transducer structure (12). Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine Federstruktur (96; 102) aufweist, die mechanisch an der Biegewandlerstruktur (12) befestigt ist und an einem Substrat getragen wird, das die Biegewandlerstruktur (12) trägt.The mechanical system according to one of the Claims 20 until 23 , wherein the adjustment structure (18) comprises a spring structure (96; 102) that is mechanically attached to the bending transducer structure (12) and is supported on a substrate that supports the bending transducer structure (12). Das mechanische System gemäß Anspruch 24, wobei die Federstruktur (96; 102) eine Mehrzahl von geschichteten Biegebalkenstrukturen aufweist.The mechanical system according to Claim 24 , wherein the spring structure (96; 102) has a plurality of layered bending beam structures. Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 20 bis 23, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine Federstruktur (96; 102) aufweist, die mechanisch an der Biegewandlerstruktur (12) befestigt ist und von einer Biegebalkenstruktur getragen wird, die sich gemeinsam mit der Biegewandlerstruktur (12) biegt.The mechanical system according to one of the Claims 20 until 23 , wherein the adjustment structure (18) comprises a spring structure (96; 102) which is mechanically attached to the bending transducer structure (12) and is supported by a bending beam structure which bends in concert with the bending transducer structure (12). Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei die Biegewandlerstruktur ein leitfähiges Material aufweist, und wobei die Anpassungsstruktur (18) das leitfähige Material aufweist.The mechanical system according to one of the Claims 20 until 26 , wherein the bending transducer structure comprises a conductive material, and wherein the adaptation structure (18) comprises the conductive material. Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 20 bis 27, wobei die Anpassungsstruktur (18) eine Biegebalkenstruktur aufweist, die parallel an eine Biegebalkenstruktur der Biegewandlerstruktur (12) gekoppelt ist.The mechanical system according to one of the Claims 20 until 27 , wherein the adaptation structure (18) has a bending beam structure which is coupled in parallel to a bending beam structure of the bending transducer structure (12). Das mechanische System gemäß Anspruch 28, wobei die Biegebalkenstruktur zumindest eine lokale Versteifung oder eine lokale Schwächung zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende der Biegebalkenstruktur aufweist.The mechanical system according to Claim 28 , wherein the bending beam structure has at least one local stiffening or a local weakening between a first end and a second end of the bending beam structure. Das mechanische System gemäß Anspruch 28 oder 29, wobei die Biegewandlerstruktur (12) ein erstes Biegeelement und ein zweites Biegeelement (262) aufweist, das parallel an das erste Biegeelement (261) gekoppelt ist; wobei die Anpassungsstruktur (18) zumindest ein erstes Anpassungselement (181), das mechanisch parallel mit dem ersten Biegeelement (181) verbunden ist, während ein erster Zwischenraum gebildet wird; und zumindest ein zweites Anpassungselement (182) aufweist, das mechanisch parallel mit dem zweiten Biegeelement verbunden ist, während ein zweiter Zwischenraum (922) gebildet wird.The mechanical system according to Claim 28 or 29 , wherein the bending transducer structure (12) comprises a first bending element and a second bending element (26 2 ) coupled in parallel to the first bending element (26 1 ); wherein the adjustment structure (18) has at least a first adjustment element (18 1 ) mechanically connected in parallel to the first bending element (18 1 ) while forming a first gap; and at least a second adjustment element (18 2 ) mechanically connected in parallel to the second flexure element while forming a second gap (92 2 ). Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche, wobei der zweite nichtlineare Beitrag zumindest teilweise dem ersten nichtlinearen Beitrag entgegenwirkt, wobei die Kombination des ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags und des zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrags im Vergleich zu dem ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag eine höhere Linearität aufweist.The mechanical system according to one of the claims, wherein the second non-linear contribution at least partially counteracts the first non-linear contribution, the combination of the first non-linear mechanical stiffness contribution and the second non-linear mechanical stiffness contribution compared to the first non-linear mechanical stiffness -Contribution has a higher linearity. Das mechanische System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Biegewandlerstruktur (12) ein erstes Biegeelement (261) und ein zweites Biegeelement (262) aufweist, die an diskreten Positionen (118) aneinander befestigt sind, wobei sich entlang einer Biegerichtung (14), entlang der die Biegewandlerstruktur (12) dazu konfiguriert ist, die Biegung bereitzustellen, eine Steifheit des ersten Biegeelements (261) im Vergleich zu dem zweiten Biegeelement (262) unterscheidet.The mechanical system according to any one of the preceding claims, wherein the bending transducer structure (12) comprises a first bending element (26 1 ) and a second bending element (26 2 ) secured to one another at discrete positions (118) along a bending direction (14 ), along which the bending transducer structure (12) is configured to provide the bending, a stiffness of the first bending element (26 1 ) differs compared to the second bending element (26 2 ). Das mechanische System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem nicht-ausgelenkten Zustand des mechanischen Systems ein Biegeelement der Biegewandlerstruktur (12) einen gekrümmten oder kantigen Verlauf zwischen einem ersten Ende und einem zweiten Ende des Biegeelements aufweist, um eine Richtung der Biegung zu definieren.The mechanical system according to any one of the preceding claims, wherein in a non-deflected state of the mechanical system, a flexural element of the flexural transducer structure (12) has a curved or angular path between a first end and a second end of the flexural element to define a direction of bending . Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche, wobei die Biegewandlerstruktur (12) zumindest Folgendes aufweist: • eine elektrostatische oder elektrodynamische Konfiguration; • eine piezoelektrische Konfiguration; • eine elektrothermische Konfiguration; und/oder • eine elektroaktive Polymerkonfiguration.The mechanical system according to any one of claims, wherein the flexural transducer structure (12) comprises at least: • an electrostatic or electrodynamic configuration; • a piezoelectric configuration; • an electrothermal configuration; and or • an electroactive polymer configuration. Das mechanische System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Biegewandlerstruktur (12) konfiguriert ist zum Biegen ansprechend auf das angelegte elektrische Signal (16); wobei das mechanische System eine Steuereinheit aufweist, die konfiguriert ist zum Bereitstellen des elektrischen Signals (16).The mechanical system of any preceding claim, wherein the bending transducer structure (12) is configured to bend in response to the applied electrical signal (16); wherein the mechanical system includes a control unit configured to provide the electrical signal (16). Das mechanische System gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Biegewandlerstruktur (12) konfiguriert ist zum Bereitstellen des elektrischen Signals (16) ansprechend auf die angewendete äußere Kraft (F), die die Biegung verursacht; wobei das mechanische System eine Ausleseschaltung aufweist, die konfiguriert ist zum Bereitstellen des elektrischen Signals (16).The mechanical system according to any preceding claim, wherein the flexural transducer structure (12) is configured to provide the electrical signal (16) in response to the specified applied external force (F) causing the bend; wherein the mechanical system has a readout circuit configured to provide the electrical signal (16). Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche, wobei das mechanische System ein mikromechanisches System ist.The mechanical system according to any one of claims, wherein the mechanical system is a micromechanical system. Das mechanische System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 37, wobei die Biegewandlerstruktur (12) dazu angepasst ist, die Biegung in Bezug auf eine Schichtanordnung, die das mechanische System aufweist, planar bereitzustellen.The mechanical system according to one of the Claims 1 until 37 , wherein the bending transducer structure (12) is adapted to provide the bending in a planar manner with respect to a layer arrangement comprising the mechanical system. Das mechanische System gemäß der Ansprüche 1 bis 37, wobei die Biegewandlerstruktur (12) dazu angepasst ist, die Biegung in Bezug auf eine Schichtanordnung, die das mechanische System aufweist, außerplanar bereitzustellen.The mechanical system according to the Claims 1 until 37 , wherein the bending transducer structure (12) is adapted to provide the bending in an out-of-planar manner with respect to a layer arrangement comprising the mechanical system. Eine Mechanisches-System-Anordnung mit mehreren Zellen, die mechanisch in Reihe zueinander angeordnet sind, wobei jede Zelle gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche konfiguriert ist.A mechanical system arrangement having a plurality of cells arranged mechanically in series with one another, each cell being configured according to any one of the preceding claims. Ein mechanisches System, das folgende Merkmale aufweist: eine Biegewandlerstruktur (12), die konfiguriert ist zum nichtlinearen Verformen auf der Basis einer Biegung ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal (16) und/oder zum nichtlinearen Bereitstellen eines elektrischen Signals (16) ansprechend auf eine angewendete äußere Kraft (F), die die Biegung verursacht, eine Anpassungsstruktur (18), die mechanisch mit der Biegewandlerstruktur (12) gekoppelt ist; wobei die Biegung und eine Verformung der Anpassungsstruktur (18) in kausaler Korrelation stehen, wobei die Verformung der Anpassungsstruktur (18) für eine nichtlineare Kraft für die Biegewandlerstruktur (12) sorgt, die die Größenordnung einer Nichtlinearität in einer Gesamtantwort des mechanischen Systems reduziert.A mechanical system that has the following features: a bending transducer structure (12) configured to non-linearly deform based on bending in response to an applied electrical signal (16) and/or to non-linearly provide an electrical signal (16) in response to an applied external force (F) which is the bending causes an adjustment structure (18) mechanically coupled to the bending transducer structure (12); wherein the bending and a deformation of the adaptation structure (18) are causally correlated, the deformation of the adaptation structure (18) providing a nonlinear force for the bending transducer structure (12) that reduces the magnitude of a nonlinearity in an overall response of the mechanical system. Verfahren zum Bereitstellen eines mechanischen Systems, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Biegewandlerstruktur (12) derart, dass dieselbe konfiguriert ist zum Bereitstellen einer Biegung ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal (16) und/oder zum Bereitstellen eines elektrischen Signals (16) ansprechend auf eine angewendete äußere Kraft (F), die die Biegung verursacht, so dass eine strukturelle Steifheit (52) der Biegewandlerstruktur für einen ersten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag der Biegung sorgt; mechanisches Koppeln einer Anpassungsstruktur (18) auf mechanische Weise an die Biegewandlerstruktur (12), um eine Anpassungsverformung zusammen mit der Biegung bereitzustellen, so dass eine strukturelle Steifheit (52) der Anpassungsstruktur (18) für einen zweiten nichtlinearen Mechanische-Steifheit-Beitrag zu der Biegung auf der Basis der mechanischen Kopplung bei Verformung sorgt.Method for providing a mechanical system, the method comprising the following steps: Providing a bending transducer structure (12) such that it is configured to provide a bend in response to an applied electrical signal (16) and/or to provide an electrical signal (16) in response to an applied external force (F) causing the bend , such that a structural stiffness (52) of the bending transducer structure provides a first nonlinear mechanical stiffness contribution of the bend; mechanically coupling an accommodating structure (18) to the bending transducer structure (12) to provide accommodating deformation along with the bending, such that a structural stiffness (52) of the accommodating structure (18) provides a second nonlinear mechanical stiffness contribution to the Bending based on mechanical coupling when deformed. Verfahren zum Bereitstellen eines mechanischen Systems, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Biegewandlerstruktur (12) derart, dass dieselbe konfiguriert ist zum nichtlinearen Verformen auf der Basis einer Biegung ansprechend auf ein angelegtes elektrisches Signal (16) und/oder zum nichtlinearen Bereitstellen eines elektrischen Signals (16) ansprechend auf eine angewendete äußere Kraft (F), die die Biegung verursacht, mechanisches Koppeln einer Anpassungsstruktur (18) mit der Biegewandlerstruktur (12); so dass die Biegung und eine Verformung der Anpassungsstruktur (18) in kausaler Korrelation stehen, so dass die Verformung der Anpassungsstruktur (18) für eine nichtlineare Kraft für die Biegewandlerstruktur (12) sorgt, die die Größenordnung einer Nichtlinearität der Gesamtantwort des mechanischen Systems reduziert.Method for providing a mechanical system, the method comprising the following steps: Providing a bending transducer structure (12) such that it is configured to non-linearly deform based on a bend in response to an applied electrical signal (16) and/or to non-linearly provide an electrical signal (16) in response to an applied external force (F) , which causes the bend, mechanically coupling an adaptation structure (18) to the bending transducer structure (12); so that the bending and a deformation of the adaptation structure (18) are causally correlated, so that the deformation of the adaptation structure (18) provides a nonlinear force for the bending transducer structure (12), which reduces the magnitude of a nonlinearity in the overall response of the mechanical system.
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