CN101301991B - 微机械器件及设计其的设备和制造其的方法,和微机械系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械器件，所述微机械器件包括层；形成在层内的至少第一切口，用于限定第一摆动元件，第一摆动元件通过层的第一弹簧部分被可摆动地悬挂；和形成在层内的至少第二切口，用于限定第二摆动元件，第二摆动元件通过层的第二弹簧部分被可摆动地悬挂，其中沟槽在层的主表面中形成在弹簧部分对内，其中第一摆动元件的谐振频率与第二摆动元件的谐振频率不同，并且如此形成第一弹簧部分、第二弹簧部分和沟槽使得在第一弹簧部分和第二弹簧部分的各向异性横向材料移除和/或各向异性横向材料增加的情况下，第二摆动元件的谐振频率的相对变化与第一摆动元件的谐振频率的相对变化的比率范围为从0.8至1.2。

Description

微机械器件及设计其的设备和制造其的方法,和微机械系统

技术领域

本发明涉及具有摆动元件和弹簧部分的微机械器件，例如涉及调节弹簧硬度对制造变量(fabrication variations)的灵敏度。 

背景技术

具有被可摆动地悬挂的摆动元件的微机械器件可以被用作微机械传感器和微机械致动器。由弹簧部分和被可摆动地悬挂的摆动元件组成的微机械器件具有本征频率或谐振频率。在很多应用中，微机械器件的谐振频率必须符合固定的缺省频率，以便通过增加谐振，获得例如在传感器的情况下的足够灵敏度和例如在致动器的情况下的足够振幅。微机械结构的示例是例如那些用作例如时钟内的时钟发送器或例如扫描仪的反射镜的偏转元件(其用于数据投影)的结构，其中数据频率和摆动频率必须是固定的默认比率。为了使所需要的用于产生摆动的能量较低，此装置通常具有相对高的质量，从而谐振曲线是窄的并且当保持所需要的振幅时激励频率仅存在非常小的裕度(margin)。 

在MEMS(微机电系统)扫描仪反射镜中，甚至扭转弹簧的宽度的稍微变化也会明显的改变谐振频率。刻蚀工艺或光刻抗蚀剂掩模可以引起弹簧宽度的制造变量(fabrication variation)。基于有待制造的弹簧的几何结构，这些变量对于弹簧硬度具有一些影响，因此对于装置的摆动频率具有一些影响。例如，上述说法在例如MEMS扫描仪反射镜的用于光线的二维偏转的装置中尤为重要，因为其经常要求摆动频率的某一固定比率。例如，德国杜伊斯堡总合大学(Gerhard-Mercator-Gesamthochschule Duisburg)的希恩克(Schenk)在2000年的博士论文“Ein neuartiger Mikroaktor zurein-und zweidimensionalen Ablenkung von Licht”中描述了一个MEMS扫描仪反射镜。 

最重要的是，弹簧尺寸的系统偏差对于这种微机械摆动器的频比具有巨大影响。这是由制造工艺的变量显著影响。通常，在微机械系统技术中借助于蚀刻工艺限定可移动部分。在此，掩膜的特性和应用的蚀刻工艺对于变量的类型和数量级具有影响。应该区别整体变量、局部变量和方向依赖性变量(global，local and direction-dependent variations)。 

整体变量影响在工序中制造的所有装置的几何结构。用于整体变量的一个示例是在蚀刻气体中的压力的时间依赖性变量。 

局部变量以位置依赖性的方式影响所制造的几何结构的尺寸。在反应室内的刻蚀气体浓度的位置依赖性变量是位置变量的一个示例。 

基于其在反应室内的方位或相对于室中心的方位，方向依赖性变量影响所制造的形状的尺寸。 

图4的左手侧显示了具有摆动体410和弹簧420和422的微机械致动器400的非常简化的图示。可以看出，两个弹簧420、422的几何结构和摆动体410的几何结构由所谓的开沟槽(open trench)440限定。在图4的右手侧显示了具有在其两侧上刻蚀的沟槽440的弹簧420的细节。例如由干法蚀刻工艺制造这些开沟槽440。所述干法蚀刻工艺的特征在于制造变量主要发生在沟槽的宽度上和沟槽的垂直剖面上。沟槽相对于彼此的位移可以忽略不计。弹簧几何结构的偏差和摆动体的几何结构的偏差是由沟槽几何结构的变量引起的。 

存在各种方法来校正谐振频率从而校正频比。在一个实施例中，应用气体改变可移动元件的环境压力从而改变可移动元件的有效质量(US6331909、US6285489)。然而，于此必需的设备以及调节电路相对密集。在相同的专利说明书中，存在第二种方法，其中弹簧被覆盖吸收气体的材料。一旦吸收气体，弹簧的材料性能改变，因此改变频率。此方法的费用也好像相对较高。此外，可以假设，通过使用用于弹簧的吸收材料，降低了所述系统的质量。 

在另一个实施例中(US6256131、US6285489)，在扭转摆动器中，通过静电力部分旋转质量可以朝向扭转轴线或远离扭转轴线移动。因此，惯性矩改变，从而谐振频率也改变。因此确实完成对谐振频率的调节，但是由于通常可移动质量的小的移动路径，不能校正更大的变量。 

因为与制造变量相比，在微机械器件中的谐振频率的调节范围通常较小，通常采用分类从而不能使用具有过大偏差的装置。由此，明显地降低了产量。 

借助于几何结构(以目标对准的方式通过外部影响破坏所述几何结构)，可以影响微机械弹簧元件的有效长度，从而影响微机械弹簧元件的硬度。 

德国弗劳恩霍夫研究所在用于光子微系统的、国际公开号WO2004/092745 A1的专利申请中已经提出此解决方法。 

通过具有附加结构(所谓的补偿沟槽)的摆动体设备，可以影响摆动体的质量或质量惯性矩，从而可以至少部分地补偿由于制造引起的弹簧几何结构的偏差。德国弗劳恩霍夫研究所已经向德国专利商标局提交了用于光子微系统的、专利号为102007001516.1-54的解决方案。 

借助于可以影响其几何结构的弹簧部分，可以在确定范围内调节弹簧硬度从而谐振频率。德国弗劳恩霍夫研究所已经向德国专利商标局提交用于光子微系统的、专利号为102007001516.1的解决方案。 

因此，在所述微机械器件中需要一种用目标跟踪调节或调谐弹簧硬度对制造变量的灵敏度的有效方法。 

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种微机械器件，所述微机械器件包括层；形成在层内的至少第一切口，用于限定第一摆动元件，第一摆动元件通过层的第一弹簧部分被可摆动地悬挂；和形成在层内的至少第二切口，用于限定第二摆动元件，第二摆动元件通过层的第二弹簧部分被可摆动地悬挂，其中沟槽在层的主表面中形成在弹簧部分对内，其中第一摆动元件的谐振频率与第二摆动元件的谐振频率不同，并且如此形成第一弹簧部分、第二弹簧部分和沟槽使得在第一弹簧部分和第二弹簧部分的各向异性横向材料移除和/或各向异性横向材料增加的情况下，第二摆动元件的谐振频率的相对变化与第一摆动元件的谐振频率的相对变化的比率范围为从0.8至1.2。 

本发明的另一个实施例提供了一种用于制造微机械器件的方法，所述 方法包括步骤：设置层；在层中制造至少第一切口，用于限定通过层的弹簧部分被可摆动地悬挂的摆动元件；在层中制造至少第二切口，用于限定通过层的弹簧部分被可摆动地悬挂的摆动元件；和在层的主表面内在弹簧部分中形成至少一个沟槽，其中第一摆动元件的谐振频率与第二摆动元件的谐振频率不同，且如此形成第一弹簧部分、第二弹簧部分和沟槽，使得在第一弹簧部分和第二弹簧部分的各向异性横向材料移除和/或各向异性横向材料增加的情况下，第二摆动元件的谐振频率的相对变化与第一摆动元件的谐振频率的相对变化的比率范围为从0.8至1.2 

本发明的实施例进一步提供了用于减少在具有至少两个谐振使用的自由度的微机械器件或微机械系统中的频比的偏差的设备。 

以下的术语频率或频比的偏差意思是指尽管在同样的和不变的环境条件下，仍然发生基本上相同结构的器件的使用的本征频率或频比的失配。其原因在于由于调节、构造和层生产的过程中的公差，确定频率的材料参数(弹性常数、密度、…)的变量和弹簧的尺寸和质量的统计或系统变量或以阻尼方式产生的间隙。 

附图说明

下面参照附图更具体地解释本发明的实施例。 

图1A显示了具有摆动元件的微机械器件的实施例，所述摆动元件通过弹簧部分被可摆动地悬挂； 

图1B显示了具有各种沟槽或沟槽结构的弹簧部分； 

图1C显示了具有摆动元件的微机械器件的实施例，所述摆动元件通过两个相对布置的弹簧部分被可摆动地悬挂； 

图2A显示了作为微机械器件的二维扭转摆动器的实施例的空间说明； 

图2B显示了在通过沟槽结构调节灵敏度情况下的和在不通过沟槽结构调节灵敏度的情况下的两个微机械器件的谐振频率的频率分布； 

图2C显示了具有第一和第二微机械器件的微机械系统的实施例，所述第一和第二微机械器件具有扭转弹簧； 

图2D显示了根据所述实施例中的一个，将弹簧部分的灵敏度适配到更加灵敏的弹簧部分； 

图2E显示了具有第一和第二微机械器件的微机械系统，所述第一和第二微机械器件具有挠曲计； 

图3显示了用于制造微机械器件的方法的实施例的流程图；和 

图4显示了具有弹簧部分的弹簧元件。 

具体实施方式

在以下根据附图更具体地解释本发明之前，应该指出的是，附图不按比例以便更好的理解。另外，相同的附图标记用来表示具有相同或相似功能特性的物体和功能单元，并且省略所述物体和功能单元的重复描述。在上下文中，进一步指出，一方面，除非明确指出，否则，指示具有相似或相同功能特性的物体的部分在不同实施例的描述中可以互换。另一方面，指出，通过共同使用出现在不只一个实施例中的物体的附图标记，没有显示这些在不同实施例中或涉及的实施例中具有相同特征和特性。共同或相似的附图标记因此不代表对具体设计和尺寸的任何指示。 

图1A显示了具有层110的微机械器件100的实施例，在层110中形成至少一个切口120以便通过层110的弹簧部分130(见点划线)限定被可摆动地悬挂的摆动元件150，其中沟槽140在层110的主表面120中形成在弹簧部分130中。所述弹簧部分130宽为b和长为1。 

由此，图1A显示了例如挠曲计(flexion spring)的实施例。 

此微机械器件典型地由例如半导体层110的层110形成，通过由至少一个开沟槽120，以下也被称为切口120，构造所述层，从而限定至少一个摆动元件150和弹簧部分130。 

如前面已经提出的，通常通过蚀刻制造此切口120。在层110下面，例如，可以布置隐蔽的(埋入的)绝缘层102和在绝缘层下面的底层104。在切口120的制造过程中，以及因此在层110中限定摆动元件150和框架170的弹簧部分130的过程中，例如使用适当的蚀刻方法，其中隐蔽的绝缘层102用作蚀刻终止层(etch stop)。所有的结构，即，弹簧部分130、摆动元件150和框架170，因此具有相同的厚度，即，层110的厚度。 

摆动体或摆动元件150的形状和/或基本区域是任意的，也就是，可以是例如矩形、圆形或椭圆形。 

在图1A中，例如作为反射镜的摆动元件150形成为矩形板。弹簧部分130形成为处于摆动元件150的一侧中心上的细长的条。换言之，弹簧部分130布置在中心和/或对称于摆动元件的中心轴线152(见点划线)。另一侧，弹簧部分130在框架170结束。如此，摆动元件150通过弹簧部分130被可摆动地悬挂。因此，弹簧部分130限定了静止位置，其中摆动元件150在层110的平面上。一旦摆动元件150从所述静止位置开始偏转，弹簧部分130产生返回到静止位置的回复力和/或扭距。 

在图1A中，由基片104支撑整个结构，基片104在隐藏的绝缘层102下面并且例如可以由类似的硅的半导体形成。在制造之前，基片104、绝缘层102和半导体层110可以制备成例如SOI(绝缘体上的硅)晶片，从而在其内同时形成多个微机械器件100。为了允许摆动元件150从其静止位置完全偏转，在摆动元件150和弹簧部分130下面的绝缘层102和基片104被移除以便在其下形成空腔。在此，摆动元件150和弹簧部分130下面的基片104可以完全或仅仅部分被移除，从而允许摆动。形成在层110内的结构由此仅在层110的外边缘170上仅仅位于隐藏的绝缘层102的非移除的剩余部分上。 

为了制造空腔，例如，在构造层110之后通过适当的蚀刻步骤，将除了层110的边缘区域之外的基片104和隐藏的绝缘层102移除。由此除了弹簧部分130以外的摆动元件150没有被支撑。 

用于构造层110和/或用于形成切口120的可选方法，例如冲压，其中切口120被冲压形成。 

另外，在可选实施例中，在没有绝缘层102和基片104的情况下可以形成层110并且例如仅仅将层110暂时固定以便制造、存储和在载体材料上传输，从而然后当将其组装到另一个框架上时，其自由地和可摆动地布置。 

另外，如果所述微机械器件的后面的组装保证将其对应固定到可摆动部分上，微机械器件可以仅仅由弹簧部分110和摆动元件150组成。 

另外，如图1A中所示，框架170可以围绕弹簧部分和摆动元件，或也仅仅部分围绕或例如框架170仅仅形成在弹簧部分140的一侧上。 

另外，在可选实施例中，弹簧部分140可以布置在摆动元件150的较长的一侧或摆动元件150的较短的一侧并且可以根据所需要的弹簧硬度具 有不同宽度。 

如前面所解释的，沟槽140在层110的主表面112中形成在弹簧部分130中。在此，主表面112是通过形成层而制造的“上”平面。在层110的底侧上(也就是，与主表面112相对布置)相应存在第二主表面，所述第二主表面形成了空间解释上的层110的“下”主表面，并且例如邻近隐藏的绝缘层102。可以将层110的切口120内的其它“表面”与这些主表面区分开来，这些其它表面例如通过蚀刻制造。以下将其它表面称为层110的较小或切口表面114。 

微机械器件的实施例在弹簧部分130中包括至少一个沟槽140，从而借助于弹簧几何结构内的这样的另外的结构来影响微机械弹簧元件或弹簧部分130对制造变量的敏感度。 

图1B显示了具有各种沟槽结构的弹簧部分130的六个不同的实施例I-VI。 

在此，实施例I显示了由在外边缘上的切口120限定的并且包括沿纵向轴线处于中心的沟槽140的弹簧部分130，所述纵向轴线形成通过弹簧部分130的整个长度。所述弹簧部分130具有宽度b和长度l，沟槽140具有宽度bg。弹簧部分可以例如在上纵向侧端上处于摆动元件150上和在下纵向侧端上处于框架170上。 

图1B中的实施例II显示了弹簧部分130、具有形成通过弹簧部分130的整个长度的三个平行的、等间隔布置的沟槽140′、140″和140″′的沟槽结构。 

图1B中的实施例III显示了具有两个彼此前后布置的沟槽140′和140″的弹簧部分130，所述两个沟槽140′和140″布置在弹簧部分130的纵向中心轴线上并且相对于弹簧部分130的横向中心轴线(没有画出)对称。 

图1B中的实施例IV显示了弹簧部分130具有沿弹簧部分130的纵向中心轴线布置的、但与I相反没有沿整个弹簧部分130延伸的沟槽140，且沟槽140布置成相对于弹簧部分130的横向中心轴线对称。 

实施例V显示了具有三个沟槽140′、140″和140″′的弹簧部分130，其中沟槽140′和140″′以与相对于沟槽140″交错的方式平行布置，所有三个沟槽没有延伸通过弹簧部分130的整个长度，而仅仅通过弹簧部分 130的一部分，沟槽140″布置在弹簧部分的纵向中心轴线上，沟槽140′和140″′布置成相对于弹簧部分130的纵向中心轴线轴线对称，沟槽140″延伸到弹簧部分130的一个纵向侧端，沟槽140′和140″′延伸到弹簧部分130的与之相对的另一纵向侧端。 

图1B中的实施例VI显示了与实施例V相似的弹簧部分130，其中，与实施例V相反，沟槽140′和140″′没有延伸到弹簧部分130的一端。 

在此，宽度b′与由沟槽140、140′、140″和140″′限定的弹簧部分130的局部区域相关，这在图1B中的实施例II中示范性图示并且代表其它实施例。局部区域也可以被称为脊。由此弹簧部分130的整个宽度b由弹簧部分的多个部分或弹簧部分的多个脊的宽度b′和沟槽宽度bg产生。弹簧部分的多个部分或多个脊可以具有相同或不同的宽度b′，并且沟槽也可以具有相同或不同的宽度bg。在此，沟槽140或沟槽140′、140″和140″′的宽度可以小于或大体上小于弹簧部分的部分的宽度b′，而且在可选实施例中也可以等于或甚至大于弹簧部分130的部分或脊的宽度b′。 

弹簧部分的弹簧硬度对于制造变量的灵敏度的改变越大，沟槽的数量越大，每个独立的沟槽越长和/或每个独立的沟槽越深。 

由此，具有实施例I-VI的图1B显示了用于弹簧元件或弹簧部分各种可能的实施，所述弹簧元件或弹簧部分具有用于调节对制造变量的灵敏度的附加结构或沟槽。然而，沟槽的实施不限于图1B中所示的那样。 

在此，结构可以由沟槽140组成，所述沟槽140是直的、弯曲的或曲折形，延伸通过弹簧部分的整个长度或仅仅通过弹簧部分的长度的一部分，在弹簧部分130的纵向中心轴线上或在弹簧部分130的另一个位置上。 

另外，弹簧部分130可以包括几个沟槽或多个沟槽140′-140″′，所述几个沟槽或多个沟槽140′-140″′可以相似地或不同地形成和/或布置在弹簧部分130上，即，例如竖直、弯曲、曲折形、平行、彼此前后、以偏移方式平行布置、从一个纵向端延伸到相对的另一个纵端或仅仅通过弹簧部分的部分或仅仅通过弹簧部分130的长度的部分。另外，沟槽可以布置成多个平行或多个彼此互为前后，或沟槽结构可以具有上述提及的结构的任意组合。 

在此，所述结构可以包括一个、两个、三个或更多沟槽。 

另外，沟槽可以包括各种沟槽深度或乃至连续的深度，即，从第一主表面到相对于第一主表面布置的第二主表面，或沟槽为类似用于构造的切口120的切口。如果沟槽从主表面到相对的表面不是连续的，沟槽也可以被称为凹陷。在几个沟槽的情况下，所有沟槽或部分沟槽可以具有相同的沟槽深度或不同的沟槽深度或形成为部分连续或全部连续。 

通常，弹簧元件或弹簧部分的附加结构或沟槽的各种形状、位置、长度和深度或连续性和数量可以用于调节对制造变量的灵敏度和用于补偿频比偏差，如以后将会说明的。以下大体上通过术语沟槽结构或构造概括出由其导致的可能性。在此，可以根据过程变量(整体的、局部的、方向依赖性)选择沟槽结构。 

可以在挠曲计中，如图1A中所图示，和例如在加载有张力的扭转弹簧或弹簧结构中完成具有一个或多种沟槽140′-140″′的构造。 

为了更好的理解，无论沟槽结构是否包括单个沟槽140或例如140′-140″′的几个沟槽，术语沟槽或沟槽结构或构造通常使用附图标记140。 

图1C显示了形成为扭转摆动器的微机械器件的实施例。微机械器件1100包括层110，第一切口120和第二切口122形成在层110内以便限定层110的第一弹簧部分130(见虚线)和第二弹簧部分132(见虚线)，通过第一弹簧部分130和第二弹簧部分132摆动元件150可以被可摆动地悬挂。在此，第一弹簧部分就30和第二弹簧部分132分别都包括沟槽或沟槽结构140和142，或可能分别都包括几个沟槽。第一弹簧部分130和第二弹簧部分132都布置在摆动元件150的各个相对侧的中心上。换言之，第一弹簧部分130和第二弹簧部分132相对于摆动元件150的中心轴线152在摆动元件150的相对侧上居中布置。如此，摆动元件150可以围绕通过弹簧部分130、132的枢转轴线枢转，从而形成扭转弹簧130、132。弹簧部分130、132在此限定停止位置，在所述停止位置上摆动元件150在层110的平面上。一旦摆动元件150从所述停止位置上偏转，通过部件弹簧或弹簧部分130、132将摆动元件150围绕枢转轴线倾斜，弹簧部分130、132就施加回复力或扭转力使摆动元件回到停止位置。 

如根据图1A解释的那样，空腔形成在摆动元件150和弹簧部分130、132的下面，以能够使摆动元件150摆动。 

为了确保在两个弹簧部分130、132上的均匀扭转，弹簧部分130、132通常布置成关于摆动元件150的第二中心轴线154对称，所述第二中心轴线与第一中心轴线152正交。因此，在实施的情况下，沟槽结构140和沟槽结构142对称布置，这如以符号方式图示的，其中第一弹簧部分130的沟槽140图示为三角形形状，第二弹簧部分132的沟槽142图示为三角形形状。 

图1C中图示了例如可以用作在显微镜中的微机械反射镜的一个实施例，所述微机械反射镜用于以预定的目标频率偏转调制光束，从而以预定的目标频率将光束在像场上来回移动，其中通过在像场上移动的调制光束使像形成在像场上。 

然而，应该指出的是，本发明的实施例也可以用于具有通过弹簧部分使之被可摆动地悬挂的摆动元件的其它微机械器件。 

图2A显示了作为例如二维微镜的二维扭转摆动器的微机械器件。在此，微机械器件200包括层110，至少第一外切口172和第二外切口174形成在层110中以便限定摆动框架172″，通过第一外弹簧部分180和第二弹簧部分182(见点划线)可以使所述摆动框架172″被可摆动地悬挂。其中至少第一内切口120和第二内切口122形成在摆动框架172″内以便限定摆动元件，通过层110的第一内弹簧部分130和第二内弹簧部分132可以所述使摆动元件被可摆动地悬挂。在此，第一内弹簧部分130和第二内弹簧部分132以对称的方式布置在摆动元件150的第一中心轴线152上，第一外弹簧部分180和第二外弹簧部分182布置在与第一中心轴线152正交的第二中心轴线154上并且关于第二中心轴线对称。第一内弹簧部分130和第二内弹簧部分132具有宽度b₂和长度l₂(仅在第一内弹簧部分130中画出)，第一外弹簧部分180和第二外弹簧部分182具有宽度b₁和长度l₁(仅在第二外弹簧部分182中画出)。 

为了更好的可读性，不在附图中标记出下标，即，在附图中记为b1。 

如基于根据图1A和1C的实施例已经解释的那样，在摆动元件150、内摆动部件130、132、摆动框架170″和外弹簧部分180、182下面存在空腔以便上述元件摆动。第一内弹簧部分130包括第一沟槽结构140，第二内弹簧部分132包括第二沟槽结构142。 

在此，在实施例中，第一沟槽结构140和第二沟槽结构142可以形成为关于第二轴线154对称，从而达到在在两侧对制造变量的灵敏度的均匀变化。 

在可选实施例中，沟槽结构也可以或而是布置在两个外弹簧部分180、182上。 

其中摆动元件150形成为例如反射镜的微机械器件200，因此能够在例如行方向和列方向的两个方向上偏转调制光束。在此，用于第一维的第一谐振频率由一对外弹簧部分180、182限定，和用于第二维的第二谐振频率由一对内弹簧部分130、132限定。换言之，在图2A中所示的二维扭转摆动器具有两个谐振使用的自由度。 

如基于图1A和1C已经解释的，借助于弹簧几何结构内的附加构造或沟槽结构可以影响微机械弹簧元件或弹簧部分对制造变量的灵敏度。上述也被称为“灵敏度调谐”。特别地，以此方式可以制造具有几个谐振使用的自由度的器件，该器件的确具有谐振频率的巨大偏差，但是具有频比相对小的偏差。在图2A中显示的微机械器件是用于具有两个谐振使用的自由度的微机械器件的示例。 

线性摆动器的谐振频率或本征频率f的平方与弹簧硬度成正比： 

$f^2=\frac{1}{4{\mathrm{\π}}^2}\frac{k}{m}$ 或 $f^2=\frac{1}{4{\mathrm{\π}}^2}\frac{k}{J}---\left(1\right)$

在此，m是重量，J是摆动体的质量惯性矩(mass moment of inertia)，k是弹簧硬度。 

以下，在图2A中，将以扭转弹簧元件的示例解释沟槽或沟槽结构的作用。然而，所述原理可以运用到例如挠曲计或拉伸弹簧的其它器件或其它弹簧类型。 

由材料性能和几何尺寸确定例如具有矩形横截面的弹簧部分130、132、180和182的杆形的、直的扭转弹簧的弹簧硬度： 

k＝GI_t/L  且I_t～(b+Δb)³h  对于h＞b    (2) 

在此，G是刚性模量，I_t是扭转面积矩；b是宽度，h是高度或厚度，L是扭转弹簧的长度，Δb是由于制造引起的弹簧宽度的偏差。因此，弹簧硬度对制造变量的灵敏度越小，扭转弹簧的宽度就越大。相等宽度的扭转 弹簧元件大致上一次近似(in first approximation)具有相同的灵敏度。 

使用上述的公式或关系，假定常数表示刚性模量，结构宽度或弹簧部分宽度b与本征频率或谐振频率f之间的不成比例的关系产生： 

$f~\sqrt{k}~b^{3/2}$ 或 $\frac{f}{f+\mathrm{\Δf}}={\left(\frac{b}{b+\mathrm{\Δb}}\right)}^{3/2}$ 对于b＜h    (3) 

在此， 

和 

分别表示频率的偏差和结构宽度的偏差。因此： 

$\mathrm{\Δf}=\frac{f}{\mathrm{\Γ}}(1+\frac{\mathrm{\Δb}}{b}-\mathrm{\Γ})$ 且 $\mathrm{\Γ}=\sqrt{\frac{b}{b+\mathrm{\Δb}}}---\left(4\right)$

因为 

相对于结构宽度很小，此表达式大约等于对 

用泰勒级数展开的一阶项： 

$\mathrm{\Δf}\≈3f\frac{\mathrm{\Δb}}{2b}$ 对于Δb＜＜b    (5) 

借助于此关系，可以确定结构宽度的工艺而引起的偏差的数量级。所以，实验上确定了足够大数量的相同类型的器件的谐振本征频率。从所得的频率偏差Δf，借助于关系(5)可以确定扭转弹簧宽度的伴随偏差。假设起始数量大约为10000个器件，由此确定的偏差分布仅稍微改变。 

对于随机选择的多于10000个器件，最终的弹簧宽度的分布明显地含有近似高斯曲线线路(Gaussian course)。因此，由于工艺而引起的结构宽度的偏差可以被看作近似正态分布。 

为了能够量化某一设计相对于对制造公差的灵敏度的特性，采用测量技术，引入灵敏度值S_Δb(灵敏度)： 

$S_{\mathrm{\Δb}}=\frac{\∂f}{\∂\mathrm{\Δb}}---\left(6\right)$

对于具有直扭转弹簧的显微镜反射镜，当假设产生与结构宽度相比很小的偏转时，借助于近似值(5)得出下面的表达式： 

$S_{\mathrm{\Δb}}\≈\frac{\mathrm{\Δf}}{\mathrm{\Δb}}\≈\frac{3f}{2b}---\left(7\right)$

在此，应该注意的是，以此方式确定的灵敏度总是表示谐振本征频率的绝对值。为了比较相对于相关频率偏差具有不同频率的设计，引入标准化的灵敏度S_rel

$S_{\mathrm{rel}}=S_{\mathrm{\Δb},\mathrm{rel}}=\frac{S_{\mathrm{\Δb}}}{f}\≈\frac{3}{2b}---\left(8\right)$

此标准化的灵敏度S_rel也被称为相对灵敏度。相应地，相对的或标准化的频率变化f_rel被限定为对谐振频率被标准化的频率变化： 

${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{rel}}=\frac{\mathrm{\Δf}}{f}$ 并且对于(5) ${\mathrm{\Δf}}_{\mathrm{rel}}\≈3\·\frac{\mathrm{\Δb}}{2b}---\left(9\right)$

对于微机械器件或系统，其中第一弹簧部分或弹簧元件的谐振频率相对于第二弹簧部分或弹簧元件的谐振频率为固定的、默认比率，因此需要弹簧部分相对于制造变量的相对灵敏度相等，即，以下适用于最优设计： 

$V_S=\frac{S_{\mathrm{rel}2}}{S_{\mathrm{rel}1}}=1,---\left(10\right)$

其中S_rel1是第一弹簧部分的相对灵敏度，S_rel2是第二弹簧部分的相对灵敏度，V_s是第一相对灵敏度与第二相对灵敏度的比率。 

从公式(10)和公式(8)、(7)和(9)，可以得出以下相对的灵敏度比率与相对的频率变化之间的关系为： 

$\frac{S_{\mathrm{rel}2}}{S_{\mathrm{rel}1}}=\frac{\frac{S_2}{f_2}}{\frac{S_1}{f_1}}=\frac{\frac{\mathrm{\Δ}{f}_2}{f_2}}{\frac{\mathrm{\Δ}{f}_1}{f_1}}=\frac{\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{rel}2}}{\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{rel}1}}---\left(11\right)$

在此，下标为1的参量指示第一弹簧部分或第一弹簧部分对，下标为2的参量指示第二弹簧部分或第二弹簧部分对。相应地，Srel1表示第一弹簧部分的相对灵敏度，Srel2表示第二弹簧部分的相对灵敏度，S1表示为绝对灵敏度，f1表示谐振频率，Δf1表示绝对频率变化，Δfrel1表示第一弹簧部分或第一弹簧部分对的相对频率变化，S2表示绝对灵敏度，f2表示谐振频率，Δf2表示绝对频率变化，Δfrel2表示第二弹簧部分或第二弹簧部分对的相对频率变化。 

结合关系(10)与关系(8)，得出以下结果： 

$\frac{S_{\mathrm{rel}2}}{S_{\mathrm{rel}1}}=\frac{b_1}{b_2}---\left(12\right)$

其中b1是第一弹簧部分或第一弹簧部分对的宽度，b2是第二弹簧部分或第二弹簧部分对的宽度。 

在此情况下，明显看出，两个不同弹簧部分或不同弹簧部分对的相对灵敏度的比率对应于两个弹簧部分或两个弹簧部分对的相对频率变化的 比率，还对应于两个弹簧部分或两个弹簧部分对的弹簧部分宽度的反比。 

如果第一弹簧部分的宽度b1等于第二弹簧部分的宽度b2，即如果以下关系满足： 

$\frac{b_1}{b_2}=1,\mathrm{or},b_1=b_2---\left(13\right)$

则可以例如满足条件Vs＝1。 

如果在一个器件(例如用于光的二维偏转的显微镜反射镜)中使用两个不同本征频率，通常不可能实现所有的弹簧元件具有相同的维度，例如，相同的宽度。由此，产生具有不同灵敏度的弹簧元件。然后，整体的制造变量导致谐振频率的不同相对变量，因此导致频比的变量。 

例如在图2A中图示的典型的二维扫描仪，例如包括内弹簧部分130、132，具有宽度b2＝16μm，和外弹簧部分对180、182，具有宽度b1＝2μm。 

由此，得出宽度或灵敏度的比率如下： 

$\frac{b_1}{b_2}=\mathrm{0,125}\≈\frac{S_{\mathrm{rel}2}}{S_{\mathrm{rel}1}}$ 或 $\frac{b_2}{b_1}=8\≈\frac{S_{\mathrm{rel}1}}{S_{\mathrm{rel}2}}---\left(14\right)$

如果弹簧几何结构是另外构造的，例如，沿扭转轴线通过图1A、1C或2A中沟槽140、142，增加构造的边缘的整个长度，由此增加对制造变量的灵敏度。通过改变这些切口或沟槽的长度、数量、布置和形状，由此任意增加弹簧结构或弹簧部分的灵敏度。因此，可以调谐使用在器件中的所有弹簧元件或弹簧部分相对于彼此的灵敏度。在弹簧几何结构的尺寸计算中考虑由另外构造引起的弹簧硬度的改变以获得对灵敏度的最佳适配。 

在二维微镜的一个实施例中，使用的弹簧部分的宽度b1＝12μm，b2＝25μm，由此弹簧部分宽度的比率为： 

$V_b=\frac{b_2}{b_1}=\frac{25\mathrm{\μm}}{12\mathrm{\μm}}=\mathrm{2,1}---\left(15\right)$

根据关系(3)，此对应于频比V_f为： 

$V_f=\frac{f_2}{f_1}\≈\frac{{b_1}^{3/2}}{{b_2}^{3/2}}.---\left(16\right)$

在此实施例中，通过宽度为b1的弹簧部分中的相应沟槽，相对灵敏度的比率可以提高到大约为1，即： 

$\frac{S_{\mathrm{rel}2}}{S_{\mathrm{rel}1}}=1---\left(17\right)$

如先前所阐述的那样，在没有相应沟槽结构的情况下，相对灵敏度的比率V_s或相对频率变化的比率也可以大约为2.1，或反比为0.48。 

为了显示要求大频比的应用，谐振频率的比率V_f和相应的弹簧部分宽度的比率V_b的范围从2至10，或其反比范围从0.1至0.5。如先前所述，在没有沟槽的情况下，相对灵敏度因此也处于此范围内，这导致实际频比相对于所需要的频比的恶化。 

然而，与借助于相应沟槽的频比无关，在微机械器件的实施例中，设备和/或系统可以获得范围从0.8至1.2的相对灵敏度的比率。 

在二维弹簧元件的其它典型应用中，例如，频比或宽度比的范围分别从0.5至0.8和1.2至2。在这些例子中，具有相应沟槽结构的实施例也可以获得对相对灵敏度或频率变化的比率的改进，例如范围从0.9至1.1。 

基于图2A和2B，以下将更加详细地解释。图2A显示了形成为二维扭转摆动器的微机械器件，其中内弹簧部分130、132具有比两个外弹簧部分180、182的宽度b1大的宽度b2，即，b1＜b2。在内弹簧部分130、132具有与两个外弹簧部分180、182相等的长度，即，11＝12的情况下，外弹簧部分180、182具有较小的弹簧硬度和比内弹簧部分130、132的谐振频率f2低的谐振频率f1。此外，较高的质量惯性矩降低了外弹簧部分的谐振频率。因此，根据图2A的二维微镜可以在行方向或水平方向上和列方向或垂直方向上偏转被调制的光束。在此，在例如以线性方向操作的(line-wise manner operated)此二维微镜中，光束以较高谐振频率f₂ 沿线或在水平方向上偏转，以较低频率f₁沿列或在垂直方向上偏转。 

图2B的上部显示了两个没有沟槽的弹簧部分或扭转弹簧元件的谐振频率的两个示范性频率分布22和24，其中频率被标绘在x轴上，发生率标绘在y轴上。分布122显示了由于在较低目标频率f₁处的制造变量而引起的第一扭转弹簧元件的实际谐振频率f₁′的发生率分布，分布124显示了由于在较高目标频率f₂处的制造变量而引起的第二扭转弹簧元件的实际谐振频率f₂′的发生率分布。在此，具有相应分布曲线122的较低目标频率f₁例如对应于外弹簧部分180、182，具有相应分布曲线124的较高 目标频率f₂对应于内弹簧部分130、132。 

如前面所解释的那样，整体变量、局部变量和方向依赖性变量可以影响所制造的弹簧部分的几何结构或尺寸。如果在生产中的这些变量对于所有的弹簧部分130、132、180和182来说是相同的或大体上相同的，那么所有的弹簧部分具有相同的或大体上相同的宽度变化Δb。相同的Δb在具有较大宽度b₂的内弹簧部分130、132中和在具有较小宽度b₂的外弹簧部分180、182中导致较小的相对宽度变化，并且也因此导致较小的频率变化，并且因此导致较大的相对宽度变化和相应的较大的相对频率变化。换言之，由于宽度偏差Δb实际谐振频率f₁′与目标频率f₁相差Δf₁。同样也适用于具有较高目标频率f₂的弹簧部分，其中由于制造变量实际谐振频率f₂′与目标频率f₂相差Δf₂。如上面所阐述的，在微镜中得出某一频比V_f ＝f₂/f₁，即，比率必须在某一范围内并且具有给定值，如果可能： 

V_fmin≤V_f′≤V_fmax or V_f′＝V_f

且V_f′＝f₂′/f₁′以及V_f＝f₂/Fig.1 

其中V_fmin是频比的最小频率，V_fmax是频比的最大频率，V_f是目标频比，V_f′是实际频比。以下成立： 

V_f′＝f₂′/f₁′＝(f₂+Δf₂)/(f₁+Δf₁)。 

因此，只有当第一频率f₁的相对频率偏差与第二频率f₂的相对频率偏差相等时，即 

Δf₂/f₂＝Δf₁/f₁成立时 

实际频比V_f′等于目标频比V_f。 

如上面解释的那样，在更灵敏的弹簧部分中，即，具有较小宽度的弹簧部分中，而不是在灵敏度较差的弹簧部分中，相同的宽度变化Δb引起较大相对硬度的改变，因此引起较大的相对谐振频率的改变。换言之，具有较低目标频率的弹簧部分的相对频率变化大于具有较高目标频率的弹簧部分的相对频率变化，从而随着宽度变化Δb的增加，实际频比V_f′越来越偏离目标频比V_f。 

在此，“弹簧硬度对制造变量的灵敏度”也可以被看作弹簧硬度基于制造变量的相对变化。 

为了使更加不灵敏的弹簧部分的灵敏度适应“更加灵敏”弹簧部分的 灵敏度，首先在所述弹簧部分中增加一个或更多沟槽结构。 

在此，假设所有的弹簧部分受到相同的制造情况或影响，因此在数量上和特征上具有相同的宽度变化Δb。在此，按尺寸制造沟槽结构从而所有的弹簧部分对制造变量具有相同的灵敏度，弹簧部分的相对频率变化相同，实际频比V_f′符合或大体上匹配目标频比V_f。 

换言之，与其中试图最小化弹簧硬度对制造变量的灵敏度由此产生尽可能窄的分布曲线的传统程序相比，所述微机械器件的实施例还包括在弹簧元件或弹簧部分内的沟槽，以便增加某些弹簧元件或弹簧部分的灵敏度。 

图2B的下部显示了示范性频率分布22和24′，其中在目标频率f₁ 时弹簧部分中没有形成沟槽，由此所述分布符合上面图表中的分布22。如通过变宽并且变平的分布曲线24′象征性地图示的那样，在目标频率f₂时弹簧部分中引入沟槽以便使第二弹簧部分或第二弹簧部分对的相对灵敏度适应第一弹簧部分或第一弹簧部分对的相对灵敏度。换言之，改变第二弹簧部分或第二弹簧部分对的相对灵敏度从而以下成立： 

$\frac{f_2+\mathrm{\Δ}{f}_2}{f_1+\mathrm{\Δ}{f}_1}\≈\frac{f_2}{f_1}.---\left(18\right)$

由此，根据图2A的实施例，仅在内部较不敏感的弹簧部分130、132处具有沟槽140和142，以便使弹簧部分130、132对制造变量的灵敏度与具有更加灵敏的、不包括任何沟槽的外部弹簧部分180、182的灵敏度调谐。 

图2D显示了使一个弹簧部分的弹簧硬度的灵敏度适应另一个对制造变量具有较高灵敏度的弹簧部分的示例，以便如果可能，维持两个弹簧部分的谐振频率的给定目标比率，而与制造变量无关。下面将基于图2E更加详细地描述使两个挠曲计元件相互调谐的一个示例。 

在图2D的上部显示了层110的示例，其中通过层110的第一弹簧部分130′使其被可摆动地悬挂的第一摆动元件(在图2D中没有示出，在图2E中的附图标记为150′)由切口120′限定。另外，在图2D在上部显示了层110内的切口120，从而通过第二弹簧部分130可以使第二摆动元件(在图2D中没有示出，在图2E中的附图标记为150)被可摆动地悬挂， 其中在层110的主表面内的第一沟槽140形成在第一弹簧部分130上。第二弹簧部分130的宽度b_h大于第一弹簧部分130′的宽度b_w。由此，第二弹簧部分130的弹簧硬度k_h大于第一弹簧部分130′的弹簧硬度k_w。换言之，第二弹簧部分130硬些，第一弹簧部分130′软些。在图2D中所示的实施例中，沟槽140形成为连续不断的，即沟槽140与切口120相似，从层110的一个主表面延伸到层110的相对的主表面。第一弹簧部分130′不具有沟槽。 

如上所解释的那样，由于制造变量，出现了弹簧宽度Δb的偏差，偏差导致弹簧宽度的相同绝对变化Δb，在整体变量或在切口120、120′上的变量的情况下，其中“整体”或相似是至少相对于两个弹簧部分130、130′而言。在此，+Δb表示各向异性横向材料增加，即加宽弹簧部分，-Δb表示移除或清除弹簧部分的各向异性横向材料。在此，假设对于两个弹簧部分130、130′层110的厚度是常数并且相等。如图2D所示，在第一弹簧部分130′中的制造变量导致在两侧面上或与切口120′邻接的小面上移除材料或增加材料。在具有切口140的第二弹簧部分130中，其中移除或增加材料发生在切口120的侧边缘上和沟槽140的侧边缘上，由此，由实际宽度b_h＝b₁+b₂+/-(4＊Δb/2)而不是b_h＝b₁+b₂ 作为目标宽度。由此通过沟槽140，较硬弹簧部分130的弹簧硬度k_h 的灵敏度增加。 

图2D的中心两个图表显示了弹簧部分的宽度b上的硬度的示范性线路(course)。左下方的图表显示了基于宽度b_h(在x轴上)的硬度K_h (在y轴上)的示范性线路。在此，b_h0表示第二弹簧部分130的目标宽度，然而，如已经在图2D的上部分显示出来的，+/-Δb代表由制造变量引起的宽度变量。目标硬度k_h0对应于目标宽度b_h0。如在图2D轴的左下方所示，移除材料-Δb引起弹簧硬度降低-Δk_h，增加材料+Δb引起弹簧硬度增加Δk_h。 

相应地同样适用于第一弹簧部分130′，为此位于图2D的中心右边的图表显示了基于宽度b_w(在x轴上)的弹簧硬度k_w(在y轴上)的示范性线路。目标弹簧力k_w0对应于目标宽度b_w0，移除材料-Δb引起第二弹簧部分的硬度k_w降低-Δk_w，增加材料+Δb引起第二弹簧部分的硬度k_w增加+ Δk_w。 

如上面所解释的那样，在相等宽度变化+/-Δk_h的情况下，较硬弹簧部分的硬度变化+/-Δk与较软弹簧部分的硬度变化+/-Δk_w彼此不同。 

在此，图表的线路(course)，即，基于宽度变化的弹簧硬度的相关性可以是线性相关，平方相关或立方相关的或与其它线路相关。典型地，对于靠近目标值的区域，至少可以确定图表的线性接近。 

在图2D中的下面两个图表中，显示了基于宽度变化b的谐振频率f的相关性。在图2D中的左下方的图表中显示了基于第二弹簧部分的宽度b_h(在x轴上)的第二较硬的弹簧部分130频率f_w(在y轴上)。目标频率f_h0对应于目标宽度b₀。移除材料-Δb引起弹簧谐振频率降低-Δf_h，增加材料+Δw引起谐振频率增加Δf_h。 

在图2D的右下方的图表显示了基于第一弹簧部分的宽度b_w(在x轴上)的第一、较软弹簧部分130′的频率f_w(在y轴上)的相应的相关性。目标频率f_w0对应于目标宽度b_w0。移除材料-Δb引起频率变化-Δf_w，增加材料+Δb引起频率变化+Δf_w。 

如前面根据图2B已经阐述的那样，本实施例的一方面涉及降低由于制造产生的器件的两个本征频率的频比V_f的变化。 

假设目标频比V_f＝f_h0/f_w0＝2，即，较硬或第二弹簧部分130或第二摆动元件的目标频率第一较软或第一弹簧部分130′的目标频率为大，倍数为2，在本实施例中标示出了较硬弹簧部分130的沟槽140，从而在Δb相同的情况下，具有第二弹簧部分130的第二摆动元件相对于目标值f_h0对应的频率变化Δf_h为频率变化Δf_w的两倍大，频率变化Δf_w在相同的宽度变化Δb相对于具有较软弹簧部分130′的第一摆动元件的目标值f_w0得出，即，两个频率的相对频率变化Δf_h、Δf_w分布相对于它们的目标频率f_h和f_w相等。换言之，改变描述谐振频率f_h与宽度b_h之间的关系的图表(或曲线图)26的斜度，从而在此示例中的目标值f_h0是图表28的目标值f_w0的两倍高，所述图表28描述谐振频率f_w0与宽度b_w之间的关系。 

将第一和/或第二摆动元件的目标频率和/或谐振频率更加具体地公式化为第一和/或第二摆动系统的目标频率和/或谐振频率，其中第一摆动 系统例如由第一弹簧部分和第一摆动元件形成，第二摆动系统例如由第二弹簧部分和第二摆动元件形成(见图2D和2E中的实施例)。在二维微镜中，如例如图2A中所图示的，第一摆动系统例如由外弹簧部分180、182、摆动框架170″形成，第二摆动系统例如由内弹簧部分130、132和摆动元件150形成。可选地，根据图2A(根据图2C和2E)的实施例中，摆动框架170″、内弹簧部分130、132和例如反射镜150的实际摆动元件150的布置也被称为“第一”摆动元件且实际摆动元件150被称为“第二”摆动元件150。 

在此，频率灵敏度的调节典型地被实施用于围绕由目标频率和目标宽度限定的工作点的某一范围。由此选择沟槽140从而使在围绕工作点的特定工作范围内较硬和较软的弹簧部分的相对频率变化尽可能相等，因此如果可能的话，围绕此工作点的频率曲线的斜度具有某一比率。无论是否基于宽度变化的弹簧硬度和/或频率的相关性为线性相关，平方相关，立方相关或例如其它方式相关，上述都成立。 

在根据图2E的一个实施例中，因此，在第一和第一弹簧部分130、130′的各向异性横向材料移除-Δb和/或第一和第一弹簧部分130、130′的各向异性横向材料增加+Δb的情况下，在第二弹簧部分130内形成沟槽140使得第二摆动元件150的谐振频率的相对变化与第一摆动元件150′的谐振频率的相对变化的比率从0.8改变至1.2，在其它实施例中从0.9改变至1.1。 

图2A仅显示了一个可能具有两个自由谐振度的实施例，内弹簧部分130、132可以为更加窄的弹簧部分并且包括用于调节例如在可选实施例中的灵敏度的沟槽。在另一个实施例中，如果由于设计或制造条件更加容易实行的话，所有的四个弹簧部分可以具有沟槽结构，但是仍然产生可以接受的多个谐振频率和/或谐振频比。 

图2C显示具有第一微机械器件1100′和第二微机械器件1100的微机械系统或微机械设备的实施例，其中两个器件是例如微镜的一维扭转摆动器。在此，第一微机械器件1100′和和第二微机械器件1100的谐振频率是某一频比并且灵敏度彼此适应。在此，第一微机械器件1100′例如对应于根据图1C的一个装置，与其相比，其中装置1100′不具有沟槽结构140、 142。 

以下，为了区分第一和第二微机械器件，用于第一微机械器件的附图标记被标示为“′”，即，附图标记130′表示第一装置的弹簧部分，附图标记150′表示第一装置的弹簧元件。 

第二微机械器件对应于图1C中的一个装置。与根据图2A的实施例类似，如果b₂＞b₁成立，从而相对于制造变量，不具有沟槽结构140、142的弹簧部分130、132具有弹簧硬度的较低灵敏度，通过沟槽或沟槽结构140、142弹簧部分130、132的弹簧硬度的灵敏度将被调节成第一装置1100′的较高灵敏度。 

图2E显示了具有第一微机械器件100′和第二微机械器件100的微机械系统或微机械设备的另一个实施例。在此，第一微机械器件100′的谐振频率和第二微机械器件100的谐振频率处于某一频比，并且调节其对制造变量的灵敏度。在此，第二微机械器件100例如对应于图1A中一个装置，第一微机械器件100′也对应于图1A中一个装置，其中后者与微机械器件100相比不具有沟槽结构。 

为了区别第一微机械器件与第二微机械器件的特征，第一微机械器件的元件被补充“′”。 

与根据图2A的实施例类似，如果b₂＞b₁成立，从而相对于制造变量，不具有沟槽结构140的弹簧部分130具有弹簧硬度的较低灵敏度，通过沟槽或沟槽结构140弹簧部分130的弹簧硬度的灵敏度将被调节成第一装置100′的弹簧部分130′的较高灵敏度。 

所述有关根据图2A的实施例以类似的方法适用于根据图2C和2E的微机械系统。 

在此，根据图2C和2E的实施例中，在制造过程中可以从一层110中或两层110、110′中制造所述实施例。在此情况下，两个“器件”都从一层110中制造，它们可以作为单个器件留下，换言之，被称为根据图2C和2E的器件的例如扭转弹簧元件或挠曲计元件的两个摆动器元件，或被切为两个独立的器件。 

图3显示了用于制造具有调节的弹簧硬度和/或谐振频率的微机械器件的方法的流程图的实施例。 

在310中，设置层110。 

在320中，在层110中制造至少一个切口120，以便限定通过层110的弹簧部分130使摆动元件15被可摆动地悬挂。 

在330中，在层110的主表面112内在弹簧部分130中形成至少一个沟槽140。 

上述方法的可选实施例包括以下特征。 

在320中：在层110中制造至少第一切口120′，以便限定通过层110的弹簧部分130′被可摆动地悬挂的摆动元件150，以及在层110中制造至少第二切口120，以便限定通过层110的弹簧部分130被可摆动地悬挂的摆动元件150(与图2E类似)。 

在330中：在层110的主表面112内在第二弹簧部分中形成沟槽140，并在层110的主表面112内在第一弹簧部分130中形成沟槽140′。 

在此，第一摆动元件150′的谐振频率f₁与第二摆动元件150的谐振频率f₂不同，形成第一弹簧部分130′、第二弹簧部分130和沟槽140，从而在第一弹簧部分130′和第二弹簧部分130的各向异性横向材料移除-Δb和第一弹簧部分130′和第二弹簧部分130的各向异性横向材料增加+Δb的情况下，第二摆动元件150的谐振频率的相对变化与第一摆动元件150′的谐振频率的相对变化的比率V_s范围从0.8至1.2。 

在另一个实施例中，第一摆动元件150′的谐振频率f₁小于第二摆动元件150的谐振频率f₂。 

在又一个实施例中，所述方法用于例如制造根据图2C的微机械系统和根据图2A的二维微镜。 

如在图3中所图示的，可以以三个连续的步骤执行所述方法。 

然而，在可选实施例中，在一个方法步骤中，例如通过相同和不同剂量的蚀刻可以同时执行320和330，以便在一个方法步骤中产生切口或多个切口120、120′和沟槽140、142，其中在相等的高剂量的情况下，所述沟槽140、142和切口120是连续的，且在不同剂量的情况下沟槽140、142不是连续的，而仅仅基于剂量形成某一深度。 

先前解释的切口和附加沟槽的制造不仅具有省略一个工序的优点，还确保了至少所述过程的整体变量在微机械器件的所有部分的切口和沟槽 的形成或在例如将在系统中以某一频比工作的所有微机械器件的切口和沟槽的形成具有相同的影响。 

在所述方法的再一个实施例中，通过层110内的切口限定场部件和摆动元件也可以发生在在“未来”的弹簧部分中形成330沟槽之后。 

在所述方法的另一个实施例中，例如在制造之前，相对于其在弹簧部分上的长度、宽度、深度和布置或位置设计或“安排”沟槽结构140，从而对于尽可能宽的制造变量范围，即，对于尽可能大的厚度变化范围，弹簧硬度对制造变量的灵敏度具有尽可能相等的给定灵敏度。 

在制造根据图2A的微机械器件或根据图2C或2E的微机械器件的方法中，通过沟槽结构达到上述的“给定灵敏度”由对例如另一个更加敏感的弹簧部分的弹簧硬度对制造变量的灵敏度确定，以便获得两个弹簧部分的谐振频率的给定频比。 

在所述方法的又一个实施例中，首先制造没有沟槽结构的微机械器件，确定弹簧硬度和/或实际谐振频率(见310、320)，然后例如通过蚀刻沟槽向后形成到一个弹簧部分或几个弹簧部分内，从而调节弹簧硬度和/或谐振频率适应于目标频率或调节弹簧硬度和/或谐振频率以便获得与相同或另一个微机械器件的弹簧部分的谐振频比。 

再一个实施例是为了设计如上解释的一个沟槽结构或多个沟槽结构的一种用于设计(布置)微机械器件的设备，或一种用于调节微机械器件的灵敏度的设备。用于设计微机械器件的设备的实施例包括：用于设计或接收不具有附加沟槽的微机械器件的设计数据的装置；用于限定微机械器件的弹簧元件的弹簧硬度的灵敏度的装置；和用于确定在微机械器件的生产过程中形成在层的主表面上的微机械器件的弹簧部分中的一个沟槽或多个沟槽的结构和布置从而获得弹簧硬度的限定的或给定的灵敏度的装置。 

在此，确定沟槽的结构和布置的装置可以形成为基于制造变量的统计模型，从具有相应结构和布置信息的沟槽库中确定层材料参数、方法参数(见整体变量、局部变量和方向依赖性变量的原因及其影响)、在弹簧部分中有待制造的沟槽的最优结构和布置、或通常在弹簧部分中有待形成几个沟槽的沟槽结构。 

总之，基于有待制造的弹簧几何结构的制造变量对弹簧硬度的相对变量具有影响，因此，对器件的摆动频率的相对变量具有影响。本发明的一个实施例使具有附加构造的微机械弹簧元件的设计。此构造影响了弹簧硬度对制造变量的灵敏度。然后，可以实现具有各种硬度但是对制造变量具有相当灵敏度的弹簧部分。安装有该弹簧部分的器件确实仍具有摆动频率的变量，然而大体上可以减少所述器件的两个本征频率的频比的变量。 

此外，实施例涉及用于减少在具有至少两个谐振使用的自由度的器件中的频比的变量的设备和方法，其中例如在弹簧部分中被蚀刻的沟槽的几何结构用作目标调节和/或对制造变量的灵敏度调节。因此，这可以被称为“敏感度调谐”。在此，特别地，如果至少在一个芯片即例如微机械器件上或相对于彼此被调谐的两个或更多芯片上(见图2C)光刻或蚀刻变量是相同的，那么可以达到好的效果。仅延伸通过甚至更小区域的局部变量，即在同一芯片上的变量，例如不能平衡。 

正如基于上述实施例所解释的那样，除了扭转摆动器之外，也可以补偿例如平动摆动器，其中所述实施例通常涉及微机械器件。换言之，实施例涉及多个沟槽或沟槽结构的集成，用于调谐谐振微系统(例如二维微镜的二维扭转摆动器)或具有几个质量和/或样式的摆动系统中的灵敏度，用于降低由制造变量引起的频比的偏差。在类似于图2A和2C的另一个实施例中，因此，各种弹簧部分或弹簧部分对或摆动元件(见图2C)可以具有各种质量和/或样式，以及相对于彼此被调谐动谐振频率。 

即使基于区间和扭转弹簧元件解释了所有上述本发明的实施例，这也不能看作为限制。 

可能的应用在于实现微系统用于a)数据捕捉，例如二维扫描仪、显微镜等，b)数据输出：激光显示器、激光打印机、激光施照器等，c)光束调制：处理傅里叶光谱仪，路径长度调制等，和d)压力、加速度、粘度传感器。 

在此，可以选择例如图1C、2A、2C和2E中所示的实施例使得相对的弹簧部分的相对的沟槽结构或几个沟槽结构关于与由两个相对的弹簧部分限定的弹簧元件的轴线相正交的弹簧元件的中心轴线对称布置，从而获得在两个弹簧部分上的灵敏度的均匀变化，即，见图1C，第一和第二弹簧 部分130、132和第一沟槽结构140和第二沟槽结构142关于轴线154成对称布置。 

在可选实施例中，相对于彼此为某一频比的各种弹簧元件的弹簧部分可以为不同长度，和/或弹簧元件本身可以例如具有不同质量，从而不仅通过弹簧部分的宽度确定频比，而且通过弹簧部分和弹簧元件的长度和/或质量和/或质量惯性矩确定频比。在此情况下，相应的沟槽结构也可以用于调节对制造变量的灵敏度，从而能够无视制造变量制造出符合给定的谐振频比的微机械器件。 

根据上述条件，可以在硬件中或软件中实施上述发明方法的实施例。可以实施在数字存储媒体中，特别是具有与可编程序的计算机系统配合的电子可读控制信号的软盘、CD或DVD从而实施所述发明方法的实施例中的其中之一。总之，由此，当在计算机或在处理器中执行其中一个软件程序产品时，本发明的实施例也在于具有存储在机器可读载体上的程序代码的用于实施所述发明方法的其中一个实施例的软件程序产品、计算机程序产品或程序产品中。换言之，由此，当在处理器中执行所述程序时，本发明的实施例可以被实现为具有用于执行所述发明方法的实施例的计算机程序或软件程序或程序代码。 

在此，所述处理器可以由计算机、芯片卡、数字信号处理器或其它集成电路形成。 

Claims (25)

1.一种微机械器件(100；100′)，包括：

层(110)；

形成在层(110)内的第一切口(120′)，用于限定第一摆动元件(150′)，所述第一摆动元件(150′)通过层(110)的第一弹簧部分(130′)被可摆动地悬挂；和

形成在层(110)内的第二切口(120)，用于限定第二摆动元件(150)，所述第二摆动元件(150)通过层(110)的第二弹簧部分(130)被可摆动地悬挂，其中沟槽(140)在层(110)的主表面(112)中形成在第二弹簧部分(130)内，

其中第一摆动元件(150′)的谐振频率(f₁)与第二摆动元件(150)的谐振频率(f₂)不同，并且如此形成第一弹簧部分(130′)、第二弹簧部分(130)和沟槽(140)使得在第一弹簧部分(130′)和第二弹簧部分(130)的各向异性横向材料移除(-Δb)或各向异性横向材料增加(+Δb)的情况下，第二摆动元件(150)的谐振频率的相对变化与第一摆动元件(150′)的谐振频率的相对变化的比率(V_s)范围为从0.8至1.2。

2.根据权利要求1中所述的微机械器件，其中第一摆动元件(150′)的谐振频率(f₁)小于第二摆动元件(150)的谐振频率(f₂)。

3.根据权利要求1中所述的微机械器件，其中第二摆动元件(150)的谐振频率(f₂)与第一摆动元件(150′)的谐振频率(f₁)比率在范围0.5至2之外。

4.根据权利要求1中所述的微机械器件，其中第二摆动元件(150)的谐振频率(f₂)与第一摆动元件(150′)的谐振频率(f₁)比率在范围0.8至1.2之外，且第二摆动元件(150)的谐振频率的相对变化与第一摆动元件(150′)的谐振频率的相对变化的比率(V_s)范围为从0.9至1.1。

5.根据权利要求1中所述的微机械器件，其中沟槽(140)包括直的或弯曲的构造。

6.根据权利要求1中所述的微机械器件，其中沟槽(140)形成为从主表面(112)到与所述主表面相对的第二主表面至少部分连续。

7.根据权利要求1中所述的微机械器件，其中多个沟槽(140′、140″、140″′)在所述层的主表面(112)中形成在第二弹簧部分(130)内。

8.根据权利要求7中所述的微机械器件，其中多个沟槽(140′、140″、140″′)的至少部分彼此平行地布置。

9.根据权利要求8中所述的微机械器件，其中多个沟槽(140′、140″、140″′)的至少部分彼此前后布置成线。

10.根据权利要求1中所述的微机械器件，其中另一切口(122)紧接着第二切口(120)形成在层(110)内，以便与第二切口(120)一起限定与层的第二弹簧部分(130)和第二摆动元件(150)相对布置的另一弹簧部分(132)，其中所述第二摆动元件(150)通过第二弹簧部分(130)和另一弹簧部分(132)被可摆动地悬挂，并且另一沟槽(142)在层(110)的主表面(112)中形成在另一弹簧部分(132)内。

11.根据权利要求10中所述的微机械器件，其中所述沟槽(140)和另一沟槽(142)关于第二摆动元件(150)的中心轴线(154)对称布置，其中所述中心轴线(154)与由所述沟槽(140)和另一沟槽(142)限定的第二摆动元件(150)的中心轴线(152)正交。

12.根据权利要求1所述的微机械器件(100)，其中所述沟槽(140)以凹陷的形式在层(110)的主表面(112)中形成在所述第二弹簧部分(130)内。

13.根据权利要求1所述的微机械器件(100)，其中所述沟槽(140)在层(110)的主表面(112)中形成在所述第二弹簧部分(130)内，其中沟槽(140)的长度短于所述第二弹簧部分(130)的长度。

14.一种微机械器件，包括层(110)，其中形成至少两个外切口(172、174)用于限定第一摆动系统，所述第一摆动系统具有摆动框架(170″)，所述摆动框架通过层(110)的一对外弹簧部分(180，182)被可摆动地悬挂，且其中至少两个内切口(120、122)在层(110)中形成在摆动框架(170″)内，以便限定第二摆动系统，所述第二摆动系统具有摆动元件(150)，所述摆动元件通过所述层的一对内弹簧部分(130、132)被可摆动地悬挂，其中第一摆动系统的谐振频率(f₁)与第二摆动系统的谐振频率(f₂)不同，其中沟槽(140、142)在层(110)的主表面(112)中形成在该对内弹簧部分(130、132)或该对外弹簧部分(180，182)内，且其中如此形成内弹簧部分(130、132)、外弹簧部分(180、182)和沟槽(140、142)使得在内弹簧部分(130、132)和外弹簧部分(180、182)的各向异性横向材料移除(-Δb)或各向异性横向材料增加(+Δb)的情况下，第二摆动系统的谐振频率的相对变化与第一摆动系统的谐振频率的相对变化的比率(V_s)范围为从0.8至1.2。

15.根据权利要求14中所述的微机械器件，其中第一摆动系统的谐振频率(f₁)小于第二摆动系统的谐振频率(f₂)，并且沟槽(140、142)形成在该对内弹簧部分(130、132)内。

16.根据权利要求14中所述的微机械器件，其中该对内弹簧部分(130、132)位于摆动元件(150)的第一中心轴线(152)上，所述第一中心轴线(152)形成摆动元件(150)的、通过所述内弹簧部分(130、132)的枢转轴线，且该对外弹簧部分(180、182)布置在摆动元件(150)的第二中心轴线(154)上，第二中心轴线(154)与第一中心轴线(152)正交。

17.一种微机械系统，包括：

第一微机械器件(100′)，所述第一微机械器件(100′)包括：

第一层(110′)，至少一个第一切口(120′)形成在所述第一层(110′)中，用于限定通过所述第一层的第一弹簧部分(130′)被可摆动地悬挂的第一摆动元件(150′)；和

第二微机械器件(100)，所述第二微机械器件(100)包括：

第二切口(120)，形成在所述第一层(110′)或第二层(110)中，用于限定通过第二弹簧部分(130)被可摆动地悬挂的第二摆动元件(150)，其中沟槽(140)在所述第一层(110′)或第二层(110)的主表面中形成在第二弹簧部分(130)内，

其中第一摆动元件(150′)的谐振频率(f₁)与第二摆动元件(150)的谐振频率(f₂)不同，且如此形成第一弹簧部分(130′)、第二弹簧部分(130)和沟槽(140)使得在第一弹簧部分(130′)和第二弹簧部分(130)的各向异性横向材料移除(-Δb)或各向异性横向材料增加(+Δb)的情况下，第二摆动元件(150)的谐振频率的相对变化与第一摆动元件(150′)的谐振频率的相对变化的比率(V_s)范围为从0.8至1.2。

18.根据权利要求17中所述的微机械系统，其中第一摆动元件(150′)的谐振频率(f₁)小于第二摆动元件(150)的谐振频率(f₂)。

19.根据权利要求17中所述的微机械系统，其中在第二微机械器件(100)中，除了第二切口(120)之外的另一切口(122)形成在第二切口(120)形成于其中的第一层(110’)或第二层(110)内，以便与第二切口(120)一起限定与第二弹簧部分(130)和第二摆动元件(150)相对布置的另一弹簧部分(132)，其中通过另一弹簧部分(132)和第二弹簧部分(130)所述第二摆动元件(150)被可摆动地悬挂，并且另一沟槽(142)在所述第一层(110′)或第二层(110)的主表面中形成在所述另一弹簧部分(132)内。

20.一种用于设计具有适配的灵敏度的微机械器件的设备，包括：

用于接收微机械器件的设计数据的装置；

用于限定微机械器件(100)的弹簧部分(130)相对于制造变量的灵敏度的装置；和

用于确定沟槽(140)的结构和布置的装置，在微机械器件(100)的层的生产过程中所述沟槽(140)在层(110)的主表面(112)中形成在微机械器件(100)的弹簧部分(130)内，以便获得弹簧部分的限定的灵敏度，

其中用于限定灵敏度的装置形成用于调整弹簧部分(130)的灵敏度至另一弹簧部分(130′)的制造变量的灵敏度，其中通过所述另一弹簧部分(130′)被可摆动地悬挂的另一摆动系统(150′)的谐振频率(f₁)与通过弹簧部分(130)被可摆动地悬挂的摆动系统(150)的谐振频率(f₂)不同；并且

其中用于确定的装置形成为限定沟槽(140)从而在生产过程中，使得在所述另一弹簧部分(130′)和所述弹簧部分(130)的各向异性横向材料移除(-Δb)或各向异性横向材料增加(+Δb)的情况下，摆动系统(150)的谐振频率的相对变化与所述另一摆动系统(150′)的谐振频率的相对变化的比率(V_s)范围为从0.8至1.2。

21.根据权利要求20中所述的设备，其中另一摆动系统(150′)的谐振频率(f₁)小于摆动系统(150)的谐振频率(f₂)。

22.一种用于制造微机械器件(100)的方法，包括步骤：

设置(310)层(110)；

在层(110)中制造(320)第一切口(120′)，用于限定通过层(110)的第一弹簧部分(130′)被可摆动地悬挂的第一摆动元件(150′)；

在层(110)中制造(320)第二切口(120)，用于限定通过层(110)的第二弹簧部分(130)被可摆动地悬挂的第二摆动元件(150)；和

在层(110)的主表面(112)内在第二弹簧部分(130)中形成(330)沟槽(140)，

其中第一摆动元件(150′)的谐振频率(f₁)与第二摆动元件(150)的谐振频率(f₂)不同，且如此形成第一弹簧部分(130′)、第二弹簧部分(130)和沟槽(140)，使得在第一弹簧部分(130′)和第二弹簧部分(130)的各向异性横向材料移除(-Δb)或各向异性横向材料增加(+Δb)的情况下，第二摆动元件(150)的谐振频率的相对变化与第一摆动元件(150′)的谐振频率的相对变化的比率(V_s)范围为从0.8至1.2。

23.根据权利要求22中所述的方法，其中第一摆动元件(150′)的谐振频率(f₁)小于第二摆动元件(150)的谐振频率(f₂)。

24.根据权利要求22中所述的方法，其中在一个制造步骤中完成制造(320)所述第一切口(120′)、制造(320)所述第二切口(120′)和在所述第二弹簧部分(140)内形成(330)所述沟槽(140)。

25.根据权利要求22中所述的方法，其中至少在制造(320)所述第一切口(120′)、制造(320)所述第二切口(120′)和在所述第二弹簧部分(140)内形成(330)所述沟槽(140)时的制造条件是相同的。

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