CN112368232A - 包括可移动结构元件的mems和mems阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS，该MEMS包括基板，该基板具有在基板平面上方升高的基板延伸部。该MEMS包括可移动结构元件、将可移动结构元件机械地连接到基板延伸部的第一弹簧元件、以及将可移动结构元件机械地连接到基板延伸部的第二弹簧元件。第一弹簧元件和第二弹簧元件形成可移动结构元件相对于基板延伸部的平行四边形引导件。

Description

包括可移动结构元件的MEMS和MEMS阵列
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)，尤其涉及一种包括基于弹簧元件而能够偏转的可移动结构的MEMS，并且涉及一种MEMS阵列。本发明还涉及一种MEMS致动器，其包括借助于双弹簧的直线引导件。
本发明还涉及MEMS致动器的设计。
MEMS致动器可以用于诸如扫描镜、光学交叉连接开关、微阀、电气微开关等的多种应用中。这里特别相关的是光板调制器，其中，致动器(主要为二维阵列)根据需要使与其连接的微镜移动和定位。
在大多数情况下，可移动致动器部件的位置由施加的电信号控制。在多种情况下，可以采用作为物理效应的静电吸引，但是也可以采用电磁力以及压电膨胀或热膨胀。
由于可能执行的移动类型，旋转/倾斜致动器和平移致动器以及允许两种类型的移动的致动器类型之间有所区别。在后一种情况下，移动部件既可以通过悬架的类型被固定地联接，也可以被几个控制信号(例如，活塞尖端倾斜)单独控制。移动的类型以及所需的偏转通常由应用的物理参数和边界条件决定。这些可以是例如待调制的光的波长或扫描仪的角度范围。
通常，大量这种致动器在一个平面内布置在、密集地包装在载体基板上，并且期望的偏转方向垂直于该平面。微镜的形状和尺寸通常受应用和光学边界条件的限制。小的镜子允许紧凑的组件和大的衍射角，因此通常是首选。它们的尺寸还决定了用于致动器的弹性悬架或弹簧的设计的可用空间。除弹簧以外，该有限的空间还必须容纳其固定件，即支柱。
在迄今为止已知的用于平移移动的MEMS致动器中，弹簧通常在一种技术水平内制造，即在一个步骤中被从均匀材料层中蚀刻掉。它们的几何构型具有对称性，使得在偏转时不会出现不希望的倾斜。在正方形或矩形布置中，通常会发现四个类似的弹簧，有时只有两个类似的弹簧；在六角镜中，通常使用三个类似的弹簧，有时使用六个类似的弹簧。这些弹簧布置几乎总是具有对应的流形旋转对称，通常还具有一个或多个镜像对称。它们需要与至少一个弹簧的一端连接的至少两个锚定点或支柱。
原则上，可以将几个弹簧附接到一个支柱，由此这些弹簧将被电连接。由于弹簧也形成了到可移动致动器部件的供电线，因此所有致动器将具有相同的电势，然而这在这里是不希望的。为了分别对致动器进行电寻址，因此每个致动器将需要几个支柱。剩余的空间与仍可生产的最小结构尺寸和层厚度的结合通常仅允许使用与可能实施的寻址力相比相当坚硬的弹簧。
如果致动器借助于弹簧悬挂在几个支柱上，则弹簧平面内与生产相关的应力或热应力可能会显著影响弹簧常数。如果弹簧在径向上是直的，则这种影响会尤其强烈。在这种情况下，应力一旦内置或由热引起，就可能不会松弛。另外，由于支柱悬架和致动器之间的距离随着偏转的增加而增加，因此弹簧力是明显非线性的，由此弹簧被扩展。这种非线性也可能是有利的，请参见[1]，但是同时对层应力的依赖性使该弹簧的几何构型难以控制。
因此，扭结或弯曲的弹簧或倾向于沿方位角方向放置的弹簧，通常用于现有技术的平移镜，例如参见[2]。因此，弹簧常数的应力依赖性以及非线性变得较小，但不会完全消失。
弹簧的扩展程度也可以大于悬挂在弹簧上的镜子，例如参见[3]，这可能导致偏转方向被设计得相当柔和。然而，如果这种致动器的阵列被密集布置，则每个像素可用的面积不受此影响。理想地，这种弹簧布置可以导致平移移动，但是在来自外部的不对称载荷的情况下，例如由于制造而引起的不对称和误差，不希望的倾斜将容易与预期的平移重叠，因为就所关注的倾斜而言，这种弹簧布置不可避免地相当柔软。
例如，如[4]中所述，已知对倾斜灵敏度低的良好的平行引导来自平移惯性传感器。然而，这里，期望的移动在生产水平面内发生，并且弹簧布置仅防止可移动部件围绕垂直于该生产水平面的轴线扭转，而不能防止在该平面内围绕轴线倾斜。针对每个移动自由度使用四个弹簧，以便更好地防止由于这样获得的对称性而引起的不想要的扭曲或倾斜。另外，所有弹簧均在单种技术生产水平和/或单个光刻步骤中被制造。该解决方案不适用于垂直于基板的平移运动，并且不能紧凑地布置用于非常小的元件的大阵列。
不对称的弹簧布置在现有技术中也是已知的，例如从[5]中已知，但是这些弹簧布置旨在用于倾斜的移动模式，并且不适合于完全平行的平移。根据[6]的概念描述了一种方法，其中平移总是与倾斜重叠。
即使根据[7]的解决方案也无法提供最佳结果。取决于特定的应用，在强烈的外部倾斜影响或由于制造公差而在弹簧和驱动元件之间的相对位置误差的情况下，这种构思可以允许不可接受的倾斜。此外，在致动器的各自不同的电位的情况下，不能实现微镜的公共电位。
本发明的一个目的是创建一种MEMS和MEMS阵列，其能够实现可移动结构的精确偏转，这种偏转相对于制造公差和外部影响是稳固的。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。
通过将两个弹簧布置在不同的弹簧平面内，可以在很大程度上避免在外部影响下的倾斜，从而使得可移动结构的精确和稳固的定位成为可能。通过将两个弹簧都悬挂在一侧上，可以减轻与生产相关的应力，这也有助于提高精度。
根据一个实施例，一种MEMS包括基板，该基板在基板平面内延伸并且具有在基板平面上方升高的基板延伸部。MEMS包括可移动结构元件，将可移动结构元件机械地连接到基板延伸部的第一弹簧元件，以及将可移动结构元件机械地连接到基板延伸部的第二弹簧元件，第一弹簧元件和第二弹簧元件提供可移动结构元件相对于基板延伸部的平行四边形引导件。平行四边形引导件允许可移动结构元件的精确和稳固定位。
根据一个实施例，处于无力状态的第一弹簧元件至少部分地设置在第一弹簧平面内，第一弹簧平面与基板平面平行布置，并且处于无力状态的第二弹簧元件至少部分地设置在第二弹簧平面内，第二弹簧平面与基板平面平行布置并且与第一弹簧平面以平面间距间隔开以提供平行四边形引导件。
根据一个实施例，第一弹簧元件和第二弹簧元件在可移动结构元件沿垂直于基板平面的位移方向偏转时提供可移动结构元件的沿垂直于位移方向的第一方向和第二方向的位移，该位移在相对于平面间距的5％的公差范围内是相同的。这使得可移动结构元件少量倾斜。
根据一个实施例，平行四边形引导件形成为使得第一弹簧元件在基板延伸部处和可移动结构元件处的附接区域以及第二弹簧元件在基板延伸部处和可移动结构元件处的附接区域在无力状态下形成平行四边形。
根据一个实施例，第一弹簧元件在基板延伸部处和可移动结构元件处的附接区域以及第二弹簧元件在基板延伸部处和可移动结构元件处的附接区域布置在公共平面内，该公共平面布置成在±10°的公差范围内与基板平面垂直。
根据一个实施例，第一弹簧元件和第二弹簧元件在与可移动结构元件的移动方向平行的投影在±10％的公差范围内是全等的。这使得能够在使用相同蚀刻掩模的同时通过蚀刻工艺形成弹簧元件，并且相同的形状同时允许弹簧元件吸收相同或至少相似的力，从而能够使位置调整的精度高。
根据一个实施例，可移动结构元件由第一弹簧元件和第二弹簧元件悬挂，使得可移动结构元件可以在±5°的公差范围内沿与基板延伸部平行的位移方向偏转而不倾斜，这能够使MEMS功能的精度高。
根据一个实施例，MEMS包括致动器，该致动器被配置为引起第一弹簧元件和第二弹簧元件的偏转，这使可移动结构元件能够精确定位。
根据一个实施例，致动器包括静电驱动器。静电驱动器使功能元件能够精确偏转。
根据一个实施例，静电驱动器包括至少一个基板电极和机械地连接到可移动结构元件的可移动电极，其中，施加在基板电极和可移动电极之间的电压引起可移动结构元件偏转。这允许在复合物/阵列中对单个MEMS进行单独寻址。
根据一个实施例，可移动电极设置在第一弹簧平面和第二弹簧平面之间；或者第一弹簧平面和基板之间。这允许致动器沿移动方向进行节省空间的布置，例如布置在功能元件下方或上方。
根据一个实施例，所述至少一个基板电极是第一基板电极，MEMS包括第二基板电极，可移动电极设置在第一基板电极和第二基板电极之间，其中，可以通过与可移动电极相关的电压以针对每个电极的方式单独控制第一基板电极和第二基板电极。这使得可移动结构元件沿正移动方向和负移动方向产生主动偏转。
根据一个实施例，致动器包括压电驱动器、静电梳状驱动器、磁性致动器和/或热致动器中的至少一个。这使得MEMS能够适应不同的应用条件。
根据一个实施例，基板延伸部形成为支柱结构，该支柱结构具有一横截面，该横截面具有两个任意横向扩展方向的纵横比，该纵横比具有至少为0.1和最大为10的值。
根据一个实施例，可移动结构元件具有功能元件，该功能元件基于可移动结构元件的移动相对于基板能够移动。
根据一个实施例，第一弹簧元件和/或第二弹簧元件形成为至少在一些区段中为直的。这允许弹簧元件的几何构型简单。
根据一个实施例，第一弹簧元件和/或第二弹簧元件在中心区域中包括相对于外部区域的加强件或者形成为固态接头。这使得弹簧元件在垂直于预定偏转方向的移动方向上具有高水平的力吸收和高水平的刚度。
根据一个实施例，第一弹簧元件和/或第二弹簧元件形成为包括第一弹簧段和第二弹簧段，第一弹簧段和第二弹簧段连接到第三弹簧段，第三弹簧段机械地连接到可移动结构元件，第一弹簧段和第二弹簧段机械地连接到基板延伸部和第三弹簧段。这允许弹簧元件本身可以进行倾斜补偿，这可以进一步提高引导的精度。
根据一个实施例，MEMS还包括至少第三弹簧元件，第三弹簧元件设置在可移动结构元件和基板之间且位于第一弹簧平面或第二弹簧平面内。这能够使可移动结构元件抵抗平行于基板平面的力的支撑特别坚固。
根据一个实施例，当投影到基板平面中时，第三弹簧元件相对于第一弹簧元件形成大于0°且最大为120°的角。这种倾斜布置使可移动结构元件在旋转或横向位移期间具有高水平的力吸收。
根据一个实施例，第三弹簧元件设置在第一弹簧平面内，MEMS包括第四弹簧元件，第四弹簧元件设置在第二弹簧平面内并将可移动结构元件连接到基板。这使得能够在两个不同的平面内以特别高的精度引导可移动结构元件，从而提供了特别高的抵抗倾斜的坚固度。
根据一个实施例，基板延伸部为第一基板延伸部，其中，至少第三弹簧元件布置在可移动结构元件和连接到基板的第二基板延伸部之间。这使得抵抗倾斜的紧固度特别高。
根据一个实施例，可移动结构元件包括功能元件。基板延伸部从功能元件的与基板平行的表面的质心横向偏移。这允许功能元件的偏转幅度较高。
根据一个实施例，功能元件包括镜子。这使得MEMS能够在光学应用中得到应用。
根据一个实施例，可移动结构元件形成为至少在一些区域内是电绝缘的，以便使第一弹簧元件和第二弹簧元件彼此电绝缘。这使得可以向例如可以连接到电极的可移动结构元件的不同区域供应不同的电位。
根据一个实施例，第一弹簧元件和第二弹簧元件沿平行于基板平面的方向的各自刚度是沿位移方向的刚度的至少5倍。这允许进一步增加倾斜的自由度。
根据一个实施例，阵列包括根据本文描述的实施例的多个MEMS。
根据一个实施例，多个MEMS按照多边形图案布置。
根据一个实施例，多个MEMS布置为多个平行阵列行，其中，第一阵列行和直接相邻的第二阵列行的MEMS布置成彼此偏移。这允许布置相对较长的弹簧元件。
根据一个实施例，MEMS的电极具有适于相邻阵列行的MEMS的基板延伸部的凹部。这使得进一步提高利用驱动器表面积的效率。
根据一个实施例，可以在可移动结构元件的偏转方面单独或成组地控制多个MEMS。这允许阵列的应用范围广泛。
根据一个实施例，多个MEMS布置在与行延伸方向平行的多个阵列行中，其中，直接相邻行的MEMS相对于列方向彼此偏移。多个MEMS的第一弹簧元件和第二弹簧元件与行延伸方向平行布置。与相应的MEMS的可移动结构元件连接的功能元件与该MEMS的相关联基板延伸部不重叠。与相应的MEMS的可移动结构元件连接的电极具有适于直接相邻阵列行的MEMS的基板延伸部的凹部。这种均匀的布置使得利用可移动元件的表面积的效率非常高。
根据一个实施例，在投影与可移动结构元件的移动方向平行的情况下，连接到可移动结构元件的功能元件具有至少80％的面积密度。可移动功能元件以镶块的方式布置。这允许阵列的有利利用，特别是在光学应用中有利。
根据一个实施例，多个MEMS的功能元件各自形成多个像素的一个像素，并且所述多个像素中的像素以像素间距进行重复。沿第一弹簧元件和/或第二弹簧元件的轴向延伸方向的弹簧长度大于像素间距。这使得弹簧元件沿弹簧元件的预定偏转方向能够具有高度的灵活性。
下面将参考附图解释优选实施例，其中：
图1示出根据实施例的MEMS的示意性透视图；
图2示出根据实施例的MEMS的示意性透视图，该MEMS具有布置在两个支柱之间的两个弹簧元件；
图3示出根据实施例的MEMS的示意性截面侧视图，其中，电极沿z方向布置在一个弹簧元件和另一个电极之间；
图4示出了根据实施例的MEMS的示意性截面侧视图，其中，除了图3的基板电极之外，还布置了第二基板电极。
图5a示出根据实施例的MEMS的一部分的示意性顶视图，其中，弹簧元件形成为螺旋形；
图5b示出根据实施例的MEMS的一部分的示意性顶视图，其中，弹簧元件在一些区段中形成为直和曲折的；
图5c示出根据实施例的MEMS的一部分的示意性顶视图，其中，倾斜补偿式弹簧元件在支柱之间延伸；
图6a示出根据实施例的MEMS的示意性顶视图，其中，第一弹簧元件和第三弹簧元件在第一弹簧平面内从共同的基板延伸部悬挂；
图6b示出根据实施例的MEMS的示意性顶视图，其中，第一弹簧元件和第三弹簧元件在第一弹簧平面内从两个不同的基板延伸部悬挂；
图7示出根据实施例的MEMS的示意性透视图，其中，弹簧元件形成为固态接头结构，或者在其中心处被加强；
图8a示出根据实施例的规则阵列的示意性顶视图；
图8b示出根据实施例的阵列的示意性顶视图，其中，弹簧元件相对于阵列的行延伸方向倾斜地布置；以及
图8c示出根据实施例的阵列的示意性顶视图，其中，阵列行布置成彼此偏移。
在基于附图详细说明本发明的以下实施例之前，应当指出，不同附图中相同、功能相同或作用相同的元件、对象和/或结构具有相同的附图标记，使得在不同实施例中提供的这些元件的描述是可互换的或相互适用的。
以下示例涉及被设计为用于使可以连接到功能元件的可移动结构元件偏转的微机电系统(MEMS)。尽管以下实施例涉及包括镜子(尤其是微镜)的可移动功能元件，但在例如透镜、滤光片等的光学场和例如用于建立电接触或改变机械距离的其它场中均可以布置任何其他功能元件。
可以用半导体技术制造MEMS；为此，多层布置特别适合，包括导电层、绝缘层和半导体层，其可以由这些层或气隙隔开。例如，可以通过多层片结构来获得MEMS，通过选择性去除堆叠材料(例如通过蚀刻工艺)来减少该多层片结构以暴露MEMS结构。基板可以是硅材料，例如单晶硅、多晶硅或掺杂硅材料。可以在不同层中产生导电性，例如用于提供电极的功能性。例如，其他层可以金属化，例如用于提供反射表面和/或导电表面。
图1示出根据实施例的MEMS 10的示意性透视图。MEMS 10包括基板12，例如完整的晶片，或者可替代地，部分或完全切割好的半导体晶片。基板12可以形成平行于基板平面14的表面，并且可以至少部分地在基板平面14内延伸。例如，基板平面14布置成与晶片的主面平行，该主面可以简单地称为顶面或底面，而这些术语不具有限制作用，因为诸如顶、底、左、右、前、后等术语可基于MEMS 10在空间中的方向的改变而变化或互换。
基板延伸部16可以提供附加的结构，并且可以例如与基板12的主面的表面法线18平行地从基板平面14中升高。这意味着基板延伸部16具有垂直于基板表面14的延伸尺寸，该延伸尺寸也可以称为高度。基板延伸部16可以是基板12的一件式或多件式部件，可以由叠层形成，和/或可以是机械上坚固的，并且简言之，可以是被认为不动的布置元件。在下文中，基板延伸部16将被称为支柱，但这并不意味着对基板延伸部16的几何构型有任何限制。支柱结构的横截面可以例如具有任意两个横向扩展方向的纵横比。横向方向可以平行于方向x和y，方向x和y例如布置成与基板平面14平行。可替代地，纵横比还可以指在相对于其倾斜和/或彼此倾斜布置的方向上的扩展。根据实施例的纵横比(即沿第一方向的扩展值相对于沿第二方向的扩展值)可以具有至少为0.1和最大为10的值，但根据替代实施例的纵横比也可以与根据实施例的纵横比不同。
支柱16描述的是基板12的一部分或机械地连接到基板12且被认为相对于基板12不可移动的元件，即使高机械力可能导致支柱16的轻微变形。支柱16可以由与基板12相同的材料形成，也可以由不同的材料形成。例如，支柱16可以沿其轴向延伸形成为基于不同材料和/或掺杂剂而在不同部分中是导电的或电绝缘的，例如，该不同材料和/或掺杂剂使至少一个电势能够传导到不同的附接区域，但也可以使一个以上的电势能够传导到不同的附接区域。
支柱16可以相对于基板平面14升高或者可以延伸出基板平面14。为此，支柱16可以与基板12的表面法线18平行地倾斜或延伸出基板平面14，并且表面法线18可以垂直地布置在基板平面14上。尽管支柱16可以沿垂直于表面法线18的一个或多个方向具有可变扩展，但是支柱16仍然可以平行于表面法线18延伸。尽管其他定向方向也是可能的，但将支柱16与表面法线18平行对齐允许简化制造工艺。
为了更好地理解本文所描述的实施例，可以将表面法线18理解为平行于高度方向，该高度方向描述了例如三维笛卡尔坐标系的z方向。方向x和y可以描述其横向的方向，其中x/y平面可以在空间上布置成与基板平面14平行。
MEMS 10包括可移动结构元件22。根据一个实施例，可移动结构元件22与第一支柱16平行延伸。根据替代实施例，可移动结构元件22也可以相对于第一支柱倾斜地延伸或垂直于第一支柱延伸，尽管如此，三维主体仍然沿z方向扩展。根据实施例，可移动结构元件可以形成为支柱结构或支柱。尽管以下说明将可移动结构元件22的设计称为支柱，该支柱相对于第一支柱16被称为第二支柱，但可以使用或实现与表面法线平行延伸且与支柱16平行延伸的不同几何构型。通过沿高度方向延伸，第二支柱22也可以形成为一件或多件并且可以具有诸如金属、合金、硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝等的单层，或者多个层。
第二支柱22可以沿x方向和/或沿y方向具有与第一支柱16相同或不同的尺寸。第二支柱22的横截面的纵横比可以与第一支柱16的纵横比不同，但是也可以相同。第二支柱22也可以形成为一层或多层，并且不同的层例如在导电性方面可以具有不同的机械或电特性。因此，支柱22的不同区域可以具有不同的导电性并且可以彼此绝缘。材料层可以包括金属、合金、硅、氧化硅、氮化硅、氧化铝等，和/或它们的组合。
支柱22通过第一弹簧元件24机械地连接到第一支柱16。例如，第一弹簧元件24与支柱16和22的至少一些区域整体形成，和/或通过诸如接合工艺等其它方式连接到支柱16和/或支柱22。
MEMS 10包括布置在第二支柱22和第一支柱之间的第二弹簧元件26。
第一弹簧元件和第二弹簧元件提供支柱22相对于支柱16的平行四边形引导件。为此，如果它们由力的影响而偏转，例如由致动器引起偏转，则弹簧元件24和26至少在公差范围内提供相互平行的移动。例如，平行移动可以基于弹簧元件24和26的偏转和/或弯曲。因此，即使在弹簧元件24和26与支柱16和22之间的连接区域中没有机械支承的情况下，也可以通过弹簧元件24和26的变形至少部分地维持移动或偏转来维持平行四边形引导件。与本文所述实施例相关的平行四边形引导件包括两个基本上彼此平行延伸的弹簧，即在制造公差范围内沿支柱16和22之间的一个方向例如具有相同扩展的弹簧。
根据实施例，可以实现平行四边形引导件，使得弹簧元件24以其静止位置或无力状态布置在第一弹簧平面32内，第一弹簧平面32在空间上布置成与基板平面14平行。处于静止位置或处于无力状态的弹簧元件26也与基板平面14平行地布置，但位于与弹簧平面32不同的第二弹簧平面34内。弹簧平面32和34可以与基板平面14相距不同的距离和/或以平面间距35彼此平行布置。虽然弹簧平面32被示为与基板12或底面或基板平面14的距离小于弹簧平面36与基板12或底面或基板平面14的距离，但是两个弹簧平面可以容易地互换。根据另外的实施例，弹簧平面32和34可以相对于基板平面14倾斜。
通过经由弹簧元件24和26将支柱22悬挂，可以获得相对于基板12的支柱22的移动，该移动例如与支柱16平行和/或与表面法线18平行。例如，该移动被实现为使得支柱22与支柱16平行地偏转。通过这种方式，可以获得类似于平行四边形的结构，因为可以在维持两个支柱16和22以及两个弹簧24和26的平行四边形形状的同时基本上实现第二支柱22相对于第一支柱16并平行于表面法线18的偏转或移动。不对称地悬挂支柱和/或仅在一侧将其悬挂可以为进一步的悬挂节省安装空间，并且由于采用平行四边形引导件而仍然是精确的。
在本文所描述的实施例的上下文中，支柱22的单侧悬挂或在一侧上或仅在一侧上悬挂可以理解为意味着在顶视图中支柱22完全或至少大部分(即超过50％、超过70％或超过90％并且包括其重心)位于基板延伸部(即支柱16)的(底)表面之外。
如图1所示，支柱16可以仅通过弹簧元件24和弹簧元件26与支柱22连接，即不需要其他的连接元件。
弹簧在偏转状态下可以具有弯曲。在本文所述的实施例的上下文中，术语平行四边形引导件或平行四边形形状指的是这样的结构，根据该结构，弹簧在支柱处的四个附接区域(的重心)仍形成平行四边形。
如果弹簧元件24和26偏转以使支柱22沿正或负偏转方向或位移方向z偏转，则所产生的弹簧元件弯曲可以引起支柱22横向位移，例如沿负x方向位移。弹簧元件24和26形成为使得该位移在相对于平面间距35的5％、优选3％且特别优选1％的公差范围内是相同的。该位移沿y方向在这些公差范围内最好也是相同的。横向位移的偏差越小，可移动杆22的倾斜可能越小。然而，倾斜度可以保持足够小，以便支柱22在±5°、优选±2°且特别优选±1°的公差范围内偏转而不倾斜。
MEMS 10可以包括连接到支柱22或支柱22的一部分的功能元件28。为此，功能元件28可以与支柱22形成一体和/或机械地固定连接到支柱22。功能元件28可以是其位置被MEMS 10调整、控制或至少受MEMS 10影响的元件。例如，功能元件28可以是微镜或导电结构。
弹簧元件24和26形成为使得平行于表面法线18的高度或厚度小于沿轴向延伸方向(例如沿x方向)的弹簧长度，并且小于弹簧宽度(例如平行于y方向和/或垂直于弹簧长度的弹簧宽度)，从而与平行于弹簧厚度的弹簧刚度相比，沿弹簧宽度的弹簧刚度相对较高。因此，第一弹簧元件24和第二弹簧元件26沿平行于基板平面的方向(例如x和/或y)的刚度可以是沿位移方向z的刚度的至少5倍、至少10倍或至少20倍。通过在不同平面内以及在第一支柱16和第二支柱22之间布置弹簧元件，因此可以在垂直于预期移动方向z的方向上和/或在倾向于倾斜(尤其是相对于x轴和y轴)的方向上获得高稳定性。由偏转引起的支柱22和/或功能元件28的移动方向可以与MEMS的厚度方向z平行布置。
图1示意性地示出MEMS 10的无力状态，其中弹簧元件24和26与基板平面14平行延伸。然而，在弹簧中的应力梯度或外力的影响下，例如在支柱22和/或功能元件28的重力的影响下，弹簧元件24和/或26可能会发生弯曲，然而由于弹簧元件24或26的至少一个区域保持在相应的平面32或34内的事实，这种弯曲在导致弹簧元件24和26至少部分地布置在相关联的弹簧平面32或34内这方面是不变的。
图2示出根据实施例的MEMS 20的示意性透视图。弹簧元件24和26各自设置在第一支柱16和第二支柱22之间，并且弹簧元件24在第一支柱16处的附接区域361和第二支柱22处的附接区域381之间延伸。弹簧元件26在第一支柱16处的附接区域362和支柱22处的附接区域382之间延伸。例如，基于将弹簧元件24和26分别布置在弹簧平面32和34内的基础上，在第一支柱16处的附接区域361和362之间的距离以及在第二支柱22处的附接区域381和382之间的距离可以至少在10％、±5％或±2％的公差范围内是同样大的。
尽管弹簧元件24和26在投影到基板平面14的情况下至少在10％、5％或2％的公差范围内是全等的或等同的，但是本文描述的实施例不限于此。因此，即使沿z方向具有不同几何构型的相同弹簧刚度也可能导致相同或相似的效果，并且即使已经不同的几何构型和/或弹簧刚度也允许高稳定性。例如，弹簧元件24和26可以被设计成全等的或等同的，且在基于蚀刻工艺的散射或倾斜边缘的扩展上略有不同。
根据一个实施例，第一支柱16从功能元件28的表面的质心或几何中心横向偏移。例如，第二支柱可以至少沿着沿z方向的投影方向布置在主表面的质心区域中。因此，相对于与基板平面14平行的部件布置，可以不对称地形成功能元件28的致动或偏转。
功能元件28可以与其表面在x/y平面内的基板平面14中的投影重叠，即，功能元件28可以具有比支柱22更大的表面。这使得待移动的整个系统的质量较低。可替代地，支柱22可以具有相同尺寸或更大尺寸。功能元件28可以包括光学有效元件，例如镜子，或者可以形成为微镜，从而大的表面延伸是有利的。功能元件28可以与弹簧24和26部分或完全重叠，甚至可以突出到支柱16的一个区域中。优选地，功能元件28形成为相对于支柱22沿一个或多个镜轴轴向对称，和/或围绕支柱22的与基板平面14平行的表面的质心旋转对称。弹簧24和/或26可以形成为完全直的，例如为弯曲梁。可替代地，也可以使弹簧24和/或26在几个区段中是直的，在这种情况下，这些区段彼此成角度布置。可替代地，也可以在相应的弹簧平面32或34内形成弯曲弹簧24和/或26。
MEMS 20包括第一电极421和第二电极422，它们共同形成用于使支柱22偏转且因此使功能元件28偏转的静电驱动器或致动器44。电极422也可以被称为致动器板。电极421可以是位于基板12和功能元件28之间并且例如机械地固定连接到基板12的扁平电极。第二电极422可以是板状的，即，形成致动器板，并且例如机械地固定连接到支柱22。可替代地，电极421和/或422中的至少一个也可以具有不同于板的形状，使得致动器的每个电极可以被形成为平坦的或与其不同的形状。
例如，在电极421和422之间施加电压U可以在两个电极之间产生吸引力，从而因此弹簧24和26偏转，使得功能元件28和基板12之间的距离减小。
功能元件28可以与固定支柱16重叠。根据实施例，电极422可以具有比图2中所示更大的表面积，并且例如大约与功能元件28一样大或甚至更大。在支柱16的一个区域中，电极422可以具有允许支柱16和电极422之间不接触的凹部。
换言之，可以通过在不同的技术生产水平面/与基板之间的距离不同的弹簧平面中产生至少两个弹簧来实现沿z的期望的纯平移移动。理想地，这两个弹簧将致动器的两个不同点固定在平行于基板的两个空间维度上(以及围绕这些点的连接轴旋转)，因此，仅允许在期望的方向上移动。在两个不同的技术水平面处生产两个弹簧可能更复杂，因此，比只有一个弹簧平面的实现更昂贵，这可能被认为是不利的。然而，这种潜在的缺点将至少通过致动器的显著改进的平行引导得到补偿，从而使额外的努力更加合理。另外，这两个弹簧可以容易地用于将两个期望的不同电势施加到致动器和与其连接的微镜，因为在生产技术方面，可以在分开的弹簧平面之间实施绝缘层。如[7]所述，每个致动器的固定支柱，即直接连接到基板的支柱，以及使用相应的不对称弹簧和/或致动器几何构型可能已经产生非常好的结果。由于仅从一个固定支柱上进行悬挂，弹簧中可能因生产相关原因而存在的层张紧可能会松弛，并且可以避免随着挠度增加而增加的弹簧刚度。同时，只需要一个支柱的空间，从而为致动器留出更多空间。
如果高度或厚度相同，两个弹簧24和26加在一起的弹簧刚度可以为单个弹簧的两倍。在这方面，弹簧元件24和26可以具有沿z方向的小延伸尺寸(高度/厚度)，并且被形成为薄的。例如，弹簧元件24和/或26可以具有在至少10nm和最多1000nm、优选至少20nm和最多200nm、并且尤其优选在至少20nm和最多60nm的范围内的厚度。在MEMS操作期间，相关弯曲模式的弹簧刚度可以与弹簧厚度的立方成比例，从而两个弹簧或弹簧元件仍可以利用单个弹簧的厚度的约79.4％来获得相当的刚度。图2示出一种包括本发明的微镜的致动器，其中，例如，驱动受到致动器板(电极422)和寻址电极(电极421)之间的静电场的影响。可替代地，致动器板可以位于这些弹簧元件24和26的下方而不是这些弹簧元件24和26之间，即电极422可以位于弹簧24和电极421之间。为了简单起见，图2所示为方形致动器板422，其经由可移动支柱22在其中心连接到弹簧元件24和26。为了使实施例起作用，这种布置是可能的，但不是必需的。为了在一个阵列中获得几个MEMS的相互最近的可能布置，选择不同的布置可能更有利，因为在这种情况下，支柱16占用的空间比绝对必要的空间要多。相反，例如，致动器可以凹陷以使其与支柱16一起占据可以用于镶嵌基板平面的区域。
图3示出根据实施例的MEMS 30的截面侧视图，其中，第二电极422沿z方向布置在弹簧元件24和/或弹簧平面32与第一电极421之间。
沿着支柱平行于z方向的轴向路径，支柱16可以具有绝缘区域461，该绝缘区域461可以例如通过MEMS 30的分层结构中的电绝缘材料获得。在相同或不同的平面中，支柱22可以具有沿其平行于z方向的轴向路径的绝缘区域462，该绝缘区域462可以例如通过MEMS 30的分层结构中的电绝缘材料获得。电绝缘区域461和462可以布置在公共平面内，例如作为半导体叠层中的公共层的一部分。通过绝缘区域461和462，支柱16的子区域16a和16b以及支柱22的子区域22a和22b可以彼此电绝缘，从而不同的电位可以经由弹簧元件24和26通过支柱16引入不同的子区域22a和22b中，使得第一电势可以施加到电极422，且第二电势可以施加到功能元件28。电绝缘区域461和/或462也可以布置在MEMS 20内，例如布置在支柱22的位于电极422和弹簧元件26之间的区域中。
基于绝缘区域462以及支柱16中的弹簧元件24和26通过区域461的电绝缘，由于支柱22被设计为在某些区域中是电绝缘的事实，弹簧元件24可以与弹簧元件26电绝缘。
例如当附接区域361、362、381和382被投影到沿着支柱16和22之间的最短连接在±10°、优选±5°且特别优选±1°或优选±0°的公差范围内与位移方向z平行并与弹簧元件26和24的主延伸部平行布置的平面47中时，平行四边形引导件可以形成为使得弹簧元件24和26在支柱16和22处的附接区域361、362、381和382在所描绘的无力状态下形成平行四边形。由于平行四边形引导件，即使弹簧元件变形，也可以维持平行四边形的结构。
换言之，对于致动器板和微镜处的不同电势，支柱22可以被配置为部分绝缘。
图4示出根据实施例的MEMS 40的示意性截面侧视图，其中，除了基板电极421外，还设置了第二基板电极423。电极422布置在基板电极421和423之间，并且不同的电压或电势可以以特定于或专用于每个电极的方式相对于电极422被施加至基板电极421和423，使得例如通过在电极421和422之间施加电压而在负z方向上的主动偏转以及例如通过在电极422和423之间施加电压而沿正z方向的主动偏转是可能的。电极443可以机械地连接到基板12或不可移动结构。
偏转是指功能元件28沿正或负z方向的位置变化。例如，经由导电连接，支柱16的子区域16a被施加的电势可以与子区域16b不同。在根据包括多个MEMS的实施例的阵列中，例如，各个子区域16a可以例如经由导电结构元件彼此电连接。
电极443可以形成为例如通过具有凹部45来包围支柱22。支柱22可以在不接触或至少低摩擦的情况下穿过电极443。
作为静电驱动器44的替代或补充，根据本文所述实施例的MEMS可以具有被配置成使支柱22的偏转与支柱16平行的压电驱动器。例如，压电区域致动器可以位于弹簧元件24和/或26处或位于弹簧元件24和/或26的内部。可替代地或附加地，可以布置静电梳状驱动器、磁性致动器和/或热致动器以使功能元件28偏转。
图5a示出根据实施例的MEMS 501的一部分的示意性顶视图，其中，弹簧元件24和26在基板平面上的投影中至少在10％、5％或2％的公差范围内是全等的或等同的。例如，弹簧元件24和26可以被配置成是全等的或等同的，在基于蚀刻工艺的散射或倾斜边缘的扩展方面可以具有微小的差异。弹簧元件26在一些区段中是直的，并且形成例如围绕支柱22和/或功能元件28的缠绕或螺旋布置。这使得弹簧偏转较大，并因此功能元件28的偏转幅度较高。此外，可以获得沿z方向(移动方向)的低弹簧刚度。
图5b示出根据实施例的MEMS 502的一部分的示意性顶视图，其中，弹簧元件26也被形成为在一些区段中是直的，在这种情况下，实现了弹簧元件26的弯曲形式。如结合MEMS501所述，弹簧元件24在基板平面内的投影中可以是等同的。
图5c示出根据实施例的MEMS 503的一部分的示意性顶视图，其中，包括弹簧段26-1、26-2和26-3的倾斜补偿式弹簧元件延伸到支柱16和支柱22之间。弹簧段26-1和26-2可以相互机械并联连接，并引入弹簧段26-3，弹簧段26-3机械地联接到支柱22。弹簧段26-1和26-2可以通过不同的、可能相反的附接区域361和362在第一端机械地联接到支柱16，并且可以在相对定位的其他端部机械地连接到弹簧段26-3，其中，弹簧段26-3经由其与支柱22的机械连接完全或部分地完成支柱16和支柱22之间的机械连接。弹簧段26-1和26-2因此可以经由弹簧段26-3连接到支柱22的区域。可选地，弹簧元件可以形成为在弹簧平面32内是全等的或等同的。
将弹簧段26-1和26-2布置在相对的附接区域361和362处，使得弹簧段26-1和26-2对称布置，在这种情况下，附接区域361和362也可以布置在支柱16的相邻侧或支柱16的同一侧。
由于视图为顶视图，MEMS 501、502和503的图示仅限于弹簧平面34。弹簧平面32内的弹簧元件可以形成为全等或等同的，但也可以形成为不同。
换言之，图5a至图5c示出与根据图2、图3和/或图4的直的连接相比更长、更柔软的弹簧几何构型的一些示例，从而允许在可用致动器力下产生更大的偏转。其他形状也有可能，包括那些用曲线代替拐角的形状。
实际弹簧也可能在横向于期望偏转方向的方向上出现不可避免的弯曲，这最终可能导致轻微倾斜，从而在外部影响下产生局部偏转误差。虽然这些影响是可以接受的，但是对于形成为直的弹簧，这些偏转可以很容易地保持在比期望偏转小若干数量级，特别是当厚度(沿z方向的尺寸)远小于弹簧宽度时，在这种情况下，弹簧宽度54可以理解为垂直于弹簧元件的轴向曲线并垂直于沿z方向的尺寸的横向延伸尺寸。优选地，弹簧元件具有对应于宽度54的最大50％、30％或10％的厚度。
图6a示出根据实施例的MEMS 601的示意性顶视图，其中，第一弹簧平面内的弹簧元件和第二弹簧平面内的弹簧元件也形成为全等或等同的。第三弹簧元件48布置在与弹簧元件26相同的弹簧平面内，弹簧元件26在支柱16处的附接区域361和支柱22处的附接区域381之间延伸。弹簧元件48从与附接区域361不同的附接区域363延伸到支柱22处的附接区域383。附接区域381和383可以间隔开，但是也可以形成公共区域。即使附接区域381和383被示为位于支柱22的同一侧上，例如，如果支柱22具有多边形链类型的横截面，则附接区域381和383也可以位于不同的侧上，例如相邻的侧上。例如由于弹簧元件26或48延伸越过支柱22的多边形链的拐角或边缘，附接区域381和383中的每一个都可以延伸越过支柱22的一侧或多侧。
例如，在直的弹簧26和48的轴向曲线和/或附接区域361和381或363和383之间的轴向曲线具有角度α，角度α优选地具有大于0°且小于120°的值的情况下，可以获得高质量的引导件。角度α的值至少为5°且最大为60°，或至少为10°且最大为45°，例如30°，是有利的。这使得在设计仍然紧凑的情况下能够实现高的力吸收度。
尽管在其中一个弹簧平面中仅示出弹簧元件48，但是MEMS 601还可以具有第四弹簧元件，该第四弹簧元件位于另一弹簧平面，例如弹簧平面32内，并且该第四弹簧元件直接或间接地将支柱22连接到基板上。
图6b示出MEMS 602的示意性顶视图，其中，弹簧平面32内的弹簧元件也可以布置成与所示的弹簧元件26和48全等或等同。可替代地，可以组合不同弹簧几何构型和/或不同弹簧平面内的不同附接概念。
MEMS 602具有另一个支柱162，该支柱162牢固地连接到基板并且也可以被称为第二基板延伸部。弹簧元件26在支柱161处的附接区域361和支柱22处的附接区域381之间延伸。弹簧元件48在支柱162处的附接区域363和支柱22处的附接区域383之间延伸。附接区域381和383位于支柱22的两个分开但相邻的侧上。弹簧元件26和48的定向例如为90°，但也可以实现小于90°或大于90°，例如60°或更小，或120°或更大的其他角度。该角度优选具有在至少为60°且最大为120°的范围内的值。例如，MEMS 602可以具有至少在公差范围内与弹簧元件48全等或等同的第四弹簧元件。
如图1至图4以及图5a至图5c和图6a所示，可移动支柱22的横截面(该横截面通过在x/y平面内(即在俯视图中)的切割获得)的质心可以优选地布置在支柱16的底表面之外。替代地或附加地，MEMS除了支柱161之外还可以至少具有第二支柱162，其中可移动支柱22也经由支柱161和162在一侧被不对称地悬挂，并且在顶视图中，支柱22的质心布置在由支柱161和支柱162所跨过的底表面之外。这如图6b所示，例如，在支柱22的对角线方向上获得单侧不对称悬架，例如，弹簧元件26和48的对角侧没有进行悬挂。结合图1所述的支柱16的底表面在图6b和其他实施例中可以被理解为多于一个支柱16，作为由支柱161和162的单个底表面跨过的表面，该表面可以适用于单个表面以及由单个表面跨过的连续最小表面，因此，在这里，支柱22的质心也可以布置在由几个(底)表面跨过的表面之外。
根据实施例，支柱22被完全悬挂在支柱16上。支柱22可以具有功能元件28和/或与功能元件28连接。支柱16可以被布置成从功能元件28的平行于基板12的表面的质心横向偏移，这与仅在一侧(例如直线或对角线)进行的悬挂一起可以导致不对称悬架。
换言之，图6a和图6b示出基于修改的弹簧几何构型的进一步改进的引导见的可能性。这里，不同方向上的直的弹簧片对弹簧平面内的各种外力方向表现出大量的阻力，从而有效地防止任何方向上的倾斜。如图6a所示，这可以仅用一个固定支柱实现，但也可以在图6b所示的带有两个固定支柱的变型中实现。还可以布置更多的固定支柱和/或附加弹簧元件。通过布置两个或更多个支柱，弹簧平面内任何可能的与生产相关的应力都可以得到很大程度的释放，并且可以避免在大偏转的情况下弹簧布置的僵硬。图6a和图6b示出顶视图中的其他弹簧几何构型，该其他弹簧几何构型在弹簧平面内的抗弯曲刚度进一步提高，图6a示出附接到固定支柱的弹簧几何构型，图6b示出布置在两个独立固定支柱处的弹簧几何构型。
如果两个弹簧平面内的弹簧元件是全等的或等同的，则可以得到简单的实现。然而，也可以使用不同的弹簧形状，如果它们是相互优化的。在这方面，当支柱22在期望的z方向上偏转时，如果弹簧在支柱22处的附接区域的横向位移(在x和y上)在两个弹簧平面内相同，则认为弹簧系统是优化的。
图7示出根据实施例的MEMS 70的示意性透视图，其中，弹簧元件24和弹簧元件26在其中心被加强，使得变形基本上发生在薄截面中。可替代地，这些弹簧元件也可以形成为固态接头结构。可替代地，也可以以这种方式或如结合其它实施例所述，仅设计弹簧元件24或26中的一个，以免除固态接头结构。
弹簧元件24和/或26可以完全或部分地实现为固态接头结构，例如，弹簧元件26的边缘区域26a和26c和/或弹簧元件24的边缘区域24a和24c被设计为与分别位于外部区域26a和26c之间以及外部区域24a和24c之间的中心区域26b或24b相比是柔软的，即具有较低的刚度。这可以通过相对较小的厚度(例如，沿z方向不超过50％、不超过30％或不超过20％的厚度)和/或通过与中心区域24b和/或26b相比不超过80％、不超过60％或不超过40％的较小弹簧宽度来实现。固态接头可以基于例如材料在一个或多个方向上的局部减薄而获得。可替代地，它们也可以在单独的生产步骤中形成，可能来自不同的材料。这使得在横向于偏转方向z的方向上具有高刚度。就互补的定义而言，分别与外部区域24a和24c以及外部区域26a和26c相比，中心区域24b和/或26b可以具有加强件。
换言之，弹簧元件的另一个变化是，当它们的中心区域24b和/或26b被加强件加固时，使得在固定和可移动的支柱16和22处形成基本上呈固态的接头，这些接头之间几乎是刚性连接。对于任何不希望的力的影响，这种变型甚至更为刚性，特别是在高度偏转状态下。图7所示为通过中心区域24b和26b中的刚性元件以及边缘区域26a和26b以及边缘区域24a和24b中的两个固态接头或弹簧元件将固定支柱16连接到可移动支柱22。为清楚起见，未示出致动器和可移动元件。
如前所述，具有与致动器平行布置的寻址电极的静电驱动器可以用于单独或结合其他驱动原理来驱动MEMS。特别适合的其他静电驱动原理是，例如，双作用平行板致动器，结合MEMS 40描述该双作用平行板致动器，并且其中，可移动致动器板不仅在下方而且在上方与不可移动的电极板相对。另一个特别合适的解决方案是梳状驱动器，其中在可移动的致动器或支柱22处的片层或指状物在不可移动的片层或指状物之间被静电拉动。其他驱动原理也是可能的，特别是电磁、压电和/或热驱动原理。
图8a示出根据实施例的阵列80a的示意图，该阵列80a被布置为例如规则阵列，其中阵列行561到563以及阵列列581到584彼此平行布置并且没有偏移。例如，在顶视图中示出阵列80a，其中功能元件281至2812显示为透明，以便允许表示底层元件。可替代地，图示也可以被理解为“从下面”或从未示出的基板的一侧。阵列80a包括例如MEMS 201至2012。阵列行56和阵列列的数量是示例性的，并且可以彼此独立地具有至少为1、至少为2、至少为3或更高的值，即，根据实施例，阵列80a可以形成为单行或单列。
如图8a所示，功能元件281至2912可以与相应的相关联的支柱161至1612和/或与相邻的支柱重叠。例如，功能元件281和282与支柱162重叠。重叠是指功能元件的投影与支柱的投影相对应，每个投影都位于基板平面内并沿着基板平面的表面法线。
为了使电极422-1至422-12在维持MEMS 201至2012的高包装密度的同时不与支柱161至1612接触，电极422-1至422-12可以具有凹部621至6224。凹部621至6224可以适应于相邻阵列行的MEMS的支柱16i，以便即使在电极横向移动的情况下也维持足够大的距离。凹部621至6224可以优选地布置在电极422-1至422-12的邻近支柱161至1612中的一个支柱的区域中。凹部621至6224可以被设计成使得在相对于相邻MEMS的支柱16的无力状态和最大偏转状态都维持电极422和支柱16之间的最小距离，该最大偏转可能导致相应的电极422接近其自身的支柱16。
如图8a所示，可以沿阵列行561至563的行扩展方向进行相应MEMS 201到2012的弹簧元件261至2612相对于功能元件的对齐。可替代地，MEMS中的至少一个可以形成为使得弹簧元件26与列581至584中的一个列的列延伸方向平行地布置。根据实施例，至少一个弹簧元件26具有朝向列延伸方向和行延伸方向的定向，该定向不同于0°、90°、180°和270°。
图8b示出根据实施例的基本上与阵列80a匹配的阵列80b的示意图。与阵列80a相比，弹簧元件261至2612中的至少一个以及可能的弹簧元件24中的至少一个相对于行延伸方向67形成角α1，阵列行561至563中的至少一个沿行延伸方向67布置或平行于行延伸方向67布置。此外，弹簧元件261至2612中的至少一个以及可选地弹簧元件24中的至少一个相对于列延伸方向69形成角α2，阵列列581至584中的至少一个沿列延伸方向69布置或平行于列延伸方向69布置。角α1和α2可以各自为大于0°且小于90°的角。
电极422的凹部62可以布置在邻近相邻支柱的区域中，例如布置在电极42的拐角区域中。凹部62可以被称为电极422的切角。凹部允许为固定支柱16提供空间或余地。
图8c示出根据本文描述的实施例的包括多个MEMS的阵列80c的示意图，其中，阵列80c包括例如多个MEMS 201到208。与阵列80a相比，多个MEMS可以被形成为彼此相同或不同，并且例如，可以规则地或不规则地布置在多个阵列行561至564中和/或布置在多个阵列列581至584中。
直接相邻的阵列行561和562、562和/或563和/或563和564以及/或直接相邻的阵列列581和582、582和583和/或583和584可以布置成沿行延伸方向x或列延伸方向y彼此偏移，例如，沿此方向恰好彼此偏移相应的MEMS致动器的延伸部的一半。根据替代配置，例如，如图8a所示，阵列行56和/或阵列列58可以彼此不偏移。作为结合图8a给出的描述的替代或除了结合图8a给出的描述之外，至少一个、一些或所有功能元件28可以具有适应于MEMS的相邻行和/或列的固定支柱的凹部。这使得功能元件28的移动越过相邻的固定支柱，从而产生大的移动行程或幅度。即使是小的移动幅度足够，功能元件28也可以突出到相邻的固定支柱之外，而不会在发生偏转时与它们接触。可以在MEMS方面以个体的方式控制阵列80的MEMS201到208，即，就功能元件281至288的偏转而言，在MEMS方面单独地、成组地或全局地控制阵列80的MEMS 201到208。这可以通过静电驱动器的控制电极或可以在MEMS方面以单独的方式进行控制的其他控制装置实现，或者至少可以逐组控制。
MEMS 201至208可以按照多边形图案(例如蜂窝图案)布置成阵列。例如，在平行于第二支柱的移动方向的投影的情况下，可移动元件的面积密度可以为至少60％、至少70％或至少80％。优选大于80％、约85％、至少90％或更大的较高表面密度。
如图8c所示，功能元件281至288可以布置为相对于与MEMS相关联的固定支柱161至168无任何重叠。可替代地，可以获得可能涉及较大重量的可移动元件和/或短弹簧元件的重叠。阵列行561至564和/或阵列列581至584可以彼此平行布置，并且可以在行或列方向上具有或不具有偏移。不考虑到这一点，但还彼此结合地考虑，一些、几个或所有功能元件28可以具有适于直接相邻的阵列行和/或阵列列的MEMS的固定支柱的凹部62。
MEMS的功能元件28可以各自形成一个像素，使得阵列具有多个像素。多个像素中的像素可以以像素间距63重复。沿第一弹簧元件24和/或第二弹簧元件26的轴向延伸方向x的弹簧长度65可以大于像素间距，因为像素间距可能由于像素沿x的距离较小但沿y有横向位移而较小。这种布置也可以被称为交错布置。图2中说明的电极422的凹部也可以形成为适于不同阵列行或阵列列中的MEMS的支柱16。
根据实施例，功能元件281至288形成为突出到沿x方向和y方向投影的基板平面中，超出支柱221至228。根据实施例，支柱16布置在与支柱16机械地连接的功能元件在基板平面14中的投影之外，使得弹簧元件可以比镜子长。
尽管图8a至图8c的阵列被示为使得MEMS相同地形成和相同地定向，但是本发明的实施例不限于此。相反，MEMS也可以是不同地定向和/或形成，例如功能独立化，即使这降低了可能的高面积效率。
换言之，如果弹簧突出到致动器上方，则与横向致动器尺寸相比，对于特别大的偏转而言，这可能是有利的。为了仍然获得许多这样的致动器的密集布置，例如在阵列80c中，相邻致动器的弹簧可以被布置成偏移，如图8c所示。图8c示出在偏移范围内用长弹簧布置的许多微镜的密集阵列。致动器板可以相应地被切割，以便为固定支柱留出空间。
实施例使得能够仅在一个支柱上不对称地悬挂MEMS致动器，以便仍然实现无倾斜、平行的偏转。然而，实施例提供了另外的固定支柱的支撑布置。与已知的解决方案相比，即使在不希望的、不对称的力效应的情况下，致动器的倾斜仍然很小。因此，通常非常有限的空间(尤其是像素非常小的情况下)，可以最佳地用于软悬挂。通过避免在几个支柱处悬挂时容易发生的应力刚化，线性弹簧特性曲线的范围(胡克定律)可能会特别大。
实施例尤其适用于微机械致动器，尤其适用于具有非常小的像素的空间光调制器(SLM)(根据可生产的机械结构尺寸或期望的偏转测得)。这种SLM对于数字全息术特别有用，既适用于全息显示器，也适用于诸如通用激光镊子、波前建模和用于光纤网络的快速光开关等应用，其中这种SLM允许同时分割和控制激光的方向、发散和强度。然而，它们也可以用于其它图案生成装置中。另外，在微致动器系统(也没有微镜)以及传感器技术中的许多其他应用也是可能的。实施例涉及平移致动器，尤其是联接到用于从其反射的光的相位调整的微镜的致动器。使用这里所示实施例实现的任务之一是设计弹簧和支柱，以便在仅在最小程度上产生干扰围绕所有轴的倾斜影响的同时，在纯平移移动中引导致动器。另一方面，期望的移动方向上的最小可能力会导致所需的偏转。相邻像素的致动器之间必须没有电连接，以便能够单独调整它们。如果期望逐组控制，则可以部分省略此要求。另一方面，期望机械地联接到单个致动器的微镜处于共同的电位，以便排除相邻镜之间的静电力，否则这可能导致期望偏转的偏差(串扰)。
尽管已经结合装置描述了一些方面，但是应当理解，这些方面也表示对相应方法的描述，因此装置的块或部件也被理解为对应的方法步骤或方法步骤的特征。类似地，结合或作为方法步骤描述的方面也表示对对应块或对应装置的细节或特征的描述。
上述实施例仅是本发明原理的例示。应当理解，本文描述的布置和细节的修改和变化对于本领域的其他技术人员将是显而易见的。因此，意图是本发明仅由所附权利要求的保护范围来限制，而不是由这里通过对实施例的描述和说明所呈现的具体细节来限制。
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Claims (41)

1.一种MEMS，包括：
基板(12)，所述基板(12)在基板平面(14)内延伸并且具有在所述基板平面(14)上方升高的基板延伸部(16)；
可移动结构元件(22)；
第一弹簧元件(24)，所述第一弹簧元件(24)将所述可移动结构元件(22)机械地连接到所述基板延伸部(16)；以及
第二弹簧元件(26)，所述第二弹簧元件(26)将所述可移动结构元件(22)机械地连接到所述基板延伸部(16)；
所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)提供所述可移动结构元件(22)相对于所述基板延伸部(16)的平行四边形引导件；
其中，所述可移动结构元件(22)在一侧被不对称地悬挂。
2.根据权利要求1所述的MEMS，其中，在俯视图中所述可移动结构元件(22)的质心布置在所述基板延伸部(16)的底表面外部；或者其中，所述基板延伸部是第一基板延伸部(161)，并且所述MEMS具有第二基板延伸部(162)，所述可移动结构元件(22)经由所述第一基板延伸部(161)和所述第二基板延伸部(162)在一侧被不对称地悬挂，并且在俯视图中所述可移动结构元件(22)的质心布置在由所述第一基板延伸部(161)和所述第二基板延伸部(162)所跨过的底表面外部。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS，其中，所述基板延伸部(16)仅经由所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)连接到所述可移动结构元件(22)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，处于无力状态的所述第一弹簧元件(24)至少部分地设置在第一弹簧平面(32)内，所述第一弹簧平面(32)与所述基板平面(14)平行布置，并且处于所述无力状态的所述第二弹簧元件(26)至少部分地设置在第二弹簧平面(34)内，所述第二弹簧平面(34)与所述基板平面(14)平行布置并且与所述第一弹簧平面以平面间距间隔开以提供所述平行四边形引导件。
5.根据权利要求4所述的MEMS，其中，所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)在所述可移动结构元件(22)沿垂直于所述基板平面(14)的位移方向(z)偏转时提供所述可移动结构元件(22)沿垂直于所述位移方向(z)的第一方向(x)和第二方向(y)的位移，所述位移在相对于所述平面间距的5％的公差范围内是相同的。
6.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述平行四边形引导件形成为使得所述第一弹簧元件(24)在所述基板延伸部(16)处和所述可移动结构元件(22)处的附接区域以及所述第二弹簧元件(26)在所述基板延伸部(16)处和所述可移动结构元件(22)处的附接区域在无力状态下形成平行四边形。
7.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述第一弹簧元件(24)在所述基板延伸部(16)处和所述可移动结构元件(22)处的附接区域以及所述第二弹簧元件(26)在所述基板延伸部(16)处和所述可移动结构元件(22)处的附接区域布置在公共平面(47)内，所述公共平面(47)布置成在±10°的公差范围内与所述基板平面(14)垂直。
8.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)在与所述可移动结构元件(22)的移动方向(z)平行的投影在±10％的公差范围内是全等的。
9.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述可移动结构元件(22)通过所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)被悬挂，使得所述可移动结构元件(22)能够在±5°公差范围内、优选±1°的公差范围内沿位移方向(z)偏转而不倾斜。
10.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，还包括致动器，所述致动器被配置为引起所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)的偏转。
11.根据权利要求10所述的MEMS，其中，所述可移动结构元件的由所述偏转引起的移动的移动方向布置成与所述MEMS的厚度方向(z)平行。
12.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述致动器包括静电驱动器(44)。
13.根据权利要求12所述的MEMS，其中，所述静电驱动器(14)包括至少一个基板电极(421，423)和机械地连接到所述可移动结构元件(22)的可移动电极(422)，其中，施加在所述基板电极(421，423)和所述可移动电极(422)之间的电压(U)引起所述可移动结构元件(22)偏转。
14.根据权利要求13所述的MEMS，其中，所述可移动电极(422)设置在所述第一弹簧平面(32)和所述第二弹簧平面(34)之间；或者其中，所述可移动电极(422)设置在所述第一弹簧平面(32)和所述基板(12)之间。
15.根据权利要求13或14所述的MEMS，其中，所述至少一个基板(421)电极是第一基板电极(421)，并且其中，所述MEMS包括第二基板电极(423)，所述可移动电极(422)设置在所述第一基板电极(421)和所述第二基板电极(423)之间，其中，通过与所述可移动电极(422)相关的电压以针对每个电极的方式能够单独控制所述第一基板电极(421)和所述第二基板电极(423)。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的MEMS，其中，所述致动器包括压电驱动器、静电梳状驱动器、磁性致动器和/或热致动器中的至少一个。
17.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述基板延伸部(16)形成为支柱结构，所述支柱结构具有一横截面，该横截面具有两个任意横向扩展方向的纵横比，所述纵横比具有至少为0.1和最大为10的值。
18.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述可移动结构元件(22)具有功能元件(28)，所述功能元件(28)基于所述可移动结构元件(22)的移动相对于所述基板(12)能够移动。
19.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述可移动结构元件(22)仅经由所述基板延伸部(16)被悬挂；并且所述可移动结构元件(22)具有功能元件(28)；并且其中，所述基板延伸部(16)被布置成从功能元件(28)的与所述基板(12)平行的表面的质心横向偏移。
20.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述第一弹簧元件(24)和/或所述第二弹簧元件(26)形成为至少在一些区段中是直的。
21.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述第一弹簧元件(24)和/或所述第二弹簧元件(26)在中心区域(24b，26b)中具有相对于外部区域(24a，24c，26a，26c)的加强件或者形成为固态接头。
22.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述第一弹簧元件(24)和/或所述第二弹簧元件(26)形成为包括第一弹簧段(26-1)和第二弹簧段(26-2)，第一弹簧段(26-1)和第二弹簧段(26-2)连接到第三弹簧段(26-3)，所述第三弹簧段(26c)机械地连接到所述可移动结构元件(22)，所述第一弹簧段(26-1)和所述第二弹簧段(26-2)机械地连接到所述基板延伸部和所述第三弹簧段(26-3)。
23.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，还包括至少第三弹簧元件(48)，所述第三弹簧元件(48)设置在所述可移动结构元件(22)和所述基板(12)之间且位于所述第一弹簧平面(32)或所述第二弹簧平面(34)内。
24.根据权利要求23所述的MEMS，其中，当投影到所述基板平面(14)中时，所述第三弹簧元件(48)相对于所述第一弹簧元件(24)形成大于0°且最大为120°的角。
25.根据权利要求23或24所述的MEMS，其中，所述第三弹簧元件(48)设置在所述第一弹簧平面(32)内，所述MEMS包括第四弹簧元件，所述第四弹簧元件设置在所述第二弹簧平面(34)内并将所述可移动结构元件(22)连接到所述基板(12)。
26.根据权利要求23至25中任一项所述的MEMS，其中，所述基板延伸部(16)为第一基板延伸部，其中，所述至少第三弹簧元件(48)布置在所述可移动结构元件(22)和连接到所述基板(12)的第二基板延伸部(162)之间。
27.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述可移动结构元件(22)包括功能元件(28)；并且其中，所述基板延伸部(16)从功能元件(28)的与所述基板(12)平行的表面的质心横向偏移。
28.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述可移动结构元件(22)包括功能元件(28)；并且其中，所述功能元件(28)包括镜子。
29.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述可移动结构元件(22)形成为至少在一些区域内是电绝缘的，以便使所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)彼此电绝缘。
30.根据前述权利要求中任一项所述的MEMS，其中，所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)沿平行于所述基板平面的方向的各自刚度是沿所述位移方向(z)的刚度的至少5倍。
31.一种MEMS，包括：
基板(12)，所述基板(12)在基板平面(14)内延伸并且具有在所述基板平面(14)上方升高的基板延伸部(16)；
可移动结构元件(22)；
第一弹簧元件(24)，所述第一弹簧元件(24)将所述可移动结构元件(22)机械地连接到所述基板延伸部(16)；以及
第二弹簧元件(26)，所述第二弹簧元件(26)将所述可移动结构元件(22)机械地连接到所述基板延伸部(16)；
所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)提供所述可移动结构元件(22)相对于所述基板延伸部(16)的平行四边形引导件；
其中，所述第一弹簧元件(24)和/或所述第二弹簧元件(26)中心区域(24b，26b)中具有相对于外部区域(24a，24c，26a，26c)的加强件或者形成为固态接头；和/或
其中，所述第一弹簧元件(24)和/或所述第二弹簧元件(26)形成为包括第一弹簧段(26-1)和第二弹簧段(26-2)，第一弹簧段(26-1)和第二弹簧段(26-2)连接到第三弹簧段(26-3)，所述第三弹簧段(26c)机械地连接到所述可移动结构元件(22)，所述第一弹簧段(26-1)和所述第二弹簧段(26-2)机械地连接到所述基板延伸部和所述第三弹簧段(26-3)。
32.一种阵列(80)，包括多个根据前述权利要求中任一项所述的MEMS。
33.根据权利要求32所述的阵列，其中，所述多个MEMS按照多边形图案布置。
34.根据权利要求32或33所述的阵列，其中，所述多个MEMS布置为多个平行阵列行(56，58)，其中，第一阵列行(561，581)和直接相邻的第二阵列行(562，582)的MEMS布置成彼此偏移。
35.根据权利要求32至34中所述的阵列，其中，MEMS的电极(422)具有适于相邻阵列行(562，582)的MEMS的所述基板延伸部(16)的凹部(62)。
36.根据权利要求32至35中任一项所述的阵列，其中，就所述可移动结构元件(22)的偏转而言能够单独或成组地控制所述多个MEMS。
37.根据权利要求32至36中任一项所述的阵列，其中，所述多个MEMS布置成与行延伸方向(x)平行的多个阵列行(56)，其中，直接相邻行(561，562)的MEMS相对于列方向彼此偏移；
其中，所述多个MEMS的第一弹簧元件(24)和第二弹簧元件(26)与所述行延伸方向(x)平行布置；
其中，与相应的MEMS的所述可移动结构元件(22)连接的功能元件(28)与所述MEMS的相关联基板延伸部(16)不重叠；
其中，与所述相应的MEMS的所述可移动结构元件(22)连接的所述电极(422)具有适于所述直接相邻的阵列行(562)的MEMS的所述基板延伸部(16)的凹部。
38.根据权利要求32至37中任一项所述的阵列，其中，在与所述可移动结构元件(22)的移动方向平行地投影时，连接到所述可移动结构元件(22)的功能元件(28)具有至少80％的面积密度。
39.根据权利要求32至38中任一项所述的阵列，其中，所述多个MEMS的连接到所述可移动结构元件的功能元件(28)各自形成多个像素中的一个像素，其中，所述多个像素的像素以像素间距(63)进行重复，其中，沿所述第一弹簧元件(24)和/或所述第二弹簧元件(26)的轴向延伸方向(x)的弹簧长度(65)大于所述像素间距(63)。
40.一种阵列(80)，包括多个MEMS，每个MEMS包括：
基板(12)，所述基板(12)在基板平面(14)内延伸并且具有在所述基板平面(14)上方升高的基板延伸部(16)；
可移动结构元件(22)；
第一弹簧元件(24)，所述第一弹簧元件(24)将所述可移动结构元件(22)机械地连接到所述基板延伸部(16)；以及
第二弹簧元件(26)，所述第二弹簧元件(26)将所述可移动结构元件(22)机械地连接到所述基板延伸部(16)；
所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)提供所述可移动结构元件(22)相对于所述基板延伸部(16)的平行四边形引导件；
其中，所述多个MEMS布置为与行延伸方向(x)平行的多个阵列行(56)中，其中，直接相邻行(561，562)的MEMS相对于列方向偏移；
其中，所述多个MEMS的第一弹簧元件(24)和第二弹簧元件(26)与所述行延伸方向(x)平行布置；
其中，与相应的MEMS的所述可移动结构元件(22)连接的功能元件(28)相对于所述MEMS的相关联基板延伸部(16)不重叠；并且
其中，与所述相应的MEMS的所述可移动结构元件(22)连接的电极(422)具有适于所述直接相邻的阵列行(562)的MEMS的所述基板延伸部(16)的凹部；和/或。
41.一种阵列(80)，包括多个MEMS，每个MEMS包括：
基板(12)，所述基板(12)在基板平面(14)内延伸并且具有在所述基板平面(14)上方升高的基板延伸部(16)；
可移动结构元件(22)；
第一弹簧元件(24)，所述第一弹簧元件(24)将所述可移动结构元件(22)机械地连接到所述基板延伸部(16)；以及
第二弹簧元件(26)，所述第二弹簧元件(26)将所述可移动结构元件(22)机械地连接到所述基板延伸部(16)；
所述第一弹簧元件(24)和所述第二弹簧元件(26)提供所述可移动结构元件(22)相对于所述基板延伸部(16)的平行四边形引导件；
其中，所述阵列形成为使得所述多个MEMS的连接到所述可移动结构元件的功能元件(28)各自形成多个像素中的一个像素，其中，所述多个像素的像素以像素间距(63)进行重复，其中，沿所述第一弹簧元件(24)和/或所述第二弹簧元件(26)的轴向延伸方向(x)的弹簧长度(65)大于所述像素间距(63)。
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